Boren door de slappe grond; Als er een tunnel moet komen is boren duurder dan het openleggen vande straat. Maar boren geeft minder overlast en gederfde inkomsten

Als aanslibsel van de grote rivieren bestaat de ondergrond van Nederland voornamelijk uit prut, afgewisseld met wat steviger zandlagen. Om die reden is er eigenlijk nooit serieus gekeken naar de mogelijkheden van ondergronds bouwen. Dankzij een lobby van onderzoekers, bouwbedrijven, Rijkswaterstaat en een aantal grote gemeenten begint dat te veranderen. Eind januari buigt een stuurgroep zich over een voorstel van Rijkswaterstaat om een vergelijkende studie uit te voeren naar de mogelijkheden van ondergronds bouwen.

In het buitenland wordt er al ondergronds gebouwd. Dit najaar zijn Japanse aannemers begonnen met de aanleg van een tien kilometer lange verkeerstunnel onder de Baai van Tokio. Het bijzondere van deze Trans Tokio Bay Tunnel is dat hij wordt geboord in slappe klei. Iets minder spectaculair, maar zeker zo interessant is de aanleg van de Grauholztunnel in Zwitserland. De zes kilometer lange tunnel, met een diameter van elf meter, loopt over een lengte van ruim twee kilometer door een watervoerende laag.

Het Japanse en het Zwitserse voorbeeld laten zien dat het boren van tunnels niet beperkt hoeft te blijven tot harde rotsformaties. Ook in zand, veen en klei en zelfs onder de grondwaterspiegel kun je een tunnel boren.

In Nederland pleitten de aannemers, verenigd in het Algemeen Verbond Bouwbedrijf (AVBB), enkele weken geleden voor de aanleg van een ondergronds net van pijpleidingen voor het transport van bulk- en stukgoederen. Volgens het AVBB zou het transport niet beperkt moeten blijven tot "verpompbare' stoffen als olie, nafta en chloor. Via een systeem van "buizenpost' zouden ook stukgoederen via pijpleidingen getransporteerd kunnen worden.

Als het aan het in het Brabantse Nuenen gevestigde bedrijf CCM (Centre for Construction and Mechatronics) ligt, dan zou het ondergrondse stukgoed transport zelfs met snelheden van vijfhonderd kilometer kunnen gebeuren. Ook mensen zouden met deze buizenpost verzonden kunnen worden. Door de buis bijna vacuum te zuigen is voor het hoge snelheids tunnel transport maar weinig energie nodig.

Toekomstmuziek

De buizenpost is nog toekomstmuziek. Dichterbij zijn de plannen die diverse gemeenten met de ondergrond hebben. In Utrecht vielen twee wethouders nog in de kuil, die eigenlijk was gegraven om er een ondergrondse tram doorheen te laten rijden, maar in Den Haag neemt het plan om een tramlijn aan te leggen onder de Grote Marktstraat steeds vastere vormen aan. In Delft denkt de Nederlandse Spoorwegen aan het ondergronds laten verdwijnen van de spoorlijn, terwijl Den Bosch bezig is met de ontwikkeling van een ondergronds muziektheater in het oude stadshart. Rotterdam en Amsterdam ten slotte dubben over uitbreiding van hun metro-net.

Technische belemmeringen om meer dan tot nu toe gebruik te maken van de ondergrond zijn er eigenlijk niet meer. Dat was althans de conclusie van een Japan-missie van begin dit jaar. De reis was door Grondmechanica Delft georganiseerd en stond onder leiding van de Delftse hoogleraar Geotechniek Arnold Verruyt.

Het voornaamste probleem bij het boren in slappe grond is dat anders dan bij boren in rots de gegraven gang snel weer instort. De holte moet dus meteen worden gestut. Niet met palen, zoals in de mijn, maar met platen om modder en grondwater buiten te houden. Bevriezen van de grond kan ook, maar is nogal kostbaar.

Een bijkomend probleem is het overmatig verlies aan grond en water bij het boren. Als je in een harde betonnen muur boort, krijg je meestal een mooi rond gat, met een diameter die niet veel groter is dan de diameter van de boor. Boor je in een gipswandje, dan is het gat meestal groter dan de boordiameter. Je haalt meer materiaal weg dan nodig is. Het boren in slappe grond laat zich vergelijken met het boren in griesmeelpudding; de pudding vliegt je rond de oren en voor zover er een gat ontstaat wordt het twee keer zo groot als de bedoeling is.

Het overmatige verlies aan grond en water leidt aan het oppervlak tot bodemdaling als gevolg van zetting (verzakking). Omdat het meestal ongelijkmatig gebeurt, zorgt zetting vaak voor schade aan gebouwen, bruggen, wegen en dergelijke.

Al sinds het begin van de vorige eeuw wordt het probleem van de instroming van grond en water en het overmatig materiaalverlies bestreden met behulp van "schilden'. Het principe ervan is in 1818 ontwikkeld door Marc Isambard Brunel, een Frans marine-officier die naar Engeland was geemigreerd. Brunel was, zo verhaalt de geschiedenis, getroffen door de activiteiten van een nietig houtwormpje dat zich, dankzij zijn stevig pantser in het hout wist te boren. Daarbij werd het zaagsel aan de achterzijde uitgescheiden.

Genspireerd door de houtworm bouwde Brunel een gigantisch ijzeren schild, een huls die met behulp van schroefvijzels door de relatief zachte bodem van Londen werd geduwd. Arbeiders groeven de grond uit via luiken in het schild. Bij stukken erg slappe grond, werd het schild gewoon vooruit geduwd, al dan niet met een of meer luiken open. Achter het schild werd de tunnel meteen gestut.

Op deze manier bouwde Brunel tussen 1825 en 1842 de eerste onderwatertunnel onder de Thames door. Tijdens de bouw kwam de tunnel verscheidene malen onder water te staan als gevolg van een blow out, daar waar de tunnelbouwers plotseling op watervoerende lagen stuitten. Dat probleem werd enkele jaren later opgelost door de Londense metrobouwer Greathead. Het schild werd een cirkelvormige buis, waarbinnen de bekleding aanbracht kon worden zonder gevaar voor instorten. Om de instroom van water te voorkomen zette hij de tunnel met perslucht onder druk.

De methode van Brunel is al ruim honderd jaar bruikbaar in wat steviger bodems, zoals de London Clay (een zeer stijve, ondoorlatende klei), maar het gebruik in slappe bodems stuitte lange tijd op problemen. De inkomende modderstroom bleek niet of nauwelijks te controleren en de perslucht ontsnapte langs alle kanten. In het begin van de jaren zeventig ontwikkelden Japan en Duitsland echter varianten op de schildtechniek, waardoor deze ook bruikbaar werd voor slappe bodems.

Het schild bestaat daarbij uit een stalen cilinder, die met behulp van vijzels door de bodem wordt geduwd. Aan de voorzijde zijn de "luikjes' van Brunel vervangen door een ronddraaiende schijf, een snijkop, die de grond loswoelt.

Via openingen in de snijkop komt de grond in een ontgravingskamer terecht. Die kamer is met behulp van een scheidingswand afgescheiden van de rest van de tunnel. De druk in de ontgravingskamer is gelijk aan de druk aan de buitenzijde van de snijkop. De instroom van grond en water wordt via het regelen van de druk in de ontgravingskamer bestuurbaar.

Slurrie shield

Voor het regelen van de "modderstroom', kent de schildboortechniek twee varianten. In de ene variant wordt de druk in de kamer geregeld door het regelen van de afvoer van grond via een schroefvijzel. Dat is de zogeheten Earth Pressure Balance Method, zoals die bijvoorbeeld wordt gebruikt aan de Franse kant van de Kanaaltunnel.

De andere variant is het slurrie shield. Daarbij wordt de druk in de drukkamer onderhouden door het inspuiten van een bentoniet-slurrie. Bentoniet is een speciaal soort klei; de slurrie is een traag stromende vloeistof. Terwijl de bentoniet-oplossing door de ene pijp wordt aangevoerd, wordt een mengsel van grond en bentoniet-oplossing door de andere pijp afgevoerd. Het mengsel wordt bovengronds gescheiden en het bentoniet kan weer opnieuw worden gebruikt.

Van het slurrie shield zijn er ook weer twee varianten. Bij de Japanse variant wordt de druk constant gehouden door subtiel afregelen van aanvoer van bentoniet en afvoer van slurrie. Bij de door het Westduitse bedrijf Wayss & Freytag ontwikkelde methode heeft de drukkamer ook nog een luchtkussen. Een met lucht gevulde ruimte die via een aparte aanvoerleiding onder druk wordt gehouden. Het luchtkussen vangt eventuele veranderingen in de vloeistofdruk op.

Achter de scheidingswand van de drukkamer wordt de tunnel in elkaar gezet. Dat gebeurt met behulp van een zogeheten "erector', die losse segmenten van de betonnen ring die uiteindelijk de tunnelwand moet worden op hun plaats zet. De segmenten worden tijdens de montage met bouten bij elkaar gehouden. Vervolgens wordt er een wigvormige sluitsteen tussengedrukt, waardoor de ring op spanning wordt gebracht. Als de tunnel op deze manier een meter langer is geworden, worden de vijzels op de betonnen ring gezet en kan er weer een stukje verder worden gegraven.

Het duurt ongeveer drie kwartier om weer een meter grond uit te graven, zegt Leo de Ruiter van aannemersbedrijf Ballast Nedam, en nog eens drie kwartier om het ringsegment aan te brengen. De voortgangssnelheid ligt dus bij normale omstandigheden op twaalf tot vijftien meter per dag. In zanderige bodems is dat makkelijk het dubbele.

Ballast Nedam heeft een contract met Wayss & Freytag voor het gebruik van de schildboortechniek. Ook de andere grote Nederlandse aannemers hebben de boortechniek in huis gehaald via overeenkomsten met Duitse of Belgische bedrijven.

Ondanks het gelijkmatige graafproces kunnen er toch nog zettingsproblemen ontstaan. De cilinder waarin de snijkop draait is namelijk groter dan de betonnen buis van de tunnel. Er wordt dus meer grond weggehaald dan het volume van de tunnelbuis rechtvaardigt. Technisch onvermijdelijk, omdat de buis binnen de stalen cilinder moet worden aangebracht, maar wel een mogelijke oorzaak van zetting.

Het probleem wordt opgelost door de ruimte tussen de betonnen tunnelwand en de bodem vol te spuiten met grout (snelhardend beton in dit geval). Ook dat vergt enige precisie. Als je te weinig grout inbrengt kun je alsnog zetting krijgen. Spuit je teveel in, dan kan de bodem omhoog komen.

Alles op de schop

De Japan-missie van overheid, bedrijfsleven en onderzoekswereld stelde vast dat er geen technische belemmeringen waren voor het boren van tunnels in slappe grond. Dat roept de vraag op waarom in Nederland nog steeds alles op de schop moet als er een tunnel moet worden aangelegd.

Voormalig delegatieleider Verruijt van de TU Delft vermoedt dat een van de redenen is de Nederlandse Randstad nog lang niet zo volgebouwd is als Tokio. Daar heeft men geen ander alternatief dan ondergronds te gaan, mede vanwege de astronomische grondprijzen.

Een andere reden is, dat het boren van tunnels flink wat duurder is dan het bouwen van tunnels in open bouw of het afzinken van tunnel-elementen. Schattingen lopen uiteen van anderhalf tot twee keer zo duur. Daarbij gaat het alleen om de directe uitvoeringskosten. Als ook het omzetverlies van winkeliers en de overlast voor het verkeer worden meegenomen, dan zou, zeker in de binnenstad, tunnelen wel eens heel wat gunstiger uit de bus kunnen komen.

"Ik denk', zegt Verruyt, "dat als eenmaal een keer een tunnel is geboord, een gemeente heel wat protesten zal krijgen als ze de straat voor maanden aan een stuk openlegt. Dan weten de mensen hoe het anders kan en dan pikken ze dat niet meer'.

Om de ondergrond echt in beeld te krijgen is er, zo stellen alle betrokkenen, een proefproject nodig. Een project van voldoende omvang om elders al beproefde technieken voor het boren van tunnels, in de Nederlandse "prut' uit te proberen. Misschien een tunnel onder de Westerschelde?

Bij "no dig' zijn sleuven niet nodig

"Putje graven, tentje zetten, tukkie doen'. Aldus omschreef Wim Kan indertijd de werkzaamheden van de PTT. Die twee laatstgenoemde activiteiten kunnen onverminderd voortgaan, maar het graven van putjes om leidingen te leggen is niet meer nodig. Datzelfde geldt trouwens ook voor het leggen van leidingen voor water, gas en riolering; de straat hoeft er niet meer voor opgebroken te worden.

Een van die no dig-methoden is directional drilling, vrij vertaald "gericht boren'. In feite is dat niet veel anders dan wat oliemaatschappijen doen, alleen gaat de boorbeitel niet verticaal de grond in maar horizontaal. Vanaf het maaiveld wordt een buis de grond in geboord langs een vooraf bepaald traject. Afhankelijk van de grondslag (de bodemsoort) maakt men gebruik van een boorbeitel of een spuitkop. Die spuitkop spuit de grond weg en kan worden gebruikt in slappe "prut'; de boorbeitel maalt de grond weg.

Over de boorbuis wordt op enige afstand van de boorkop een volgbuis ingebracht. Die buis dient om te voorkomen dat het door de boorkop gemaakte gat meteen weer instort. Via de ruimte tussen boorbuis en volgbuis wordt het uitgeboorde materiaal afgevoerd.

Als boor en volgbuis zijn aangekomen wordt de boorbuis teruggetrokken. Aan het uiteinde van de volgbuis wordt een vrij draaiende wartel bevestigd en daaraan maakt men de definitieve of produktiebuis vast. De volgbuis wordt teruggetrokken; de wartel maakt tegelijkertijd de doorsnede wat groter en de produktiebuis wordt op zijn plaats gelegd.

Gericht boren is geschikt voor buizen met een diameter tot ongeveer een meter over afstanden tot circa anderhalve kilometer. De techniek wordt vaak gebruikt ook steeds meer in Nederland overigens als een leiding verkeers- of spoorwegen moet kruisen en graven voor teveel overlast zou zorgen. De kunst is om de boorkop op het juiste spoor te houden, niet alleen in het horizontale, maar ook in het verticale vlak.

Een tweede no dig methode is pipe jacking, in het Nederlands te vertalen als "pijpduwen'. Pipe jacking begint met het aanleggen van een bouwput tot de diepte waarop de tunnel moet komen te liggen. Vervolgens worden geprefabriceerde stalen of betonnen ringen stuk voor stuk achter een boorkop aan het gat in geduwd. Het duwen gebeurt met vijzels, die zich afzetten tegen de achterwand van de bouwput.

Pijpduwen is bruikbaar voor tunnels met een diameter van anderhalf tot vier meter. Met andere woorden, tunnels die ook voor personen toegankelijk zijn. In Kopenhagen is met behulp van deze techniek een net aangelegd voor stadsverwarming. In Nederland is de techniek gebruikt bij de aanleg van een tunnel van 684 meter lengte onder het Hartelkanaal. De tunnel, of liever pijpleiding, met een diameter van 1m20 is bedoeld voor het transport van water uit het Brielse Meer naar het Westland.