Zweeftunnel tussen Sicilië en het vasteland

overzicht afbeeldingen zweeftunnel

 

Door Erik van Vliet, Practical Solution

Vergelijking tussen een tunnel en een brug

Het grote voordeel van een tunnel onder water ten opzichte van een brug is dat de krachten gegenereerd door zowel het eigen gewicht van de constructie als de krachten gegenereerd door de weggebruikers die werken op de constructie voor een brug vele malen hoger zijn dan voor een tunnel. Onder water weegt alles minder. Daarom zal het materiaalgebruik en dus ook de kosten voor een zwevende tunnel veel lager zijn dan voor een brug op dezelfde locatie.

Een tunnel is ook veel ongevoeliger voor een aardbeving, tsunami of hoge golfslag. Staalkabels vangen de aardschokken op. Uiteraard kan een schip niet tegen een diep zwevende tunnel varen, maar wel tegen een pyloon van een brug. Het idee van de zwevende tunnel is vooral ingegeven door wat er in Italië speelde. Men wilde daar met een brug Sicilië met het vaste land van Italië verbinden. Door de drukke scheepvaart moet de brug heel hoog zijn. Door het bodemreliëf (diepe troggen) moet de overspanning van de brug ook heel groot zijn. Dit maakt dat een brug een zeer dure optie is om die verbinding te realiseren.

Vergelijking tussen een gegraven tunnel en de zwevende tunnel.

Voor de gegraven tunnel moet grond verzet worden en zijn dure boormachines noodzakelijk. Ook is de bouwtijd relatief lang. Bij een afgezonken tunnel is een zeer nauwkeurige afgraving noodzakelijk omdat aansluitende tunnelelementen perfect in lijn moeten liggen ten opzichte van elkaar. Een rotsbodem is tov een zandbodem lastig aan te passen. Het positioneren is ook lastig en duur.

De zwevende tunnel

Een zwevende tunnel bestaat simpel gezegd uit staalkabels waaraan buiselementen gekoppeld kunnen worden. Door verhoging van de trekkracht in deze staalkabels worden de individuele buiselementen met kracht tegen elkaar gedrukt waardoor afdichting kan ontstaan. Deze tunnel wordt gebouwd door tunnelsegmenten vanaf beide oevers te koppelen aan deze kabels en ze naar elkaar toe te schuiven in het water (segmenten op karren plaatsen). Aangezien een zwevende tunnel door de zeestroming van zijn plaats wordt gedrukt is zijwaartse verankering van de buiselementen noodzakelijk. Dit kan met grondankers en staalkabels tussen de ankers en buiselementen worden gerealiseerd.

Na het plaatsen van alle buisdelen en het opvoeren van de trekkrachten in de hangkabels kan de tunnel leeggepompt worden. Hierdoor wil de tunnel gaan opdrijven en zullen de grondankers de tunnel in positie houden. Door actief per (x) tunnelelement(en) het drijfvermogen te vergroten, kan het extra gewicht van zware vrachtwagens als dit nodig is worden gecompenseerd. Een kabel die bovenaan de tunnelbuizen wordt gemonteerd wordt verbonden met zo’n vat lucht. Een andere optie is om een overmaat aan drijfvermogen te creëren. Er zit dan wel veel kracht in de spankabels van de grondankers. Het gewicht van een zware vrachtwagen hoeft dan niet actief te worden gecompenseerd wat het ontwerp van de zwevende tunnel vereenvoudigd.

De zwevende tunnel is op verschillende manieren op te bouwen. De basis van het concept is altijd het spannen van een aantal staalkabels tussen twee oevers. Op deze kabels worden de buiselementen geschoven en aan de kabels gekoppeld. Door deze tegen elkaar te drukken, wordt de tunnel waterdicht. De buisdelen worden vanaf beide oevers naar elkaar toegedrukt.

Doorsnede
 

Uiteraard kun je elk buisdeel ook met 2 vaste flenzen uitvoeren. De gaten in de flenzen moeten dan wel open gehouden worden. Een verende haak zorgt er dan voor dat de beide flenzen van een buisdeel aan de hangkabels/trekkabels gekoppeld blijven. Zulke buisdelen zijn duurder dan het concept met buisdelen en koppelelementen. De verende haak kan ook door duikers in het water bij de oevers vervangen worden door een gekromde plaat die met 2 bouten de spankabels fixeert in de nu afgesloten gaten van de flenzen.

 De buis of ellipselementen kunnen bijvoorbeeld worden uitgevoerd als glasvezelversterkte buis. Door spelen met vezeloriëntatie en laminaatopbouw kunnen buiselementen gecreëerd worden die een juiste buig- druk en torsiesterkte hebben voor goede afdichting. Het voordeel van glasvezel in combinatie met bijvoorbeeld polyesterhars is dat dit materiaal zeer stabiel is en dat de buiselementen licht en handelbaar zijn. Uiteraard kan de zwevende tunnel ook uit betonnen of stalen buiselementen worden opgebouwd.

Vraag1 : is een zwevende tunnel sneller? En goedkoper ?

Het bouwen gaat sneller want de verschillende buisdelen worden door de 4 tussen de oevers gespannen kabels ten opzichte van elkaar gepositioneerd.

De bouw gaat als volgt:

Op oever A liggen 4 rollen met bijvoorbeeld 2 kilometer staalkabel. Op oever A is een betonconstructie gestort waaraan deze kabels kunnen worden bevestigd. Door de gaten in de betonconstructie kunnen de rijgkabels (lees spankabels om de segmenten tegen elkaar aangedrukt te krijgen) doorgevoerd worden. Sleepboten brengen/trekken de kabels naar de andere oever waar de kabels op het land weer aan de betonconstructie worden gekoppeld. Aan deze betonconstructie zitten de spanners die de staalkabels aan kunnen trekken.

Nu kan er vanaf beide oevers begonnen worden met het koppelen van de tunnelbuisdelen aan de 4 kabels. Als de betonconstructies ruim boven het waterniveau is geplaatst en minimaal een tunnelbuislengte van de waterlijn af, is er ruimte om op het droge een tunnelbuiselement tussen 2 flenzen te plaatsen.

Rechts of links van de 4 gespannen draagkabels worden de tunnelbuiselementen via een rollenbaan of kar aangevoerd. Dwars op de aanvoerrollenbaan komt een rollenbaan om de buiselementen tussen de draagkabels het water in te rollen. Hefcilinders zorgen ervoor dat het aangevoerde element los komt van de kar om ze op de andere kar te kunnen plaatsen.

Nu kan het volgende buisdeel via de rollenbanen op de hefplatforms geplaatst worden. De posities van de draagkabels zullen nu enigszins anders zijn doordat nu 1 buisdeel aan de kabels hangt/zweeft. De 4 hefplatforms corrigeren een veranderende kabelpositie. Een voordeel van deze bouwwijze is dat je niet hoeft te wachten op dood tij met het plaatsen van de tunnelelementen.

Het plaatsen van af te zinken tunnelbuiselementen is veel tijdrovender en duurder want er moet een fundatie aangelegd worden waarop de tunnelbuisdelen moeten komen te liggen. Deze fundatie kan alleen bij lage stroomsnelheden nauwkeurig worden gepositioneerd op de bodem. Ook is goed positioneren van aansluitende tunnelbuisdelen alleen mogelijk bij geringe stroomsnelheden. Echter bij een sterk wisselend bodemreliëf is een afzinkbare tunnel geen optie. De enige mogelijkheid is dan een tunnel te graven. Zo’n tunnel is duur en tijdrovend om aan te leggen. De lengte van deze tunnel is ook veel groter dan de zwevende variant. De zwevende variant hoeft slechts zo diep in het water te komen dat de scheepvaart er geen last van heeft.

Als tussen de oevers A en B een breuklijn ligt, zou een zwevende tunnel een aardbeving goed aan kunnen. Een afgezonken tunnel is dan wel gevaarlijk en een brug met grote overspanning ook omdat het wegdek kan gaan opslingeren waardoor schade ontstaat.

 

De aansluiting van de kabels aan de tunnelelementen.

Vaag 2 : Hoe span je de kabels tussen de oevers?

Tussen Denemarken en Zweden ligt de Sontbrug. Deze brug heeft een grote overspanning gekregen in verband met de grote hoeveelheid scheepvaart in de Oostzee. Er moest een grote doorvaarthoogte gecreëerd worden. Om de auto’s en vrachtwagens niet te steil omhoog of omlaag te laten rijden over deze brug is die grote overspanning noodzakelijk.

De Sontbrug is een tuibrug waarbij de wegdelen van de brug hangen aan draagkabels die over de pylonen van de brug getrokken moesten worden. Men is eerst begonnen met het plaatsen van een dunne kabel, met een helikopter. Aan deze dunne kabel zit een steeds dikker wordende kabel vast. Door de kabel telkens door te trekken word uiteindelijk de dikke draagkabel tussen de pylonen gepositioneerd. Op een analoge manier kunnen de draagkabels van de zwevende tunnel van oever A naar oever B worden getrokken.

Waarschijnlijk kan een sleepboot de draagkabel echter direct overvaren. Om de trekkracht van de draagkabel te verminderen als de sleepboot een eind van de oever verwijderd is, kan deze over een drijvend ponton worden getrokken met een diabolowiel of rollenbaan. Een andere optie is om de kabel om de 50 meter van drijflichamen te voorzien. Deze drijflichamen moeten wel van de kabels verwijderd worden voordat de tunnelbuiselementen worden geplaatst.

Door gebruik te maken van rijgkabels is het positioneren van de buiselementen ten opzichte van elkaar veel eenvoudiger. Bij een brug zijn ook draagkabels nodig. Deze moeten echter veel dikker zijn omdat ze het wegdek in de lucht moeten dragen en niet onder water. Bovendien zijn de rijgkabels van de zweeftunnel constructief van belang. Ze dragen de lasten van het verkeer deels, zorgen voor afdichting van de tunnel en zorgen bovendien voor flexibiliteit van de tunnel.

Vraag 3 : Is deze tunnelconstructie haalbaar in stromend water?

Een tunnelbuis is meestal niet rond. Als een zwevende tunnel in snelstromend water geplaatst moet worden is het handig om de tunnelbuis als ellipsvorm uit te voeren. Deze vorm heeft een veel lagere stromingsweerstand dan een ronde tunnelbuis. Door de bredere vorm van de tunnelbuis zullen de rijgkabels verder van elkaar afliggen. Door deze grotere afstand zijn deze kabels ook effectiever in het opnemen van horizontale krachten die ontstaan door het horizontaal stromende water om de tunnelbuis heen. De rijgkabels zullen dus de horizontale stromingskrachten op kunnen nemen en naar de oevers leiden. Bij grote stroomsnelheden kan het noodzakelijk zijn om de tunnel aan de grond te verankeren. Dit is sowieso nodig als je de tunnel gaat leegpompen. Een mogelijkheid hiervoor is om zelf ingravende ankers te gebruiken. Een sleepboot gooit een dergelijk anker op de juiste positie overboord en gaat er hard aan trekken. Het werkt zich dan langzaam in de bodem, waarna het enorme trekkrachten aankan. Het anker kan nu met een staalkabel met een tunnelelement verbonden worden.