De techniek die de nieuwe metrolijn redde

Warenhuis de Bijenkorf op de Dam in Amsterdam stortte in het najaar van 2010 half in, althans op de bewerkte ‘bewijsfoto’ bij een satirisch bericht van GeenStijl. Dat kreeg je ervan, luidde de boodschap, als je met de tunnelboor voor de metro in de grond de heipalen van het 19de-eeuwse kooppaleis passeerde.

„Wij hebben daar toen wel om gelachen”, vertelt geotechnicus Remco Kleinlugtenbelt, die de dagelijkse leiding had bij de bescherming van de funderingen langs de nieuwe metrolijn. Kort ervoor hadden de metrobouwers een brief gekregen van de Bijenkorf met waarschuwingen voor de juridische gevolgen als het boren mis mocht gaan. „Wij namen dat ook niet serieus.”

Want dat het écht mis zou kunnen gaan bij de aanleg van de Noord/Zuidlijn (NZL), daar geloofden de mensen van het ingenieursbureau Witteveen + Bos helemaal niets van. Kleinlugtenbelt: „We waren inmiddels heel overtuigd van onszelf.”

Dat (zelf)vertrouwen van de mensen-van-de-metro contrasteerde nogal met het diepe wantrouwen in de buitenwereld. Daar leefden grote zorgen over wat het graven en boren zou doen met de historische binnenstad, gebouwd op palen in een slappe ondergrond. Die zorgen waren omgeslagen in regelrechte paniek, toen enkele monumentale panden aan de Vijzelgracht verzakten door lekkage in de bouwput van een metrostation in wording.

Dat de ingenieurs toch vertrouwen hielden, kwam doordat ze werkten met in hun ogen beproefde technieken. En doordat ze die technieken voor het boren van tunnels en voor het opvangen van kleine verzakkingen, ook nog eens uitgebreid hadden getest. „Natuurlijk moesten we voorzichtig zijn”, zegt Kleinlugtenbelt, „maar we waren er behoorlijk zeker van dat de aanleg veilig kon.”

Het boren van de metrotunnel is inderdaad zonder rampspoed verlopen, maar de ingenieurs hebben ’m af en toe wel degelijk geknepen. De werkzaamheden hebben niet alleen een metrotunnel van ruim drie kilometer opgeleverd, maar ook nieuwe (wetenschappelijke) kennis over de techniek van metrobouw. Geotechnicus Adam Bezuijen van Deltares, die de aanleg van de NZL van nabij volgde, zegt het zo: „We hebben in Amsterdam echte stappen gemaakt.”

Welke stappen? Daarvoor kijken we nog eens naar de obstakels, de complicaties, de oplossingen en de uiteindelijke lessen.

Oude stad op zachte grond

De bodem onder de Amsterdamse binnenstad is in millennia gevormd door rivieren, die gesteenten en plantenresten wegspoelen, aanvoeren, verpulveren en samendrukken. Snij een reusachtig rechthoekig blok uit deze bodem en dan zie je een soort tompouce met een laag dikke yoghurt erbovenop. De twee lagen bladerdeeg zijn de zandlagen die op meer dan tien meter en meer dan twintig meter diepte liggen. De toplaag, de ‘yoghurt’, is zachte veengrond. De grond tussen de zandlagen is gevormd tijdens het Allerød, een warme periode in de ijstijd, en bestaat uit een samengeperst en zilt mengsel van klei en zand.

Pak een paar cocktailprikkers en duw die door de yoghurt heen, in de bovenste laag bladerdeeg: dat zijn de palen waarop Amsterdamse huizen en de Bijenkorf rusten. Pak een paar satéprikkers en duw die dwars door alles heen in de onderste laag bladerdeeg: dat zijn de lange palen die grote modernere gebouwen stutten. Al die geheide palen staan stevig, zolang er niets in de bodem gebeurt.

Maar toen kwamen in 2010 de tunnelboormachines (tbm’s). Zo’n tbm graaft met een ronddraaiend wiel van een meter of zes doorsnede grond weg en plaatst vervolgens een betonnen ring – totdat de vele ringen een tunnelbuis vormen. Bij het boren spoelt er altijd wat grond weg, waardoor (lichte) verzakkingen optreden. Deze ‘zettingen’ kunnen in principe worden opgevangen, waarover zo meer. Dat was eerder ook goed gegaan bij de metro in Londen en Parijs en bij de Heinenoordtunnel, maar hoe zou het gaan in Amsterdam?

Om niet te dicht op de palen te komen ging de tunnelboor in Amsterdam voornamelijk door het vrij diepgelegen Allerød en de tweede zandlaag. Daarnaast volgde de tunnelboor het stratenpatroon, omdat kleine zettingen van een straat geen ramp zijn. Alleen kwam de boor wel dicht bij de palen onder de woonwijk de Pijp, waar de straten heel smal zijn.

Daarom kwamen de ingenieurs met een extra veiligheidsmaatregel: compensation grouting. Wat is dat?

‘Grouten’ in het laboratorium

Bij compensation grouting – kortweg grouten – spuit je met stalen buizen (lansen) een mengsel van cement, water en bentoniet, een soort klei, in de bodem. De grond wordt zo steviger en krijgt meer volume, zodat je zettingen kunt compenseren. Eerder was dat al met succes gedaan bij de aanleg van een nieuwe metrolijn in Londen, onder de Big Ben. „Maar die bodem is veel steviger dan in Amsterdam: harde klei, die in de ijstijd is samengedrukt”, vertelt Bezuijen.

Om die reden werd grouten bij Deltares getest in zand, door toenmalig masterstudent Kleinlugtenbelt aan de TU Delft, onder begeleiding van Bezuijen. „In een zandbak bracht ik lansen aan en spoot er vloeibare beton in. Vervolgens legde ik een deksel op het zand, schroefde dat deksel goed vast en zorgde voor een vergelijkbare druk als onder de Bijenkorf fundering te verwachten was. En weer grouten we. Steeds ontstonden er aardappels bij de lans: samengeklonterd beton. Daar waren we heel blij mee! Dat betekende dat er geen grout ontsnapte en we het gecontroleerd konden doen.”

Wat ze ook ontdekten is dat grouten niet meteen werkt, vertelt Kleinlugtenbelt: „Met de eerste liter die je inspuit, gebeurt er niets. Je hebt een bepaald volume nodig, maar dat kun je tijdens het proces niet altijd snel genoeg inspuiten. Daarom zijn we gaan pre-grouten.” Vooraf is op de kritieke plekken de grond stijver gemaakt met grout, terwijl grote gebouwen zoals de Bijenkorf met grouting een beetje zijn opgetild: „De Bijenkorf is zo 4 millimeter gelift, lang voordat de tbm in de buurt was.”

Toen kon het spel met boren en grouten beginnen. Dat volgden de ingenieurs met een uitgebreid meetsysteem, dat elke millimeter zetting registreerde met camera’s en spiegeltjes aan de gevels van gebouwen en laserstralen die terugkaatsen op het asfalt van de straten. Voor het grouten kwam in de kelders van gebouwen een speciaal waterpassysteem met glaasjes vol water, die met elkaar verbonden waren.

Alle sensoren zonden voortdurend signalen naar de computers in het tijdelijke kantoor van Witteveen + Bos aan het Rokin, boven sigarenwinkel Hajenius. „Zo konden we elke zetting heel precies zien. Elke millimeter verzakking vingen we meteen op door grout in te spuiten”, vertelt Kleinlugtenbelt. „Het werkte fantastisch, ook bij de Bijenkorf. Die zakte wel 2 millimeter, maar was dus al wat gelift.”

De Bijenkorf is 4 millimeter gelift, lang voordat de boorkop in de buurt was

Maar een keer schrokken de ingenieurs zich te pletter, wéér bij de Vijzelgracht. Nadat de boor zich door de betonnen wand van het metrostation had binnengegraven, zoals gepland, lekte er ineens boorkopvloeistof in de bouwput. „Ik zag al die grijze vloeistof in de put en was net als iedereen heel bang dat er zand zou meespoelen en de zaak weer zou gaan verzakken”, vertelt Kleinlugtenbelt, die zich herinnert dat er meteen een crisiscentrum werd ingericht. Het kwam goed. Er was geen zand meegekomen en de boorvloeistof kon worden weggepompt.

Stalen buizen

De metrolijn is klaar, maar in de grond rond de lijn zitten nog altijd stalen buizen gevuld met beton – als spelden in een kussen. Het is de erfenis van het grouten, die de Amsterdamse grond daar voorgoed heeft verstevigd. Wat zit er nog meer in de boedel? Veel meer kennis over tunnelboren, grouten en monitoren.

„Door het boren in Amsterdam zijn we er veel beter in geworden”, zegt Bezuijen. „Steeds zijn er ook technologische verbeteringen aangebracht. Zo is de tunnelboormachine korter gemaakt, zodat ie beter bochten kon maken. Was de zetting aanvankelijk enkele centimeters, die werd in de loop van de tijd enkele millimeters.”

Daarom denkt Kleinlugtenbelt dat grouten eigenlijk niet meer nodig is. „Maar politici willen het graag om de bevolking te laten zien dat ze alles hebben gedaan om verzakkingen te voorkomen.” Hij is nu projectleider bij de aanleg van een nieuwe metrolijn in het Canadese Calgary. „Grouten is een heel kostbare back-up.”

Voor het grouten was Amsterdam een geweldige proeftuin, zegt Bezuijen: „Lastig in Amsterdam is dat er weinig ruimte tussen de zandlagen zit, makkelijk is dat het grondwater zo hoog staat. Als je niet goed compenseert, zie je meteen een verzakking. Elders in Europa, waar de stand van het grondwater lager is, gebeurt dat soms maanden later.”

Dat ze zettingen in Amsterdam meteen zagen, kwam ook doordat het monitoren volgens Kleinlugtenbelt „nergens ter wereld zo precies is gedaan”. Hij noemt de lasers waarmee de zettingen in de straten werden gevolgd, maar ook het waterpas-systeem in de kelders. „Het principe is eigenlijk al eeuwen oud, maar hebben we helemaal gemoderniseerd.”

Amsterdam laat volgens Kleinlugtenbelt vooral zien: „Als het in Amsterdam kan, kan het in de hele wereld.” Bezuijen relativeert dat enigszins: „Grouten in Barcelona werkt bijvoorbeeld niet: de half droge bodem blijft intact, zoals een zandkasteel aan het strand. Als je daar een vloeistof aan toevoegt – water of grout – krijg je net als bij een zandkasteel juist verzakkingen. Laten we zeggen: als het in Amsterdam kan, kan het in Nederland en in landen die daarop lijken.”