In opdracht van ingenieursbureau MH Poly Consultants & Engineers heeft Nicholas Brokaar voor zijn afstuderen aan de HZ University of Applied Sciences zich verdiept in technieken voor het aansluiten van het laatste tunnelelement van een zinktunnel: de sluitvoeg. Zijn doel was om te bepalen welke techniek het meest geschikt is voor de nieuw te bouwen Fraser River Tunnel in Vancouver, Canada. Dit infrastructuurproject behoort tot de meest uitdagende projecten van dit moment.

Een sluitvoeg in een afgezonken tunnel is het sluitstuk en een belangrijk element van de constructie dat ervoor zorgt dat de laatste tunnelelementen nauwkeurig en waterdicht kunnen worden verbonden. Een sluitvoeg speelt een cruciale rol in het voltooien van een zinktunnelconstructie. Ze moet niet alleen waterdicht zijn, maar ook eenvoudig aan te brengen en bestand tegen krachten die op de tunnel inwerken. Brokaar richtte zich in zijn studie op het analyseren en evalueren van de meest optimale sluitvoegtechniek, ook wel closure joint technique genoemd.

Er zijn vijf technieken sluitvoegtechnieken onderzocht, die elk voor- en nadelen kennen:

1. Stalen bekisting met onderwaterbeton
   De oudste methode maakt gebruik van een gelaste stalen bekisting rondom de ruimte tussen de laatste twee tunnelelementen, waarna er onderwaterbeton wordt gestort om de tunnelelementen aan elkaar te verbinden. Deze methode is voornamelijk toegepast bij tunnels met een stalen mantel, zoals de Monitor Merrimac Memorial Bridge Tunnel.
2. In-situ betontechniek
   Deze techniek maakt gebruik van hydrostatische krachten om stalen panelen waterdicht rondom de ruimte tussen de laatste twee tunnelelementen te bevestigen, waardoor het laatste deel van de tunnel van binnenuit kan worden gebouwd. Deze techniek is recent nog toegepast bij de Maasdeltatunnel als onderdeel van de Blankenburgverbinding.
3. Droge sluitvoegtechniek
   Een innovatieve methode om de tunnel te completeren is de zogenaamde ‘droge sluitvoegtechniek’. Deze is gebruikt bij de Roertunnel in de A73 bij Roermond. Hierbij wordt een waterkerende kraag gebouwd rond het einde van het laatste tunnelelement, zodat de rest van de tunnel in een droge omgeving kan worden voltooid.
4. Joint house-methode
   Een vooruitstrevende techniek is de joint house-methode. Hierbij wordt een groter tunnelsegment, het joint house, gebouwd ter plaatse van het landhoofd. Vervolgens wordt een kleiner tunneldeel, the terminal block, vanuit het joint house tegen het laatste tunnelelement geduwd. Deze techniek is gebruikt bij de Söderström Tunnel in Stockholm.
5. V-vormige tunnelsectie
   De laatste onderzochte sluitvoegtechniek is het gebruik van een V-vormige tunnelsectie die tussen de laatste twee tunnelelementen wordt geplaatst. Deze techniek maakt gebruik van onder druk gekoppelde of met vijzels geplaatste pakkingen om de sluitvoeg af te dichten. Deze techniek is toegepast bij de Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge-Tunnel.

Beoordeling en vergelijking van technieken

Om de beste sluitvoegtechniek voor het Fraser River Tunnel Project te bepalen, is een uitgebreide evaluatie uitgevoerd op basis van een zelf ontwikkeld binair en op percentages gebaseerd scoresysteem. Hierbij zijn de technieken vergeleken op basis van hun impact op milieu-, economische en sociale aspecten, waarbij factoren zoals stromingen, sedimentatie, bouwcomplexiteit, materiaalkosten, veiligheidsrisico’s en structurele integriteit in aanmerking zijn genomen.

De keuze voor de juiste sluitvoeg is een complexe aangelegenheid. Om dit proces te vergemakkelijken, heeft Brokaar een beslisboom ontwikkeld. Deze beslisboom helpt bij het bepalen van de optimale sluitvoegtechniek voor zowel het Fraser River Tunnel Project als toekomstige tunnelprojecten.

De verschillende technieken zijn geanalyseerd op basis van eerder afgeronde tunnelprojecten en vergeleken met de huidige situatie van de te bouwen Fraser River Tunnel. Hoewel de situaties en omstandigheden niet volledig overeenkomen, hebben deze analyses waardevolle inzichten opgeleverd.

• De stalen bekisting met onderwaterbeton (1) en in-situ betontechniek (2) brengen aanzienlijke risico’s met zich mee, zoals duiken in risicovolle omstandigheden en werken in afgesloten, krappe ruimtes. Vanwege de beperkingen van deze methoden is gezocht naar een nieuwe benadering die de veiligheid verbetert en de bouwtijd verkort.
• Dit leidde tot de overweging van de droge sluitvoegtechniek (3), die de veiligheidsrisico’s aanzienlijk vermindert. Alleen is de implementatie ervan in diep water complex en vereist dit meer afstemming tussen de verschillende projectfasen.
• Vervolgens is er gekeken naar de joint house-methode (4). Deze techniek heeft een geavanceerd afdichtingssysteem en vereist extra constructiewerk, maar zorgt wel voor een nauwkeurig aansluitproces.
• Tot slot is de V-vormige tunnelsectie (5) overwogen. Deze heeft als voordeel dat de tunnel vrijwel direct na installatie operationeel is. Nadeel kan zijn dat het gebruik van een zware kraan voor de installatie hierbij noodzakelijk is.

Conclusie: optimalisatie van sluitvoegtechnieken

De V-vormige tunnelsectie kwam als beste keuze uit de bus voor de meeste projectscenario’s. In projecten met ruimtelijke beperkingen is deze techniek niet mogelijk en blijkt de droge sluitvoeg een meer haalbare optie.

Hoewel de V-vormige tunnelsectie vaak de beste resultaten oplevert, bestaat er geen one-size-fits-all oplossing. Elk project heeft unieke omstandigheden, zoals ruimtelijke beperkingen en de locatie van de bouwkuip, die van invloed zijn op de uiteindelijke keuze van de techniek. In situaties met beperkte ruimte is onderzocht of het mogelijk is om het V-vormige tunnelelement te laten drijven en te installeren met standaard tunnelmaterieel. Hoewel dit theoretisch haalbaar is, vraagt deze methode om extra onderzoek naar de afdichtingsmechanismen, zoals pakkingen die met vijzels zijn geplaatst, om de risico’s te verminderen. De afdichting zou namelijk onder druk kunnen komen te staan door de structurele ondersteuningscondities van het element.

De aangepaste methode met een V-vormig tunnelelement kan tijd besparen doordat de aansluitconstructies tegelijkertijd met de rest van de tunnel opgeleverd kunnen worden, al is er wel tijdelijke opslag van het V-element nodig totdat het geïnstalleerd kan worden. De conclusie is dan ook dat een drijvende V-vormige tunnelsectie het best aansluit bij het Fraser River Tunnel Project, maar dat er wel optimalisaties doorgevoerd moeten worden op basis van de unieke omgevingsfactoren.