Fietskelder IJboulevard in complexe omgeving

Auteur: Sandro Castellani – Van Hattum en Blankevoort

SAMENVATTING

In mei 2021 is aan de achterzijde van het centraal station van Amsterdam gestart met de bouw van het project IJboulevard. Hier wordt in het IJ een ondergrondse fietsenstalling gerealiseerd met plek voor 4000 fietsen. Boven op de stalling komt een gebied van ca. 300x20m om te wandelen langs het IJ, de IJboulevard. Onderdeel van de werkzaamheden betreft ook het creëren van een nieuwe aanvaarbescherming waarmee het centraal station wordt beschermd tegen een aanvaring. Het is de verwachting dat het project in de eerste helft van 2023 wordt opgeleverd.

Dit project wordt gerealiseerd in een complexe omgeving, namelijk direct tegen het centraal station aan en midden in het druk bevaren IJ. Bovendien loopt de zinktunnel van de NZ-lijn dwars door het projectgebied. Beperken van de omgevingsbeïnvloeding is daarom een cruciaal aspect. In dit artikel wordt toegelicht hoe hier in het ontwerp mee om is gegaan.

KERNWOORDEN: Omgevingsbeinvloeding, Risicobeheersing, Paalfundering

INLEIDING

Naast bovenstaande reden is er bij Amsterdam CS een tekort aan fietsenstallingen, waardoor er ook een ondergrondse fietsenstalling wordt gemaakt. Bovendien is de huidige situatie aan de achterzijde van het centraal station rommelig, met onder meer een ponton dat wordt gebruikt als fietsenstalling en een bouwkuip die nooit is afgemaakt. Door IJboulevard behoort deze situatie tot het verleden.

Dit project wordt gerealiseerd in een complexe omgeving, namelijk direct tegen het centraal station aan en midden in het druk bevaren IJ. Bovendien loopt de zinktunnel van de NZ-lijn dwars door het projectgebied. Beperken van de omgevingsbeïnvloeding is daarom een cruciaal aspect, wat ook duidelijk tot uiting komt in de 3 toprisico’s die door de opdrachtgever zijn aangegeven bij de start van dit project (zie onderstaand). Al deze risico’s hebben duidelijk een geotechnische component wat betekent dat het geotechnisch ontwerp cruciaal is voor het succesvol realiseren van het project IJboulevard in deze complexe omgeving.

1. Schade aan zinktunnel NZ-lijn

Om schade aan de zinktunnel van de NZ-lijn te voorkomen zijn door de opdrachtgever strikte eisen gesteld aan de toelaatbare verplaatsingen van de zinktunnel. Hieruit volgt dat de maximaal toelaatbare verplaatsingen van de zinktunnel in de orde grootte is van enkele millimeters, waarbij er een relatie tussen de verticale verplaatsing en de horizontale verplaatsing loodrecht op de tunnelas (zie figuur 12). Dit betreft de toelaatbare verplaatsingen door het project IJboulevard gedurende de levensduur van 100 jaar, waarbij verplaatsingen van de zinktunnel door een eventuele aanvaring van de aanvaarbescherming ook moeten worden meegenomen.

Tijdens de uitvoering wordt de zinktunnel continu gemonitord door middel van tiltmeters op de wanden van de tunnelmoten en voegmeters ter plaatse van de voegen tussen de tunnelmoten. Doordat de monitoring 9 maanden voor start uitvoering al is aangebracht is inzicht verkregen in de natuurlijke fluctuatie van de verplaatsingen (onder andere door temperatuur), wat gebruikt is bij de interpretatie van de metingen. Tijdens de uitvoering worden de verplaatsingen door middel van signalerings- en interventiewaarden bewaakt.

2. Schade aan kistdam

De huidige kadeconstructie van het centraal station bestaat uit een kistdam waarop ook de dakspanten voor de overkappingsconstructie van het centraal station zijn aangebracht. Deze dakspanten zijn gevoelig voor verplaatsingen, waardoor de opdrachtgever als eis heeft gesteld dat de maximaal toegestane horizontale / verticale verplaatsing van de kistdam door het project IJboulevard maximaal 50 / 30mm mag bedragen gedurende de levensduur van 100 jaar. Aanvullend is gesteld dat de maximale verschilverplaatsing tussen 2 dakspanten maximaal 10mm mag zijn.

De kistdam wordt tijdens de uitvoering continu gemonitord met behulp van tiltmeters die ter plaatse van elk kapspant zijn aangebracht. Ook hier worden de verplaatsingen tijdens de uitvoering met behulp van signalerings- en interventiewaarden bewaakt.

3. Obstakels in de ondergrond

Het is bekend dat er veel oude (houten) funderingen aanwezig zijn in het IJ en dat deze niet allemaal op tekening staan. Dit kan problemen geven bij het aanbrengen van de palen waardoor hier rekening mee moet worden gehouden in het ontwerp.

ONTWERP

In dit hoofdstuk wordt de aanpak van het geotechnisch ontwerp behandeld. Het begint met de toelichting van een aantal strategische keuzes die in een vroeg stadium zijn gemaakt, waarna wordt ingezoomd op het ontwerp van de fietsenstalling en de aanvaarbescherming. Vervolgens wordt nog het aspect omgevingsbeinvloeding behandeld, waarna wordt afgesloten met de conclusie.

Strategische keuzes

Om de hiervoor genoemde risico’s optimaal te kunnen beheersen, zijn in de prekwalificatie fase (dus nog voordat werd gestart met ontwerpen) al twee strategische keuzes gemaakt. Hierdoor was er vanaf het begin van de tenderfase al een duidelijke oplossingsrichting, wat een duidelijke structuur bracht en rust gaf in het verdere ontwerpproces.

1. Geen constructieve koppeling tussen fietsenstalling en aanvaarbescherming

De aanvaarbescherming wordt constructief los gehouden van de fietsenstalling. De ruimte tussen beide constructies is daarbij zodanig gekozen dat in het geval van een aanvaring de fietsenstalling niet wordt geraakt. Dit leidt tot een duidelijke krachtsafdracht en bovendien is de constructieve veiligheid van de fietsenstalling in het geval van een aanvaring hiermee ook gewaarborgd. Op maaiveldniveau is uiteraard wel sprake van een doorgaande boulevard, maar in de detaillering is er rekening mee gehouden dat het bordes dat op de aanvaarbescherming ligt onder de trap door verplaatst bij een aanvaring.

2. Overkluizing over zinktunnel NZ-lijn

Om het risico op schade aan de zinktunnel van de NZ-lijn te minimaliseren, wordt ter plaatse van de zinktunnel een overkluizing aangebracht. Dit betreft zowel een overkluizing van de fietsenstalling als van de aanvaarbescherming (hoe dit wordt gerealiseerd wordt in de volgende paragrafen nader toegelicht).

Fietsenstalling

De fietsenstalling bestaat uit 3 betonnen tunnelelementen die op een externe locatie worden voorgebouwd en op de projectlocatie worden afgezonken. De tunnelelementen worden daarbij gefundeerd op TVSi-palen (geschroefd systeem met permanente stalen buis). Onderstaand de belangrijkste ontwerpkeuzes die hebben bijgedragen aan het beheersen van de eerder genoemde toprisico’s.

• Er is bewust gekozen voor 3 tunnelelementen zodat 1 tunnelelement de zinktunnel van de NZ-lijn overkluist. De tunnelelementen zijn daarbij ongeveer allemaal even lang (vanuit logistiek oogpunt wenselijk), waardoor de palen voor het funderen van de fietsenstalling op relatief grote afstand van de zinktunnel worden aangebracht (afstand zijkant zinktunnel tot paal ca. 18m). Dit is gunstig voor de verplaatsingen van de zinktunnel.

 

• Bij het ontwerp van de tunnelelementen is het neerwaartse gewicht dusdanig gebalanceerd met de opwaartse waterdruk, dat de funderingsdruk in de BGT (zonder variabele belasting) ca. 1kPa bedraagt. Deze beperkte funderingsdruk zorgt er voor dat de invloed op zowel de kistdam als de zinktunnel beperkt is. Een ander voordeel van deze beperkte funderingsdruk is dat het hiermee het paalontwerp wordt geoptimaliseerd.

 

• Voor het paalontwerp is uitgegaan van relatief weinig palen met een vrije grote hart-op-hart afstand. Consequentie is dan wel dat de diameter relatief fors is en de palen relatief lang zijn (TVSi Ø965/1067 tot NAP -38,5m). Hier is voor gekozen vanwege onderstaande redenen:

 

Minder palen:

• Minder palen aanbrengen betekent dat er ook minder kans is op het raken van obstakels in de ondergrond. Bijkomend voordeel is dat het complexe paalkopdetail dat onder water dient te worden gerealiseerd, minder vaak hoeft te worden aangebracht.
• Door de grotere hart-op-hart tussen de palen is er ruimte ontstaan om flexibiliteitszones in de vloer van de betonnen tunnelelementen op te nemen. Dit zijn zones waarbinnen de palen moeten worden aangebracht en waar met wapenen van de vloer rekening mee is gehouden. Dit geeft de uitvoering de mogelijkheid om uit te wijken naar een andere paalpositie indien een obstakel aanwezig blijkt te zijn. Zie onderstaande figuur waarin voor verschillende paalnummers de flexibiliteitszones zijn weergegeven waar de palen kunnen worden aangebracht (de oorspronkelijke paalpositie en de alternatieve locaties A t/m D). Dit voorkomt stilstand tijdens de uitvoering en een aangepaste ontwerpoplossing die door site-engineering moeten worden opgepakt.

 

Naast bovenstaande zal, voorafgaand aan het aanbrengen van elke paal, worden voorgeprikt om te kijken of er zich obstakels in de ondergrond bevinden. Hiermee wordt het risico op het raken van obstakels nog verder verkleind. Tijdens het aanbrengen van de palen van de fietsenstalling zijn in totaal 6 van de 72 palen op flexibiliteitsposities aangebracht als gevolg van obstakels in de ondergrond die zijn gedetecteerd met het voorprikken.

Grote diameter / lange palen:

• Uit de sonderingen volgt dat er van ca. NAP -17m tot NAP -28m weliswaar een zandlaag aanwezig is, maar dat deze conusweerstanden in deze laag beperkt zijn (gemiddeld ca. 5MPa). Het geotechnisch draagvermogen van de palen bij een fundatie in deze zandlaag is daarmee relatief beperkt, waardoor het noodzakelijk is om de palen door te zetten tot in de daaronder gelegen laag Eemklei. Doordat de conusweerstand in de Eemklei nagenoeg constant is, is het wenselijk om de palen zo diep mogelijk aan te brengen.

In overleg met uitvoering is daarom de grens opgezocht van maximale lengte wat geresulteerd heeft in een paalpuntniveau van NAP -38,5m. Opgemerkt wordt dat voorafgaand aan de uitvoering de installeerbaarheid van deze palen is aangetoond met behulp van een paalproef op locatie.

Aanvaarbescherming

De aanvaarbescherming bestaat uit een stijve betonnen ligger (afmeting: ca. 4,8 x 1,2m) die wordt gefundeerd op open stalen buispalen die schroevend op diepte worden gebracht. Deze palen hebben een diameter van 1220 / 1420mm en een paalpuntniveau van NAP -28,0m. Ter plaatse van de overkluizing van de zinktunnel wordt een stalen vakwerkligger toegepast met een lengte van ca. 35m. Zowel de betonnen ligger als de vakwerkligger worden grotendeels onder water aangebracht, zodat deze niet zichtbaar zijn voor de gebruiker. Onderstaand de belangrijkste ontwerpkeuzes die hebben bijgedragen aan het beheersen van de eerder genoemde toprisico’s.

• Als paaltype is gekozen voor open stalen buispalen. Deze hebben als voordeel dat deze veel minder grondverdringing hebben dan de TVSi-palen van de fietsenstalling. Hierdoor is het mogelijk om de palen dichter op de zinktunnel aan te brengen zonder dat dit leidt tot significante verplaatsingen van de zinktunnel (de afstand van zijkant zinktunnel bedraagt bij de aanvaarbescherming ca. 11m, terwijl dit bij de fietsenstalling ca. 18m is). Dit heeft er in geresulteerd dat de overspanning van de vakwerkligger relatief beperkt is.

• De betonnen ligger en de vakwerkligger worden momentvast met elkaar verbonden. Hierdoor ontstaat een zeer stijf gedrag in langsrichting waardoor een groot gedeelte van de aanvaarbescherming wordt geactiveerd bij een aanvaring. Zie onderstaande figuur waarin de horizontale verplaatsingen van de bovenkant van de palen is weergegeven bij een aanvaring ter plaatse van aansluiting van de betonnen ligger met de vakwerkligger. Door deze herverdeling is de horizontale verplaatsing op de locatie van de aanvaring relatief beperkt, wat een positief effect heeft op de verplaatsingen van de zinktunnel.

Omgevingsbeinvloeding

Om te bepalen wat de impact is van het project IJboulevard op de verplaatsingen van de kistdam en de NZ-lijn is een model opgesteld in Plaxis 3D, waarin zowel de kistdam als de zinktunnel zijn gemodelleerd.

In dit model is beschouwd wat de verplaatsingen zijn van de zinktunnel en de kistdam ten gevolge van het project IJboulevard. Daarbij is onderscheid gemaakt in onderstaande aspecten:

Paalinstallatie

Dit is gemodelleerd door de palen (die voor dit aspect als volume element zijn gemodelleerd) in het model een opspanning mee te geven. Opgemerkt wordt dat voorafgaand aan de uitvoering een paalproef is uitgevoerd om te verifiëren of de verplaatsingen op basis van het Plaxis 3D-model overeenkomen met de gemeten verplaatsingen. Conclusie hiervan was dit het geval is.

Verticale paalbelastingen

Voor dit aspect zijn de palen als embedded beams gemodelleerd, waarbij het last-zakkings gedrag is gefit op de veerkarakteristiek dit volgt uit het paalontwerp.

Aanvaring

Het effect van een aanvaring is gemodelleerd door de palen van de aanvaarbescherming een opgelegde verplaatsing te geven die volgt uit de berekening van de aanvaarbescherming zelf. Deze is ontworpen met een niet-lineaire berekening waarin naast het plastisch gedrag van de grond en het staal, ook de demping van de grond is meegenomen.

Voor elk van deze 3 aspecten zijn de verplaatsingen van zowel de kistdam als de zinktunnel bepaald. Als voorbeeld zijn in onderstaande figuur de horizontale verplaatsingen loodrecht op de tunnelas van de zinktunnel weergegeven ten gevolge van paalinstallatie.

Door de bijdragen van elk van deze aspecten bij elkaar op de tellen, krijg je de totaal te verwachten verplaatsingen (deze zijn weergegeven in onderstaande figuren). In de tenderfase is een uitgebreide gevoeligheidsanalyse uitgevoerd van de te verwachten verplaatsingen. Hierin zijn niet alleen de grondparameters gevarieerd, maar ook de modelleringswijze. Dit heeft geresulteerd in de onder- en bovengrens die zijn weergegeven met de oranje bolletjes. In het DO is het model vervolgens verder uitgewerkt wat heeft geresulteerd tot de verplaatsingen die zijn weergegeven met het blauwe bolletjes. Hieruit volgt dat het ontwerp ruimschoots voldoet aan de contracteisen ten aanzien van de toegestane verplaatsingen van zowel de kistdam als de zinktunnel.

CONCLUSIE

Met de in dit hoofdstuk besproken ontwerpkeuzes zijn de toprisico’s bij dit project goed beheerst, wat heeft geresulteerd in beperkte te verwachten verplaatsingen van zowel de zinktunnel als de kistdam (deze voldoen ruimschoots aan de contracteisen). Op basis van ervaringen bij andere projecten en doordat in de tenderfase al een uitgebreide gevoeligheidsanalyse van het Plaxis 3D-model is uitgevoerd, is in de tenderfase daarom een aanvullende ontwerpmarge van 60% / 70% aangeboden op de contracteis voor de verplaatsingen van de zinktunnel / kistdam (zie figuren 12 en 13). Dit is door de opdrachtgever als waardevol ervaren bij de beoordeling.

Opgemerkt wordt dat op het moment van schrijven van dit artikel alle palen van de fietsenstalling zijn aangebracht. De opgetreden verplaatsingen van de zinktunnel en de kistdam zijn daarbij lager dan op basis van het Plaxis 3D-model was voorspeld. Dit geeft vertrouwen voor de volgende uitvoeringsstappen van het project.