Bijzondere belastingen in tunnels

Abstract

Verkeerstunnels en overkapte wegen (landtunnels) komen de milieukundige en stedenbouwkundige inpassing ten goede en maken meervoudig ruimtegebruik in de stad mogelijk. Het aantal tunnels en overkappingen groeit dan ook. Dit maakt het vervoer van explosiegevaarlijke stoffen en onder hoge druk vervoerde gassen steeds moeilijker, want tankwagens met deze stoffen mogen als regel niet door tunnels. Met dit verbod sluit de overheid de risico’s van een explosie in een tunnel uit. Maar het verbod is er voor de zekerheid, want over de exacte gevolgen van een explosie in een tunnel is onvoldoende bekend. Om nadere uitspraken te kunnen doen over hoe gerechtvaardigd dit verbod is, is meer kennis vereist over een explosie in een tunnel. Welke belastingen treden op? Hoe reageert de tunnel als deze dynamisch wordt belast? Bezwijkt de tunnel door de explosie? En hoe reageert de grond onder de dynamische belastingen die de tunnel doorgeeft? De onderhavige studie richt zich in het bijzonder op de effecten van het optreden van een BLEVE1 in een tunnel. De motivering voor deze keuze is gegeven in de voorstudie van het onderzoek. In het onderzoek komt kennis van verdamping, explosies en de dynamica van constructie en grond samen. Waar mogelijk is gebruik gemaakt van bestaande modellen, waar nodig zijn die aangepast aan nieuwe behoeften en inzichten. Soms bleek het nodig nieuwe modellen te ontwikkelen. Voor de berekening van de krachten die op de constructie werken, waren bij het begin van het onderzoek alleen conservatieve modellen beschikbaar. Berekeningen die hiermee in het onderzoek zijn uitgevoerd leidden tot de verwachting dat een tunnel als gevolg van een BLEVE over een grote lengte bezwijkt. Gedurende het onderzoek werden modellen verfijnd en verbeterd. Met die nieuwe modellen zijn berekeningen gemaakt, waarbij de belasting varieert in zwaarte. De conclusie van die berekeningen aan een tunnelgeometrie die in de praktijk vaak wordt gebruikt, is dat een BLEVE over een lengte van ongeveer veertig meter grote schade aan de tunnelconstructie zal veroorzaken. Op grotere afstand bedraagt de explosiekracht nog ongeveer 100 kPa (1 bar). Sommige (afgezonken) tunnels zijn hier al tegen bestand en zullen die druk dus overleven. De meeste landtunnels zijn hier (nog) niet tegen bestand. Het verbeterde model voor de BLEVE belasting is nog in ontwikkeling: een promovendus van de TU Delft is daar tot eind 2010 mee bezig. Dan zal blijken of de belasting van de tunnel meer overeenkomt met de hoogst gebruikte waarde (in de conservatieve schatting) of meer met de lage waarde. Tussen de hoogste en de laagste waarde zit lokaal een factor 3. Uit dit promotieonderzoek zou dus kunnen blijken dat de belasting gereduceerd wordt tot een niveau waarop geconstrueerd kan worden. Voor berekeningen van de interactie tussen de constructie en de grond is het eindige-elementenpakket LS-DYNA gebruikt. De constructie is hierin geavanceerd gemodelleerd, de bodem eenvoudig. Voor voorspellingen over het tunnelgedrag tijdens de explosie blijkt dit voldoende.