Onderzoeksprogramma om kennis over tunnels te vergroten

Tunnels gedragen zich anders dan verwacht. Zo vinden er vervormingen plaats die niemand ooit had voorzien. Om de oorzaken hiervan te achterhalen, voert het COB samen met de TU Delft het fundamentele onderzoeksprogramma Future proof tunnels uit. Binnenkort starten de eerste promotieonderzoeken.

Het plan om fundamenteel onderzoek te gaan doen naar het gedrag van tunnels is een aantal jaren geleden ontstaan. Uit metingen met geavanceerde meetapparatuur bleek dat er bijvoorbeeld bij zinktunnels allerlei verschijnselen optreden die niemand had voorzien. Het idee was altijd dat een zinktunnel een min of meer zwevende constructie is, waarbij het gewicht van de tunnel net iets groter is dan de opwaartse kracht van het verplaatste water. “Hierdoor zou er nauwelijks sprake zijn van een belasting op de ondergrond en werd gedacht dat de maximale zetting van een zinktunnel na aanleg niet meer dan zes millimeter zou zijn”, vertelt universitair hoofddocent Wout Broere van de TU Delft. “De praktijk blijkt anders. Bij de Heinenoordtunnel is een zetting van zeventig millimeter opgetreden.”

Naast veel grotere zettingen zijn met metingen ook andere onverwachte vervormingen waargenomen. Zo laten glasvezelmetingen zien dat tunnels zowel dagelijks als door het jaar heen in de lengterichting rekken en krimpen. Verder blijken tunnels op en neer te gaan onder invloed van het getij. “Met het onderzoeksprogramma hopen we te ontdekken wat de oorzaken zijn van onverwachte vervormingen en bewegingen, welke invloed ze hebben op de constructie en wat dat vervolgens betekent voor een renovatie en voor de ontwerpeisen voor nieuw te bouwen tunnels”, aldus Broere.

Het programma voorziet in vijftien promotieonderzoeken rond drie belangrijke thema’s: monitoring, renovatie en veiligheid. “Een deel van die onderzoeken willen we onderbrengen bij de TU Eindhoven en de Radboud Universiteit in Nijmegen.”

Het onderzoeksprogramma begint met drie promotieonderzoeken bij de faculteit Civiele techniek en geowetenschappen van de TU Delft. Deze onderzoeken zijn alle drie gericht op de vervangings- en renovatieopgave voor tunnels. Broere: “Twee ervan zijn bij mijn sectie Geo-engineering ondergebracht en een bij de sectie Materialen en milieu.” Wanneer deze drie lopen, is de bedoeling dat in 2024 en 2025 het vierde en vijfde promotieonderzoek beginnen.

Inwerkprogramma en begeleiding

Voor alle promovendi is een inwerkprogramma ontwikkeld. Tijdens hun onderzoek worden ze niet alleen door de betrokken wetenschappelijke staf begeleid, maar overleggen ze ook regelmatig met een begeleidingscommissie bestaande uit participanten van het COB. “Op die manier blijven ze goed op de hoogte van wat er allemaal in de tunnelwereld speelt. Tegelijkertijd kunnen de onderzoekers peilen of de oplossingsrichtingen die ze kiezen, aansluiten bij de praktijk”, vertelt Broere.

Bart Duijvestijn, coördinator van het wetenschappelijke deel van de ontwikkellijn Civiel van het COB-tunnelprogramma, licht toe: “In een introductieperiode van drie maanden nodigen we de onderzoekers eens in de twee tot vier weken een dag uit bij het COB. Op die manier kunnen ze niet alleen onderling kennis en ervaringen uitwisselen, maar kunnen ze ook zien wat het COB doet. Het plan is om op die dagen een kennislunch te organiseren, waarin zij aan het COB-netwerk vertellen wat ze doen en waar participanten suggesties kunnen doen voor de onderzoeksrichtingen. Doel van deze periode is om samen met het COB-netwerk toe te werken naar concrete onderzoeksplannen. Tegelijkertijd zoeken wij in deze periode voor elk onderzoeksproject deelnemers voor een begeleidingscommissie.”

Na de introductie moet de kennisuitwisseling tussen de onderzoekers en het netwerk worden voortgezet. Duijvestijn: “We denken aan een maandelijkse bijeenkomst bij het COB waar de promovendi en hun begeleidingscommissie met elkaar kunnen ‘sparren’. Als het aan ons ligt, krijgen de onderzoeken het karakter van ‘action based research’. We willen namelijk dat het netwerk zo snel mogelijk aan de slag kan met de onderzoeksresultaten.”

Om ervoor te zorgen dat de onderzoekers straks voldoende data hebben voor hun onderzoeksprojecten, zijn de Willemsspoortunnel en de Noordtunnel door respectievelijk ProRail en Rijkswaterstaat aangedragen als ‘proefobject’. Hier zal de Werkwijzer monitoring zinktunnels geïmplementeerd worden om data te verzamelen. De COB-werkgroep Instrumentarium tunneldata begeleidt dit proces. “Alle meetgegevens willen samen met historische data verzamelen in een slimme database, die we vooralsnog ontwikkelen in een Azure-omgeving. Door toepassing van moderne datatechnieken, zoals AI, willen we het uiteindelijk mogelijk maken om op elk moment de conditie van een specifieke tunnel op te vragen en vervolgens goede voorspellingen te kunnen doen over het gewenste onderhoud en beheer.”

Eerste promotieonderzoek

Het eerste onderzoek is gericht op de ontwikkeling van een strategie om vervormingen continu te monitoren. Ian Pierce zal de nadruk in eerste instantie leggen op vervormingen van voegen. Het plan is om deze monitoringstrategie vervolgens bij meerdere afzinktunnels toe te passen. Broere: “Op die manier krijgen we een schat aan data die we vervolgens weer kunnen analyseren.”

Ian Pierce gaat onderzoek doen naar een monitoringstrategie waarmee vervormingen van zinktunnels continu kunnen worden gevolgd. Een belangrijke eis waaraan deze strategie moet voldoen, is dat de monitoring geen hinder mag opleveren voor het gebruik van de tunnel.

Ian behaalde zijn bachelor- en masterdiploma Civiele techniek aan Virginia Tech, met een focus op geotechniek. Tijdens zijn opleiding had hij veel interesse in tunnelbouw en tunnelontwerp. Zijn masterscriptie ging over het modelleren van de grote vervormingen van de Cadia Tailings Dam bij een goud- en kopermijn in Australië. Door deze vervormingen bezweek de dam in 2018.

De afgelopen jaren werkte hij bij GeoStructures Incorporation in Virginia waar hij zich vooral bezighield met het ontwerp van grondverbeteringselementen voor projecten langs een groot deel van de Amerikaanse oostkust. Door onder andere zijn ervaringen met het vermijden van overbelasting op tunnels voor het metrosysteem in Washington D.C. is hij ervan overtuigd dat het noodzakelijk is om manieren te vinden om het langetermijngedrag van tunnels beter te begrijpen. Promotieonderzoek past daar goed bij. In de toekomst wil Ian zijn passie voor geotechniek en ondergronds werk graag delen, bijvoorbeeld via onderwijs.

Ian kijkt er enorm naar uit om in Nederland te komen wonen en werken. Hij is onder de indruk van de Nederlandse planningscapaciteiten op het gebied van openbare infrastructuur en verheugt zich op de steden met veel oude gebouwen. Verder ziet hij ernaar uit om musea te kunnen bezoeken: “In de National Gallery of Art in DC is slechts een klein gedeelte gewijd aan de Nederlandse schilderkunst en alleen in dat deel zou ik al gemakkelijk een hele dag kunnen doorbrengen. Dat ik straks allerlei musea met Hollandse meesters kan bezoeken, vind ik fantastisch.”

Tweede promotieonderzoek

Arne de Jong werkt als design engineer bij Strukton Immersion Projects. Binnenkort gaat hij deze functie combineren met een deeltijd promotieonderzoek. Arne gaat bestuderen wat de belangrijkste omgevingsfactoren zijn die leiden tot vervormingen van zinktunnels. Ook gaat hij realistische 3D-ondergrondmodellen ontwikkelen.

Arne behaalde een bachelordiploma Civiele techniek aan de TU Delft en voltooide daar vervolgens zijn masteropleiding Hydraulic engineering. Tijdens zijn master maakte hij kennis met zinktunnels. Zijn stage en afstudeeronderzoek deed hij bij Tunnel Engineering Consultants (TEC).

Arne: “Ik heb mijn studie met veel plezier gedaan. Aan het eind van mijn master heb ik een tijdje nagedacht over wat ik wilde; gaan werken bij een ingenieursbureau, bij een aannemer of aan de slag als onderzoeker? Hoewel ik toen ook al serieus belangstelling had voor onderzoek, wilde ik graag eerst werkervaring opdoen in de praktijk. In augustus 2020 ben ik daarom begonnen bij Strukton Immersion Projects.”

Toen hij hoorde van de promotieonderzoeken binnen Future proof tunnels werd hij enthousiast. “Dergelijk onderzoek biedt de kans om je echt in een onderwerp te verdiepen en je vast te bijten totdat je helemaal weet hoe iets zit. Dat trekt me aan, zeker nu ik het kan combineren met mijn huidige werk dat ik ook heel gaaf vind. En dat mijn onderzoek onderdeel is van een programma met verschillende andere promovendi, waarmee ik ervaringen en kennis kan uitwisselen, maakt het extra aantrekkelijk.”

Het tweede onderzoek gaat Arne de Jong doen. Het doel is om de belangrijkste omgevingsoorzaken voor de vervormingen in kaart te brengen. “Het lastige is dat gegevens over de aanleg van de tunnel vaak ontbreken. Ook zijn data over de ondergrond vaak schaars”, zegt Broere. “Ik ga er dan ook van uit dat we modellen moeten ontwikkelen, waarmee we
verschillende scenario’s moeten doorrekenen en vervolgens de meeste waarschijnlijke moeten bepalen.”

Deeltijd

Peter van Westendorp, directeur van Strukton Immersion Projects, is enthousiast over het onderzoeksprogramma Future proof tunnels. Hij vindt het mooi dat het COB via promotieonderzoeken meer fundamentele kennis wil ontwikkelen. Zodra hij wist dat de promotieonderzoeken in deeltijd uitgevoerd mogen worden, is hij binnen zijn eigen organisatie nagegaan of een van zijn medewerkers interesse had.

Hoewel hij Arne eigenlijk niet kan missen binnen zijn bedrijf, besloot Van Westendorp toch om hem deze kans te bieden. “Met het COB en de TU Delft heb ik afgesproken dat hij volledig bij ons in dienst blijft en flexibel met zijn tijd mag omgaan. Dat betekent dat hij soms wat meer voor ons zal werken en soms meer tijd in zijn onderzoek zal steken. Voor Arne is dit een unieke kans om op jonge leeftijd veel kennis te vergaren en allerlei contacten op te doen binnen de tunnelwereld. En dat is voor ons als bedrijf ook interessant. Als afzinkspecialist zijn wij weliswaar niet verantwoordelijk voor zettingen nadat wij de tunnelelementen op hun plek hebben gebracht, maar ik vind het wel heel waardevol dat we kunnen meedenken en de kennis in huis hebben om samen met de hoofdaannemer een nog beter eindproduct te leveren. En als straks iedereen Arne vanwege zijn kennis gaat bellen hoe zettingen en deformaties kunnen worden voorkomen, maakt dat ons als partner ook aantrekkelijker.”

Derde promotieonderzoek

Het derde onderzoek is gericht op monitoren, verklaren en voorspellen van de degradatie van materialen van de tunnelconstructie, zoals het beton van de tunnelelementen en het rubber en metaal van de gina- en omegaprofielen. De focus ligt hierbij op kritische locaties zoals voegen en spatzones. Sebastian Kuniewsky gaat dit onderzoek doen. Broere: “Hopelijk kan hij vervolgens aan de hand van de meetgegevens nieuwe of verbeterde degradatie- en schademodellen ontwikkelen die de achteruitgang van materialen nauwkeurig voorspellen.”

Sebastian Kuniewski begint op 1 oktober 2023 in deeltijd, drie dagen per week, met zijn promotieonderzoek. Daarnaast blijft hij twee dagen als technisch specialist bij C-Cube International werken. Bij dit bedrijf is hij verantwoordelijk voor de ontwikkeling, invoering en documentatie van wiskundige modellen die gebruikt worden bij de inspectie van industriële coatings, het voorspellen van de levensduur van coatings en het monitoren van corrosie.

Sebastian behaalde in 2004 zijn masterdiploma Toegepaste wiskunde aan de TU Delft en heeft zich sindsdien beziggehouden met tijdsafhankelijke materiaaldegradatie en de toepassing van data en wiskundige modellen om weloverwogen onderhoudsbeslissingen te nemen, de conditie van constructies te voorspellen en de kans op storingen te minimaliseren.

Sebastian: ”Ik denk dat ik met mijn kennis en praktijkervaring een bijdrage kan leveren aan state-of-the-art tunnelinspectie- en onderhoudsprogramma’s. Ik kijk ernaar uit om mijn kennis te verbreden, verschillende materialen en hun eigenschappen beter te begrijpen en deze eigenschappen te modelleren en te koppelen aan faalmechanismen. Ook vind ik het leuk om na te gaan hoe je deze mechanismen kunt meten en monitoren met bestaande of nieuwe technieken en methoden. Verder verheug ik me op de samenwerking met materiaalwetenschappers en het combineren van laboratoriumgegevens en uitkomsten van experimenten met modellering en analyse.”