Unieke praktijkproef: onderstromen met heterogeen grof zand

Ballast Nedam is betrokken bij de bouw van een zinktunnel in het Midden-Oosten met tien elementen van elk 125 meter lang. Voor het funderen van de elementen is gekozen voor onderstromen met lokaal gewonnen grof zand. Om er zeker van te zijn dat dit goed werkt, heeft het bedrijf in Maarssen proeven gedaan op ware schaal. 

“Als je kijkt naar het funderen van tunnelelementen van zinktunnels dan zijn er globaal twee methoden”, legt project engineer Xavier Szadkowski uit. “De eerste is dat je in de gebaggerde zinksleuf heel zorgvuldig een gravelbed aanlegt waarop je vervolgens de tunnelelementen afzinkt. Deze methode wordt vooral toegepast in aardbevingsgevoelige gebieden.” De tweede methode heet onderstromen en is in Nederland het meest gangbaar. Hierbij zink je de elementen eerst af op tijdelijke steunpunten, meestal vijzels. Daarna vul je de ruimte onder het element op met zand via leidingen en verticale uitstroomopeningen in de vloer van het tunnelelement.

Vanaf de uitstroomopeningen verspreidt het water-zandmengsel zich naar buiten en na verloop van tijd ontstaan er cirkelvormige pannenkoeken van zand

Hierbij zink je de elementen eerst af op tijdelijke steunpunten, meestal vijzels. Daarna vul je de ruimte tussen de bodem van de zinksleuf en de onderkant van het element op met zand. “Dat doe je door via leidingen en verticale uitstroomopeningen – die zijn aangebracht in de vloer van het tunnelelement – een mengsel van water en zand onder het element te pompen. Vanaf de uitstroomopeningen verspreidt het water-zandmengsel zich naar buiten en na verloop van tijd ontstaan er cirkelvormige pannenkoeken van zand, die het element geleidelijk gaan ondersteunen.”

Om bij de tweede methode te bepalen hoe lang het mengsel van water en zand moeten worden verpompt om voldoende grote en dikke pannenkoeken te krijgen, wordt onder andere continu de druk gemeten die het element op de tijdelijke steunpunten uitoefent. Zodra deze druk afneemt, hebben de verschillende pannenkoeken de belasting op de steunpunten voldoende overgenomen. Daarnaast wordt de hoeveelheid verpompt zand gemeten en controleren duikers of het zand zich tot buiten het element heeft verspreid.

Szadkowski: “Deze methode van funderen is in de jaren zeventig van de vorige eeuw ontwikkeld. Toentertijd bleek tijdens proeven dat zogeheten Zeeuws zand hiervoor heel geschikt is, omdat het eenvoudig is te verpompen en zich goed verspreidt. Sindsdien wordt dit relatief fijnkorrelige zand eigenlijk altijd gebruikt voor het onderstromen.”

Andere oplossingen

Voor de tunnel in het Midden-Oosten is de toepassing van Zeeuws zand niet geschikt. De tunnel komt in een zeer licht aardbevingsgevoelig gebied. Daardoor is er bij een fundering met dit fijne zand kans op liquefactie, het proces waarbij het zand vervloeit door toegenomen waterspanning. “Los daarvan is het erg onpraktisch om zand vanuit ons land naar het Midden-Oosten te transporteren”, vertelt Martijn Smitt, directeur bij Ballast Nedam. “Daarom hebben we naar andere oplossingen gekeken.”

Nadat duidelijk was dat een gravelbed te duur zou worden, is besloten om te onderstromen met een grover en heterogener zand dat lokaal beschikbaar is. “Vanzelfsprekend wilde onze opdrachtgever zeker weten dat het onderstromen met dit zand een geschikte optie is”, aldus Smitt. “Er zijn weliswaar enkele onderzoeksrapporten waarin wordt aangegeven dat onderstromen met grover zand werkt, maar die conclusies waren allemaal gebaseerd op schaalproeven. Voor ons is het cruciaal dat de methode ook op ware grootte werkt en dat was nog nooit onderzocht. Daarom hebben wij besloten om zelf proeven te gaan doen.”

Twee vragen

Met de proeven wilde het team twee vragen beantwoorden: Verspreidt het grovere zand zich goed, dus krijgen de pannenkoeken een voldoende grote diameter? En kan een zandpakket worden gerealiseerd met de gewenste dichtheid? “Bij onze vestiging in Maarssen konden we gebruikmaken van een onderstroominstallatie”, vertelt Szadkowski. “Daar hebben we een tijdelijk bassin gemaakt van twintig bij twintig meter met een oplegconstructie en een uitstroomopening. Met stalen rijplaten hebben we een vloer gemaakt van zestien bij zestien meter. Dit plateau hebben we op vijzels gezet met extra ballast erop om de belasting van een tunnelelement te creëren. Vervolgens hebben we door een zandmengbedrijf zand laten maken, Kaliwaal 41 geheten, dat vrijwel dezelfde eigenschappen heeft als het lokale zand uit het Midden-Oosten.”

Met het Kaliwaalzandmengsel is eerst in het lab een aantal proeven gedaan. “We hebben de korrelverdeling en dichtheid nauwkeurig bepaald en hebben onderzocht hoe het zand zich verspreidt”, vertelt geotechnicus Michel van der Molen. “Ook hebben we bepaald welke meetapparatuur we het beste bij de proef konden gebruiken om onder meer de stroomsnelheid, de dichtheid van het zand-watermengsel en de druk in de leidingen te kunnen monitoren. Vervolgens zijn we met de proeven in het bassin gestart.”

Verantwoorde keuze

Eerst is een proef gedaan met Zeeuws zand om te controleren of de proefopstelling goed werkt en om de zandsoorten met elkaar te kunnen vergelijken. “De resultaten van deze proef kwamen goed overeen met die van de proeven uit de jaren zeventig”, aldus Van der Molen. Daarna is de proef herhaald met het Kaliwaalzand.

Deze proef liet zien dat onderstromen met het grovere en meer heterogene zand ook goed gaat. “Met dit zand kunnen we zonder probleem een zandpannenkoek met de gewenste diameter van vijftien meter realiseren”, zegt Van der Molen. “Na de proef hebben we de vloer voorzichtig verwijderd en hebben we met sonderingen de dichtheid van het zandpakket bepaald. De dichtheid was weliswaar niet helemaal zoals verwacht, maar viel ruimschoots binnen de marges.”

Verder lieten steekmonsters zien dat de verschillende korrelgrootten van het zand goed waren verdeeld, alleen het bovenste laagje van de pannenkoek bestond uit iets grover zand dan de lagen daaronder.

Smitt: “Met de proeven hebben we onderbouwd dat de keuze om voor het onderstromen van de tunnelelementen het lokale, grovere en meer heterogene zand toe te passen, verantwoord is. Daarnaast tonen ze aan dat je voor het onderstromen meerdere soorten zand kunt gebruiken. Zo lijkt de kans groot dat het met alle korrelgroottes tussen Zeeuws zand en het beoogde zand uit het Midden-Oosten goed zal werken.”

Voor Nederlandse tunnelprojecten is dat misschien niet zo relevant, want Zeeuws zand is hier vrij eenvoudig te krijgen. Maar voor afzinkprojecten in andere regio’s van de wereld is de conclusie zeer waardevol. Smitt: “Het belangrijkste vind ik echter dat we met deze proeven weer eens laten zien hoe zinvol het is om met een relatief goedkoop en eenvoudig praktijkexperiment na te gaan of een bepaalde aanpak werkt. In de bouw wordt tot nu toe erg weinig getest en ik zou graag zien dat dat verandert.”