G. Van Alboom & K. Haelterman & L. Vincke Afdeling Geotechniek, Vlaamse overheid K. Nulens TV SAM K. Van Royen Jan Maertens en partners J. Schittekat Université Catholique de Louvain Samenstellen van het geotechnisch dossier voor de sluiting van de Ring rond Antwerpen (Masterplan Antwerpen) Inleiding Om de mobiliteit, de verkeersveiligheid en de leefbaarheid in en rond Antwerpen te verbeteren ontwikkelde de Vlaamse overheid het Masterplan Mobiliteit Antwerpen. De Antwerpse regio biedt vandaag 3 verbindingen voor het goederenverkeer tussen de linkeren rechteroever van de Schelde: de Kennedytunnel, de Liefkenshoektunnel en de Scheldebrug in Temse. Een vierde verbinding ten noorden van Antwerpen, de Oosterweelverbinding, maakt deel uit van het Masterplan. Dit plan is multimodaal: het pakt het mobiliteitsprobleem aan met projecten rond wegen, openbaar vervoer en waterwegen. Concreet vertaalt zich dat in 3 doelstellingen: bereikbaarheid van stad en haven garanderen, leefbaarheid verbeteren, verkeersveiligheid verhogen. Dit artikel handelt over de realisatie van de Oosterweelverbinding, waarvan het vooropgestelde tracé is aangegeven op figuur 1. Voor de realisatie van het project werd geopteerd voor de DB(f)M aanpak waarbij een Samenvatting Om de drukke verkeersaders in en rond Antwerpen te ontlasten werd de sluiting van de Ring rond Antwerpen vooropgesteld. Voor de samenstelling van het geotechnisch dossier werden de beschikbare geologische en geotechnische gegevens langs het voorziene tracé verzameld. Hierbij kon nuttig gebruik worden gemaakt van de Databank Ondergrond Vlaanderen (DOV). Met deze inventaris als basisinformatie werd een uitgebreid proevenprogramma van in situen laboratoriumproeven opgezet en uitgevoerd. Voor de interpretatie van de proefresultaten van laboratorium- en terreinproeven werden statistische recepten toegepast conform EC7. In het bestek werd tevens een uitgebreid monitoringprogramma voorzien. geïntegreerde aanbesteding van ontwerp, bouw en onderhoud wordt voorzien, met een lange looptijd van de overeenkomst. Voor de realisatie van het Masterplan en de coördinatie van de verschillende projecten richtte de Vlaamse Regering de naamloze vennootschap van publiek recht Beheersmaatschappij Antwerpen Mobiel (BAM) op. Binnen BAM maakt de Studiegroep Antwerpen Mobiel (SAM) projectvoorstellen, projectontwerpen en aanbestedingsdocumenten op. Een specifieke werkgroep geotechniek (GEO) bestudeert de geotechnische impact van het project. Figuur 2 illustreert de samenhang tussen de verschillende partijen. De werkgroep geotechniek bestaat uit geotechnische experten gerecruteerd uit de studiebureaus die deel uitmaken van SAM, en van de afdeling Geotechniek van de Vlaamse overheid (GEO). Voor de realisatie van de Oosterweelverbinding is de aanleg van ca. 20km snelweg, met daaraan gekoppeld de bouw van ruim 50 grote en kleinere kunstwerken (tunnels, bruggen, etc.) nodig. De meest in het oog springende projecten in dit Masterplan zijn de Oosterweeltunnel onder de Schelde en de Lange Wapperbrug over het Straatsburgdok en het Albertkanaal. Desk studie De eerste fase van de desk studie omvatte het inventariseren van beschikbare geologische en Figuur 1 30 GEOtechniek oktober 2008
geotechnische informatie langsheen het tracé, met inbegrip van gegevens van vroegere projecten en archiefdata. De (gratis) online geotechnische databank van de Vlaamse overheid (DOV) werd als medium gekozen om de beschikbare in situ proefresultaten te inventariseren. Daar in DOV op dat ogenblik nog geen data van privé boor- en sondeerfirma s opgenomen waren, heeft het DOV-team een specifiek project opgezet voor aanvullende input van relevante geotechnische proeven. Daarbij was kwaliteitsborging van de invoergegevens essentieel. Bijzondere aandacht bij de inventarisatie ging naar het geotechnische onderzoek in de jaren tachtig uitgevoerd voor de realisatie van de stormvloedkering op de Schelde (project waarvoor een uitgebreide studie werd verricht, maar dat niet werd gerealiseerd). De voorziene locatie van deze stormvloedkering kruist immers de as van het tracé van de Oosterweeltunnel. Essentiële informatie voor het nieuwe tunnelproject was daardoor reeds beschikbaar. Een belangrijk aspect vormde ook het onderzoek om de begrenzing van de wielen ter hoogte van de te bouwen tunnel vast te leggen. Wielen (soms ook welen genoemd) ontstaan door dijkdoorbraken, waarbij de bestaande afzettingen door het kolkende water tot grote diepte worden weggespoeld. Daardoor ontstaan geulen en kreken die daarna worden gevuld met sedimenten vanuit de rivier. Deze afzettingen zijn aan de randen van het wiel meer zandig, centraal kleiig, maar zijn zeer heterogeen (silt, klei, zand, rietstengels, etc.) met een typische gelaagde bandenstructuur. De diepte van dergelijke wielen kan tot 20m en meer bedragen (28 m ter hoogte van Oosterweel). Beschikbare gegevens over de wielen werden verzameld zodat contourlijnen van de wiel sedimenten konden worden getekend. De DOV databank werd gebruikt om informatie te verzamelen over het volledige traject van de Oosterweelverbinding: met name voor: het maken van geologische doorsneden, het ophalen van CPT resultaten en boorbeschrijvingen, het vastleggen van in situ proevenprogramma s, de input van nieuwe data in DOV, met aansluitend een evaluatie en verfijning van de geologische en geotechnische doorsneden. De globale inventaris omvatte een set van sondeer- en boorprofielen, die teruggingen van 2002 tot 1896. Naast in situ data werden ook de resultaten Figuur 2 Ontwerp en bouw Masterplan DB(f)M Figuur 3 Aannemers van relevant laboratoriumonderzoek geïnventariseerd, waarbij werd teruggegrepen naar de archieven van de afdeling Geotechniek (GEO) en de studierapporten van de stormvloedkering (SVKS). Het is duidelijk dat gegevens van databases kunnen worden gehanteerd voor een basiskennis van geologie en geotechnische randvoorwaarden van het project. Men mag hierbij evenwel niet uit het oog verliezen dat deze resultaten niet zonder een kritische evaluatie voor ontwerpdoeleinden kunnen worden gebruikt. Richtinggevende berekeningen van paaldraagvermogen gebaseerd op archiefgegevens en projectgebonden onderzoeksresultaten gaven Vlaamse Overheid Studie van project en opmaak bestek Werkgroep geotechniek bijvoorbeeld mogelijke divergenties tot 20% aan. Dit wijst nogmaals op de noodzaak om de gegevens van een desk studie aan te vullen met een gepast projectgebonden grondonderzoek, dat naar kwaliteit en kwantiteit de nodige garanties biedt voor een duurzaam en economisch ontwerp. Geotechnisch onderzoek Op basis van de inventarisatie doorgevoerd in de desk studie werd door de werkgroep geotechniek van TV SAM een uitgebreid geotechnisch onderzoeksprogramma opgesteld met: 238 CPT 56 boringen GEOtechniek oktober 2008 31
Figuur 4 27 vinproeven 6 pressiometer boringen 4 zelfborende pressiometerproeven 6 dilatometerproeven 1 pompproef 1 geofysisch onderzoek Dit in situ proevenprogramma werd aangevuld met een laboratoriumonderzoek op meer dan 200 monsters. Figuur 3 geeft een overzicht van geïnventariseerde CPT s en boringen (oranje en groene bolletjes) en bijkomende CPT s (purperen bolletjes). Het geofysisch onderzoek was specifiek gericht op het afbakenen van de wielen ter hoogte van de Oosterweeltunnel. Resultaten van dit onderzoek waren echter eerder ontgoochelend, en een bijkomende sondeer- en boorcampagne was nodig om de gegevens over de wielafzettingen te verbeteren en verfijnen. Figuur 4 geeft de contourlijnen op basis van de data van het uitgebreide onderzoek. Het wiel ter hoogte van de te bouwen tunnel (de naam Oosterweel wijst ook in die richting) werd gevormd bij het doorsteken van de Scheldedijk om strategische redenen (verdedigingstactiek van de Nederlanders tegenover de oprukkende Spaanse troepen) tijdens de slag om Antwerpen in 1584. Dit wiel wordt daarom ook soms het Geuzenwiel genoemd. Het ontwerp van de funderingen van de Lange Wapperbrug vormde een andere geotechnische uitdaging. Deze dubbeldeksbrug overspant het Albertkanaal en het Straatsburgdok en telt 2 overspanningen van meer dan 600m. De extreem hoge belastingen op de pijlers moesten overgedragen worden naar de vaste tertiaire Boomse klei. De bovenste zone van deze kleilaag is echter veelal ontspannen en vertoont een minder vaste consistentie. Bijkomende CPT s ter plaatse van mogelijke pijlerlocaties werden uitgevoerd, om de informatie van de DOV database over de Boomse kleilaag te vervolledigen. Type Niet-cohesieve Cohesieve constructie gronden gronden Grondkerende constructie 2 % 2 % Taludstabiliteit draagvermogen Breuk 5 % Gewapende grond macrostabiliteit Breuk 5 % Gewapende grond microstabiliteit 2 % 2 % Figuur 5 Tabel 1 Te hanteren karakteristieke waarden bij ontwerp 32 GEOtechniek oktober 2008
Samenstellen van het geotechnisch dossier sluiting Ring rond Antwerpen Door de omvang van het in situ proevenprogramma kon GEO het volledige onderzoek niet in eigen beheer uitvoeren. Daarom stelde TV SAM een contract op met verscheidene privé firma s voor de uitvoering van sonderingen en boringen. GEO nam ongeveer 50% van alle sonderingen en boringen voor zijn rekening, en verzorgde het volledige laboratoriumonderzoek. Korrelverdelingen ZA (16 monsters) Om hoge kwaliteitsstandaarden van het grondonderzoek te waarborgen dienden kandidaat sondeer- en boorfirma s voorafgaand testproeven uit te voeren (GEO is zelf geaccrediteerd volgens ISO 17025). Bij deze testproeven werd de expertise in sondeer- en boortechnieken en de kwaliteit van apparatuur grondig nagegaan. Daartoe hadden GEO en TV SAM een gedetailleerde checklist voor de kwaliteitscontrole opgemaakt. Op basis van het evaluatierapport van de testproeven, en de respectievelijke prijsaanbiedingen werd een ranglijst van mededingers opgesteld. Na afwerking van iedere deelopdracht werd de firma opnieuw geëvalueerd naar de kwaliteit van de uitgevoerde proeven. Naarmate de proefresultaten beschikbaar kwamen werden geotechnische profielen bijgewerkt en konden zwakkere zones worden gedetecteerd waar nog bijkomend onderzoek nodig was. Het onderzoeksprogramma werd op die manier permanent bijgestuurd, waarbij ook rekening diende gehouden te worden met wijzigingen in het vooropgestelde tracé. Interpretatie van proefresultaten Op basis van de geotechnische profielen die konden worden getekend aan de hand van de bijgewerkte DOV databank werd het traject opgedeeld in geotechnische zones. Figuur 6 Door de uitgestrektheid van het bestudeerde traject en de heterogeniteit van de ondergrond werden 14 geotechnische zones gedefinieerd. Iedere zone is gekenmerkt door een specifieke lagenopbouw, gevisualiseerd door een kenmerkend sondeerdiagramma (soort pasfoto). Figuur 5 toont een dergelijk sondeerdiagramma, waarbij de verschillende geotechnische eenheden zijn aangegeven: AV aanvulling Al-kl alluviale klei QZL quartair zand Z(K-M) kleihoudend tertiair zand (qc 3-10MPa) BZK & BZK+ zeer dichtgepacht tertiair glauconiethoudend zand (qc tot 20MPa) ZA dichtgepakt tertiair sterk glauconiethoudend (>50%) zand (qc 10-20MPa) BK tertiaire Boomse klei (verstoorde toplaag) Als referentie voor iedere geotechnische Figuur 7 GEOtechniek oktober 2008 33
Traxiaalproeven AV - breuk (95% karakteristieke waarde, pq diagram) proeven) werden geen karakteristieke waarden opgegeven, daar deze moduli sterk spanningsafhankelijk zijn. Bekomen E-waarden voor verschillende geotechnische eenheden werden wel geïnventariseerd, met opgave van type proef en spanningsniveau. Ontwerphandboek Voor het geotechnisch ontwerp werd EC7 (EN 1997-1), mits enkele divergenties, opgelegd; design approach 1, combinaties 1 en 2, zijn van toepassing. Specifieke berekeningsconcepten werden in detail beschreven voor o.a. paaldraagvermogen, zettingsberekeningen. Voor de beschouwde geotechnische lagen werd een parameterset voorgesteld aan de aannemer(s). Figuur 8 eenheid werden volgende basiseigenschappen gekozen: korrelverdeling, consistentiegrenzen, volumemassa. Figuur 6 geeft een beeld van de samengevoegde korrelverdelingsdiagrammen van de Zanden van Antwerpen (ZA). Daar de realisatie van de Oosterweelverbinding zowel ophogingen en uitgravingen, bruggen als tunnels omvat werden alle lagen tussen maaiveld tot en met de Boomse klei gekarakteriseerd. De Boomse klei is een vaste overgeconsolideerde klei met een dikte van meer dan 60m ter plaatse van de tunnellocatie. De toplaag (2-3 m dik) van de Boomse klei is meestal licht verstoord (ontspannen), met daaraan verbonden minder gunstige mechanische karakteristieken. Het voorkomen van de wielen ter hoogte van de tunnellocatie had ook een belangrijke impact op het ontwerp. Figuur 7 illustreert dat het tunneltraject zowel de Boomse klei als het wielsediment doorsnijdt. Voor het vastleggen van karakteristieke waarden van de gedraineerde schuifweerstandsparameters werden naast de breukwaarden van de triaxiaalproeven, ook waarden corresponderend met een axiale vervorming van respectievelijk 2% en 5% beschouwd. Tabel 1 geeft aan welke waarden dienden aangehouden te worden bij het geotechnisch ontwerp. Uitgaande van de resultaten van de triaxiaalproeven werd volgende procedure gevolgd om karakteristieke waarden te bepalen (hetzij voor breukwaarden of 2% respectievelijk 5% waarden). de resultaten van de triaxiaalproeven werden uitgezet in een s -t diagram daar bij mogelijke bezwijkmechanismen een groot volume grond is betrokken, kan een karakteristieke waarde dicht bij de gemiddelde waarde worden aangenomen (compensatie van zwakkere naar sterkere zones is mogelijk). In overeenstemming met EC7 wordt de waarde berekend waarvoor een 95% probabiliteit bestaat dat de echte gemiddelde waarde groter is dan de geschatte waarde. De statistische methodiek om uitgaande van de resultaten van traxiaalproeven de 95% betrouwbaarheidsgrens te bepalen kan u terugvinden in de referenties [2] en [3]. Figuur 8 toont de grafische voorstelling van de resultaten van triaxiaalproeven op alluviale sedimenten, voor breukwaarden en met 95% betrouwbaarheidsinterval, respectievelijk 5% fractiel. Voor de niet-gedraineerde schuifweerstand werd een analoge statistische methodiek toegepast om karakteristieke cu-waarden in functie van de diepte te bekomen, zoals voorgesteld op figuur 9. Voor de vervormingsmoduli (E-waarden uit samendrukkings-, dilatometer- en pressiometer- De aannemer stond het vrij: ofwel de vooropgestelde waarden over te nemen, en dan ook de volledige verantwoordelijkheid te dragen van het ontwerp op basis van deze waarden. ofwel alternatieve waarden te gebruiken, met een gedegen onderbouwing, die dan ook door BAM dienen goed gekeurd te worden. Voor de quartaire zanden werd in het bestek ϕ '=30 vooropgesteld. Hogere waarden (uit triaxiaal proeven) konden enkel worden gehanteerd mits meer intensieve monitoring. Bestekteksten geotechnische uitvoeringstechnieken Deze bestekteksten refereren naar de Europese normen Execution of special geotechnical Works, met enkele aanpassingen voor boorpalen, damwanden en grondankers. Naast specifieke richtlijnen voor paalbelastingsproeven en beproeving van grondankers ging bijzondere aandacht naar controlemetingen en monitoring. Het opgelegde monitoringschema werd gedifferentieerd naar de geotechnische categorie (volgens EC7) waartoe de deelprojecten konden worden gerekend. Verder werden de locaties voor instrumentatie vastgelegd op basis van volgende overwegingen: identificatie van kritische zones: slechte grondgesteldheid, hoge belastingen, zones met belangrijke waterspanningsopbouw, etc. identificatie van zones waarvoor het gedrag representatief kan worden geacht voor de volledige structuur. Deze zones worden als primair geïnstrumenteerde zones gecatalogeerd, met uitgebreide monitoring. 34 GEOtechniek oktober 2008
Samenstellen van het geotechnisch dossier sluiting Ring rond Antwerpen Aanvullend werden een groot aantal secundair geïnstrumenteerde zones vastgelegd, met minder intensieve monitoring. In het bestek werd de opzet met zowel primair als secundair geïnstrumenteerde zones omschreven (inclinometers, extensometers, zettingsbuizen, waterdrukmetingen, topografische metingen, etc.). Hierbij werd bijzondere aandacht besteed aan projecten categorie 3. Tevens werden drempelen alarmwaarden vastgelegd voor gemonitorde grootheden. De drempelwaarde werd gelijk genomen aan 2/3 van de waarde die in de gebruiksgrenstoestand van het ontwerp werd berekend. De alarmwaarde is gelijk aan deze ontwerp waarde. Bij het overschrijden van de drempelwaarde dient de aannemer volgende acties te ondernemen: verhogen meetfrequentie, vooropgestelde alarmwaarde opnieuw evalueren en eventueel aanpassen, maatregelen vastleggen en voorbereiden die moeten worden genomen bij overschrijden van de alarmwaarde. Besluit Op basis van een uitgebreide deskstudie, waarbij nuttig gebruik kon worden gemaakt van de Databank Ondergrond Vlaanderen (DOV), werd een gericht geotechnisch onderzoeksprogramma opgesteld. Voor uitvoering van de proeven werden strenge kwaliteitsnormen opgelegd en opgevolgd. Alle proefresultaten werden geïnterpreteerd en geëvalueerd, waarbij statistische recepten werden gehanteerd conform met EC7. Het ontwerphandboek is gebaseerd op EC7, met enkele divergenties. Voor geotechnische uitvoeringstechnieken werd eveneens gerefereerd naar de corresponderende Europese normen. Door nuttig gebruik te maken van de databank DOV en statistische interpretatietechnieken te hanteren kon een goed onderbouwd geotechnisch dossier in het bestek worden opgenomen. Samen met de uitgewerkte besteksvoorschriften voor geotechnische uitvoeringstechnieken werd zo aan de aannemer(s) een duidelijk richtsnoer gegeven voor zijn geotechnische ontwerpen. Referenties [1] Van Alboom G., De Schrijver P. and Vergauwen I., 2006. The regional geotechnical database Databank Ondergrond Vlaanderen-DOV as a powerful tool for consultation of subsoil information. Getotechnics Division, The Authorities of Flanders, Belgium. [2] Bauduin C., 1998. Eurocode 7: Geotechnisch ontwerp, de norm, de kunde, de praktijk. Antwerp: Technologisch instituut. [3] Van Alboom G., Menge P., 1999: The derivation of the characteristic values of shear strength parameters according to EC7. Proceedings of the twelfth European conference on soil mechanics and geotechnical engineering, Amsterdam, Netherlands, 7-10 juni. Reacties op dit artikel kunnen tot 15 november 2008 naar de uitgever worden gestuurd. Bij het effectief overschrijden van de (al dan niet aangepaste) alarmwaarde voert de aannemer onmiddellijk de voorziene interventies uit. Synthese Vinproeven Wiel niet gedraineerde schuifweerstand ifv diepte c u,piek, c u,res [kpa] y = 1.53x + 22.97 y = 0.74x + 11.32 y = 0.73x + 8.53 y = 1.51x + 18.16 Figuur 9 GEOtechniek oktober 2008 35