Kruisende tunnels in interactie met de ondergrond

Het Groningse Julianaplein, de drukste kruising van Noord-Nederland met verkeerslichten, wordt als onderdeel van het project Aanpak Ring Zuid omgevormd tot een ongelijkvloerse kruising. Gekozen is voor een verkeersplein met drie verdiepingen, waarvan de onderste twee tunnels zijn. De realisatie van het nieuwe knooppunt is door de heterogene ondergrond een complexe uitdaging voor de projectorganisatie Aanpak Ring Zuid.

“Vanaf de tender was duidelijk dat de opdrachtgever de voorkeur gaf aan een verkeersplein zonder fly-overs”, vertelt Wouter Claassen, een van de ontwerpleiders van Witteveen+Bos. “Om ervoor te zorgen dat het Julianaplein in een groene en leefbare omgeving past, heeft hij ervoor gekozen om het verkeer zoveel mogelijk ondergronds te brengen, in dit geval met twee kruisende tunnels. Dat was een uitdagende randvoorwaarde. Uit het grondonderzoek bleek namelijk dat de ondergrond ter plaatse sterk heterogeen is, met onder andere een laag zettingsgevoelige keileem rond het funderingsniveau. In eerste instantie was ons plan om de aanwezige slappe grond onder het plein te ontgraven en te vervangen door zand. Tijdens het uitwerken van dit plan kwamen we er, in overleg met onze opdrachtgever Combinatie Herepoort, achter dat dit financieel niet haalbaar was. We zijn toen gaan zoeken naar een oplossing, waarbij zo min mogelijk ontgraving nodig was en we de tunnels toch ‘op staal’ konden funderen. Het alternatief, het trillingsvrij aanbrengen van funderingspalen, zou namelijk veel kostbaarder zijn.”

Het dak van de onderste tunnel is tegelijkertijd de vloer van de bovenste.

De tunnels van het nieuwe Julianaplein zijn allebei gekromd en krijgen twee rijstroken. De onderste wordt de verbindingsweg tussen de N7 vanuit het oosten en de A28 en wordt ongeveer 235 meter lang waarvan 125 meter gesloten. Deze tunnel krijgt negen moten en bevindt zich net iets onder het huidige maaiveld. Het laagste punt ligt circa drie meter onder het polderpeil. De bovenste tunnel krijgt een lengte van ruim 170 meter, waarvan 95 meter gesloten en verbindt straks de A28 en de N7 in westelijke richting. Deze tunnel krijgt zeven moten, ligt volledig boven het grondwater en wordt bovenlangs gekruist door de N7. Op de plek waar de twee tunnels elkaar kruisen, bij de zogeheten intersectiemoot, zijn de twee tunnels geïntegreerd: het dak van de onderste is hier tegelijkertijd de vloer van de bovenste.

Integraal ontwerp

“We wisten dat de kans op verschilzettingen groot was”, vult Claassens collega, geotechnicus Paul Stuurwold aan. “Niet alleen door de heterogeniteit van de ondergrond en het feit dat we vooraf niet overal een pakket grond als voorbelasting konden aanbrengen, maar ook door de complexe bouwfasering en grote verschillen in de geometrie van het maaiveld. De tunnels worden een voor een gebouwd. Voor de eerste tunnel wordt de grond ontgraven, waarna de vloer, de wanden en het dak worden gestort. Vervolgens wordt de grond naast deze tunnelkoker aangevuld en verdicht, zodat de tweede tunnel kan worden geconstrueerd. Dan wordt weer een enorm pakket zand aangebracht voor de derde verdieping. De belasting op de onderliggende lagen verschilt daardoor steeds. We waren dan ook groot voorstander van een integraal ontwerp, waarbij goed rekening wordt gehouden met de interactie tussen de kunstwerken en de ondergrond. Daarom hebben we erop aangedrongen om het geotechnisch ontwerp, dat oorspronkelijk aan een andere partij was toegekend, ook door Witteveen+Bos te laten uitvoeren. Bij dit soort complexe vraagstukken is het namelijk veel handiger om de interactie tussen grond en constructie bij één partij onder te brengen. Dat zorgt voor korte lijnen in de afstemming en een duidelijke verantwoordelijkheid voor het integrale ontwerp.”

Spelregels

Stuurwold: ‘Voor het integrale ontwerp hebben we per moot twee dwarsprofielen in het eindig-elementenmodel Plaxis gemodelleerd – in het midden en aan een uiteinde van iedere moot – en ieder profiel geotechnisch getoetst. Uiteindelijk heeft dat geleid tot 34 profielen. De berekeningen tonen per profiel hoe de grond en constructie zich ter plekke gedragen. Vanwege het grote aantal profielen en berekeningen hebben we alle grondparameters en andere relevante gegevens in een database gezet en ervoor gezorgd dat de benodigde gegevens automatisch werden ingelezen. In vergelijking met handmatig invoeren scheelde dat niet alleen veel werk, maar zorgde het ook voor een hogere kwaliteit en meer flexibiliteit.”

“We hebben ook de hele bouwfasering in Plaxis doorgerekend om onder andere te kunnen bepalen wat er bij de verschillende grondaanvullingen zal gebeuren. Op basis van deze resultaten hebben we duidelijke spelregels opgesteld voor de uitvoeringsfase. Tijdens de uitvoering wordt gemonitord, waarbij de aannemer de metingen met ons deelt. Zodra er andere waarden worden gemeten dan vooraf zijn berekend, bespreken we gezamenlijk of er extra maatregelen nodig zijn, zoals het verder verdichten van de grond of, in het uiterste geval, het vervangen van een deel van de grond door licht ophoogmateriaal.”

Anticiperen

“De Plaxisberekeningen laten zien dat we verschilzettingen niet kunnen voorkomen”, legt mede-ontwerpleider Maurice Schroer uit. “Daarom hebben we onder meer in ons ontwerp grote tandconstructies in de zijwanden opgenomen. Deze constructies worden normaal gebruikt bij afzinktunnels. Ze zorgen ervoor dat de moten niet gaan torderen en de tunnels zich in de lengterichting gedragen als een ketting. Daarnaast hebben we op plekken waar dat mogelijk was grond aangebracht als voorbelasting om de grootste zettingen al te laten optreden voorafgaand aan de bouw. Verder passen we op een aantal plaatsen gewapende grond toe. Dat doen we onder meer bij het begin en uiteinde van de tunnels. Daar komt aan de ene kant van de tunnel een dik pakket grond te liggen en aan de andere kant vrijwel niets. Zonder grondwapening zou dat tot ongewenste horizontale verplaatsingen kunnen leiden.”

‘In ons ontwerp zijn grote tandconstructies in de zijwanden opgenomen. Deze constructies worden normaal gebruikt bij afzinktunnels.’

Trots

Terugkijkend op het ontwerpproces zijn beide ontwerpleiders trots. Schroer: “Het was een grote uitdaging om ons ontwerp geaccepteerd te krijgen. Door tussenresultaten steeds met de opdrachtgever en de aannemerscombinatie te bespreken, een onafhankelijk geotechnicus te laten meekijken naar onze berekeningen en voor alle risico’s effectieve beheersmaatregelen te bedenken, is dat gelukt. We zijn erin geslaagd de uitvoering van het ontwerp mogelijk te maken.”

Claassen vult aan: “Onze keuze om de tunnels op staal te funderen betekent dat er meer wapening nodig is dan bij een tunnel op palen. Dit geldt voor zowel de vloeren, wanden als de tandconstructies. Ik ben trots op het feit dat we samen met Combinatie Herepoort een ingenieus repeterend prefabwapeningssysteem hebben bedacht om sneller, efficiënter en met minder fouten te kunnen bouwen. De repeterende prefabwapening wordt op de bouwlocatie voorbereid. Door deze keuze kunnen de vlechters rechtopstaand werken, wat voor hen veel prettiger is dan steeds te moeten bukken. Daarnaast kunnen ze eenvoudig vooruitwerken. En weer een ander voordeel is dat er minder vervuiling van de bekisting ontstaat door afgeknipt binddraad, wat zorgt voor een hogere kwaliteit stortwerk.”