nieuws

De moeizame weg naar verticale microtunneling

bouwbreed

amsterdam – Hoe maak je vanuit een 3,1 meter hoge werkruimte een nieuwe paalfundering tot 60 meter diepte, zonder de ondergrond te verstoren en het bovenliggende monumentale stationsgebouw te beschadigen? Voor deze specialistische klus bestond simpelweg nog geen geschikte bouwmethode. Daarom ontwikkelden Gebr. Van Leeuwen met Strukton Betonbouw en Van Oord speciaal voor de Noord-Zuidlijn een nieuwe funderingstechniek: verticale microtunneling.

Waar vroeger de treinreizigers naar de perrons liepen, verdwijnt nu een boormachine in de blauw-wit geblokte tegelvloer. Vanuit de centrale onderdoorgang van het Amsterdamse Centraal Station werken tien bouwvakkers aan de nieuwe fundering voor het spooremplacement. Die gaat de oude houten palen vervangen, op de plaats waar straks de nieuwe metro onder het station doorgaat.

De boorkop graaft zich langzaam een weg naar beneden. De stalen buissegmenten achter zich aan trekkend. Aan de bovenkant helpt een verankerde persinstallatie de buisdelen de grond induwen.

In de groeiende buis met een diameter van 1,82 meter, lopen slangen, kabels en een klein personenliftje. Wanneer de boormachine 1,85 meter heeft geboord, wordt alles verlengd. De kraan van de persinstallatie hijst het volgende buissegment op de paal. Een bouwvakker koppelt die met bouten vast aan het vorige segment en verlengt tevens alle slangen en kabels vanaf het liftplatform. Per dag wordt zo 10 meter funderingspaal gemaakt met de verticale microtunneltechniek.

Aan de wieg van de nieuwe funderingstechniek stonden Martin van Leeuwen, algemeen directeur van Gebr. Van Leeuwen, en zijn vader. De projectorganisatie Noord-Zuidlijn vroeg de funderingspecialisten uit Harmelen ruim vijf jaar geleden of die het zagen zitten om de funderingspalen onder het Centraal Station te maken.

De projectorganisatie had toen nog het idee om de oude houten paalfundering te vervangen door een rij wrikpalen. Die holle stalen buizen zouden met een draaibeweging tot 30 meter de grond in worden geduwd. Daarna zou door het centrum van de buis, een boorpaal tot een diepte van 60 meter geplaatst worden. Ten slotte zou de grond tussen de palen worden afgedicht met grout, een mengsel van cement en water, om de gewenste waterkerende wand te krijgen.

Vader en zoon

Maar vader en zoon Van Leeuwen kwamen met een ander plan. Zij hadden het idee om de horizontale microtunneltechniek, die veel wordt toegepast voor de aanleg van grote gas- en waterleidingen, voor deze klus verticaal toe te passen. De boormachine zou dan niet onder een waterweg door boren, maar loodrecht naar beneden en de funderingspaal in segmenten achter zich aan trekken.

Het idee leek simpel en minder risico�s met zich mee te brengen dan het oorspronkelijke plan. Want omdat de palen niet de grond indraaiden, hoefden ze ook niet volledig rond te zijn. Aan de zijkant kon daarom een slotconstructie bevestigd worden. De ruimte tussen de palen zou dan afgesloten kunnen worden met damwandplanken in plaats van grout. Het injecteren van het cementmengsel vormde namelijk een groot risico. Dat had immers bij eerdere tunnels, zoals de Haagse tramtunnel en de Callandtunnel, voor veel problemen gezorgd. Maar als je een boormachine 90 graden wilt draaien, komt daar wel een hoop bij kijken. De zwaartekracht speelt verticaal opeens een grote rol. Alle vloeistofreservoirs en ontluchtingsslangen moeten bijvoorbeeld worden omgebouwd.

Maar de Van Leeuwens maakten zich vooral zorgen over hoe de afgegraven grond in de spoelkamer achter het boorschild terecht moest komen. Horizontaal valt die namelijk door de zwaartekracht vanzelf in de spoelkamer. En doordat de grond aan de bovenkant in de spoelkamer valt en er aan de onderkant water ingepompt wordt, ontstaat automatisch een circulerende stroming die alles mengt tot �slurry�. Die wordt aan de achterkant van de spoelkamer afgezogen, naar een depot in de startkuip. Maar hoe zou dat allemaal verticaal werken?

Om daar achter te komen, deed Gebr. Van Leeuwen Boringen eind 2001 �in het geheim� een verticale proefboring op de werkplaats in Harmelen. En wat bleek, verticaal kwam de grond net zo goed in de spoelkamer terecht. De schuine tanden van het snijrad schraapten de grond namelijk als kleine bulldozers omhoog de spoelkamer in.

“Na die proef zagen we het idee echt zitten”, zegt Van Leeuwen terugkijkend op de ontwikkeling van de nieuwe funderingstechniek. De verwijderbare boorkop vormde toen nog de grootste technische uitdaging. Bij horizontale microtunneling komt de boormachine aan het einde van de boring bovengronds uit, maar de verticale boring eindigt 60 meter onder de grond. De enige manier om de boorkop dan weer boven te krijgen is door het hart van de buispaal.

Dat geeft een probleem. Want de boortanden steken bij microtunnelling 5 centimeter uit aan de buitenkant van de buis. Die zogeheten oversnijding wordt opgevuld met bentoniet, en zorgt ervoor dat de boor de buis vrijwel zonder wrijving achter zich aan kan trekken. Maar het betekent ook dat de boormachine ter plaatse van het snijrad 10 centimeter breder is dan de buis.

“Om de boor toch door de buis heen te kunnen halen, moesten we dus een mechanisme bedenken om de snijtanden in te klappen”, aldus Van Leeuwen. In eerste instantie bedachten ze een systeem met borgpennen. “We hadden drie snijtanden met scharnieren op de boorkop vastgemaakt. Met borgpennen zetten we de tanden voor het boren vast in de uitgeklapte positie. Als de boorkop eenmaal de juiste diepte had bereikt, trokken we hard aan de boor. Daardoor bezweken de borgpennen en klapten de snijtanden in.”

Een simpel maar gedegen systeem. Later hebben ze dat vervangen door een hydraulische aansturing, om meer controle te hebben. Ook de damwanden vormden nog een te groot risico. Die zouden namelijk net als de paalsegmenten maar uit stukken van 1,8 meter kunnen bestaan. “Dan krijg je zo veel lasaansluitingen dat de nauwkeurigheid in gevaar komt”, aldus Van Leeuwen. “Als alternatief hebben we daarom een slotconstructie aan de buizen gemaakt die bestaat uit mannetjes en vrouwtjes, die in elkaar schuiven.”

Doordat de vrouwtjes ruim om de mannetjes heen zitten, biedt het systeem voldoende plaatsingstolerantie en was het mogelijk om de palen in willekeurige volgorde te plaatsen. De open ruimte in het slot wordt, net als de ruimte rond de buis, aan het einde opgevuld met het bindmiddel dämmer.

Het dämmer-mengsel is grond- en waterkerend maar blijft flexibel waardoor het toekomstige zettingen kan opnemen. Omdat het enige tijd duurt voordat het cement in het mengsel is uitgehard, gaat de boor niet verder met de naastgelegen paal, maar met een paal van minstens twee plaatsen verderop.

In een tweede proef testte Van Leeuwen het nieuwe ontwerp voor de sloten. Tegelijkertijd sloten ook Strukton Betonbouw en Van Oord zich aan bij de ontwikkeling van de microtunneltechniek in de aannemerscombinatie CMM.

Op de werkplaats in Harmelen plaatsten ze drie buizen. Eerst twee met vrouwtjessloten en daartussenin een buis met de mannetjesaansluiting. De proef duurde bijna een half jaar doordat ze tegen een hoop kinderziektes aanliepen.

De meeste problemen deden zich voor bij het waterdicht maken van de boormachine en de elektronica. De boor staat bij de verticale microtunneltechniek namelijk volledig onder water omdat anders de buis zou opdrijven door de opwaartse kracht van de het grondwater.

Van Leeuwen: “Regelmatig bleek de afdichting van de boorkop toch niet goed zodat er toch vocht in kwam. Dat veroorzaakte kortsluiting in de elektronica, en zodoende hebben we de boor een aantal keren moeten terugtrekken.”

Het inspuiten van de smerende steunvloeistof bentoniet zorgde eveneens voor problemen. Horizontaal gebeurt het injecteren met een druk die een paar millibar hoger is dan de gronddruk. Maar verticaal is de gronddruk niet constant. Die loopt steeds verder op in de diepte. “Vooral ter plaatse van de grondwaterspiegel, heb je daardoor te maken met een zeer wankel evenwicht”, zegt Van Leeuwen. “Als je met een te lage druk spuit, zal de omringende grond de afgegraven holte weer opvullen. En bij een te hoge druk, krijg je een �blow-out�. Het bentoniet spuit dan langs de boorkop omhoog.” De buitenkant van de boormachine is daarom nu voorzien van sensoren die continu de gronddruk meten.

In de zelfde proef testte CMM ook de besturing en de plaatsingsnauwkeurigheid. De gebruikelijke besturing, waarbij de boorkop in zijn geheel van richting verandert, kon niet worden toegepast in de kleine boormachine. Daarom bedacht CMM een alternatieve besturing, waarbij alleen het graafwiel wordt aangestuurd. Wanneer de boor uit het lood gaat, wordt dat gecorrigeerd door het graafwiel te verschuiven in tegengestelde richting. Doordat de correctiemarges zich binnen de 5 centimeter oversnijding bevindt, zal de buis vanzelf loodrecht zakken in de met bentoniet gevulde schacht.

“Uit de proef hebben we, mede dankzij de vele kinderziektes, veel leerstof gehaald”, zegt Van Leeuwen. “Alle principes bleken te werken, waarna we alleen nog alles bij elkaar moesten brengen en inpassen in een boorkop van 2 meter.”

Voor een microtunnelboor is dat klein. “Voor de kracht die nodig is om tot 60 meter te boren, zou normaal gesproken een machine van zo�n 5 meter nodig zijn”, zegt Van Leeuwen. Maar die ruimte is er niet in de gang onder het Centraal Station. Alle booronderdelen zijn daarom in een stalen omhulling van 2 meter gepropt.

In augustus 2005 was de kleine CMM-boor klaar. Toen die zonder verder te testen eindelijk begon aan zijn werk, stond de complete top van CMM en de projectorganisatie Noord-Zuidlijn in spanning te kijken. Van Leeuwen: “De eerste dag boorden we maar een meter. Maar toen dat goed ging, was iedereen opgelucht. De volgende mijlpaal was toen de boor op een diepte van 20 meter onder water werd gezet. Zou alles waterdicht zijn en blijven werken?” Alles liep gesmeerd. Tot de boor op 60 meter diepte weer opgetrokken moest worden.

De snijtanden van de boorkop hadden via de hydraulische aansturing moeten inklappen, maar het mechanisme faalde vermoedelijk. Duikers daalden af in de buis, maar konden aan de achterkant van de vastgelopen boorkop niets vinden. Feit was dat die muurvast zat en niet meer omhoog getrokken kon worden zonder de net geplaatste buis mee te nemen. Aangezien dat voor de projectorganisatie van de Noord-Zuidlijn geen optie was, is de buispaal met boormachine en al, volgestort met beton.

“Jammer”, zegt Martin van Leeuwen achteraf. “Als techneut wil je graag dat die boor weer bovenkomt, zodat je kunt zien wat er mis was gegaan. Nu zullen we nooit zeker weten of het inklapmechanisme de oorzaak was. De boor kan bijvoorbeeld ook op een onbekend object zijn gestuit en daardoor zijn vervormd.”

Toch veranderden ze het geavanceerde systeem terug naar een simpel mechanisme waarbij de tanden vrij kunnen scharnieren. Want door de druk van de boor blijven ze per definitie uitgeklapt tijdens het boren, en wanneer de boor wordt teruggetrokken klappen ze ook vanzelf weer in.

“We wilden te dwangmatig controle uitoefenen op het systeem, waardoor we ingewikkelde constructies bedachten voor zaken die ook simpel kunnen”, zegt Van Leeuwen achteraf. “En hoe meer complexe dingen wij bedenken, hoe meer er kapot kan gaan.”

Voor de zekerheid voert CMM nog wel een extra controle uit op het werk. Na drie secties trekken ze de boorkop terug om te kijken of alles goed gaat.

Bij de tweede paal kwamen ze er zo achter dat de paal op een houten funderingspaal was gestuit. Omdat ze toen nog niet goed wisten of de machine daar wel tegen kon, is het werk gestaakt om de paal eerst te trekken.

Door die controles op 6 meter kwamen ze er na verloop van tijd achter dat de boor helemaal geen last had van obstakels in de bodem. “Regelmatig vinden we versplinterde houten palen of wapeningsstaal in de boorkop, zonder dat die daar last van heeft. Nu boren we daar dan ook gewoon doorheen”, aldus Van Leeuwen.

In totaal plaatste CMM nu 13 palen van de 45 palen voor de Westelijke buispalenwand. Van Leeuwen verwacht dat die voor de kerst helemaal af is. Wanneer ze daarna aan de andere wand kunnen beginnen, is afhankelijk van de andere activiteiten op het Centraal Station. Want pas als alle projecten aan de Westkant zijn afgerond, verplaatsen alle werkzaamheden zich tegelijk naar het Oostzijde. De 250.000 dagelijkse treinreizigers kunnen dan weer gebruik maken van de Westkant.

Nu het werk onder het station geroutineerd loopt, is de techniek volgens de ontwikkelaars rijp voor toepassing op andere plaatsen. Van Leeuwen: “Met de techniek kunnen we grote, diepe funderingspalen trillingsvrij aanbrengen, vlak langs gevels, zonder overlast te veroorzaken.” Hij denkt daarom vooral aan toepassingen voor grote gebouwen in stedelijk gebied, en dat hoeft niet persé in de Hollandse bodem te zijn.

Toch is de techniek volgens hem nog niet uitontwikkeld. Hij wil nu de mogelijkheden uitbreiden, maar het blijft nog geheim waarmee.

Kruising met

Centraal Station

De oude houten fundering van het Centraal Station wordt voor de kruising met de toekomstige Noord-Zuidlijn vervangen. Ter plaatse van het spooremplacement wordt de fundering vervangen door twee buispalenwanden met de verticale microtunneltechniek. Twee van de drie palen reiken tot 30 meter diepte, en de derde gaat tot de derde zandlaag op 60 meter onder NAP.

Onder de stationshal sluiten de microtunnelwanden aan op sandwichwanden, een andere innovatie van de Noord-Zuidlijn. De sandwichwanden bestaan uit dubbele rijen van tubex-palen met groutkolommen ertussen. Samen vormen de kollommen een massieve wand van ruim 2 meter dikte, die een grotere stijfheid heeft dan de microtunnelwand. Dat is nodig omdat de sandwichwand het kwetsbare monumentale gedeelte van het stationsgebouw moet dragen.

Op de twee typen wanden komt een dak, zodat een soort tafelconstructie ontstaat. Op het tafelblad komt het station te rusten, en eronder kan de grond zonder problemen worden ontgraven voor de nieuwe metro.

De metrobuizen worden als een tunnelelement van zo�n 140 meter lang, vanaf het IJ de bouwput ingevaren. Daar wordt het onder de tafel afgezonken tot de perrons op NAP -14 meter liggen. Nadat de bouwkuip weer waterdicht is gemaakt, wordt het water eruit gepompt en kan de metro worden afgebouwd.

�Na de proef zagen we het idee echt zitten�

�Als techneut wil je graag dat die boor weer bovenkomt�

Reageer op dit artikel
Lees voordat u gaat reageren de spelregels