Een reuzensprong voor ondergrondse bouwtechnologie

Geschat wordt dat de reparaties aan de ondergrondse infrastructuur in Nederland jaarlijks ongeveer 1 miljard euro bedragen, wanneer indirecte kosten zoals bovengrondse verstoring worden meegerekend. Dit alles betekent dat ondergronds bouwen in veel toepassingen te vaak als laatste redmiddel wordt beschouwd, ook al is de behoefte eraan door de snelle groei van de stedelijke bevolking nog nooit zo groot geweest. 

hyperTunnel

hyperTunnel heeft een radicaal ander, slim en schaalbaar systeem bedacht voor de bouw, uitbreiding, reparatie en het onderhoud van ondergrondse constructies. Het belooft de sector te transformeren door doorlooptijden, kosten, risico’s en milieueffecten drastisch te verminderen. Als dat te mooi klinkt om waar te zijn, moet worden opgemerkt dat de methode van hyperTunnel technieken en technologieën combineert die zich al hebben bewezen in andere innovatierijke industrieën zoals de Formule 1, mijnbouw, olie & gas, chemie en landmeetkunde. Voorgezeten door Mark Carne CBE, het voormalige hoofd van Network Rail, de Britse nationale instantie voor spoorweginfrastructuur, en met een groot aantal zwaargewichten uit de industrie onder zijn leiderschapsteam, heeft de aanpak van hyperTunnel al genoeg indruk gemaakt op deskundigen om talrijke prijzen en de financiële steun van Vinci, Network Rail en MBCC Group in de wacht te slepen.  

Hoe werkt het?

In tegenstelling tot traditionele ondergrondse bouwmethoden wordt bij de hyperTunnel een volledige tunnel of andere structuur in de grond gecreëerd voordat er wordt gegraven of een mens de grond betreedt. Digital twinning, kunstmatige intelligentie (AI), machine learning en zwermrobotica vormen de kern van de aanpak.
In plaats van een cilindrische boormachine van 2000 ton of boor- en blaastechnieken te gebruiken om door de aarde te duwen, wordt een eenvoudige installatie voor horizontaal gestuurd boren (HDD) van 80 ton gebruikt om over de hele lengte van de structuur te boren, eerst om geologische monsters te nemen en vervolgens om een netwerk van HDPE-buizen te installeren. De boorkop wordt met uitzonderlijk hoge positienauwkeurigheid geleid met behulp van technieken uit de olie- en gasindustrie.
Zodra de buizen zijn aangebracht, vormen zij de toegangswegen voor een zwerm multifunctionele robots die de constructie in de grond 3D-printen. Deze semi-autonome ‘hyperBots’ voeren een breed scala aan taken uit, waaronder boren, kamers insnijden, micro-cement mengen, kamers vullen en stabiliserend materiaal in de omringende geologie aanbrengen. Elke hyperBot kan een 20-liter cartridge met industriële chemicaliën dragen en honderden of zelfs duizenden van hen kunnen tegelijkertijd op verschillende locaties werken, waardoor de bouwtijd tot 70 procent wordt verkort. Zodra het omhulsel is geplaatst, wordt de geologie erin verstoord en het puin verwijderd met een op afstand bediende graafmachine. Vervolgens kan er een doorlopende betonlaag op worden gespoten en kan de constructie, indien nodig, worden voltooid met aangepaste bekledingen. In secundaire boorpijpen kunnen vervolgens bewakingstechnologieën worden ondergebracht die het onderhoud en de veiligheid op lange termijn verbeteren. 

Geologische beoordeling

Om de radicale methode van hyperTunnel mogelijk te maken, is een kennisniveau van de geologie nodig dat nog niet eerder beschikbaar was bij ondergrondse bouw. Naast kernmonsters, aangevuld met standaard informatiebronnen, worden aanvullende gegevens verzameld door een eigen 3D-grondradarsysteem (GPR) langs de buizen te laten lopen. De hyperTunnel-methode voor het verzamelen van GPR-gegevens heeft een aanzienlijk betere resolutie en betrouwbaarheid dan traditionele technieken. De resolutie wordt verhoogd door nauwkeurige en fijnmazige bemonstering met stapfrequentie of meerdere gepulseerde frequenties. Om de visualisatie verder te verbeteren, kunnen seismische, tomografische en thermische beeldgegevens ook worden samengevoegd. Deze verschillende informatielagen worden verwerkt in een volledig geparametriseerd 3D-model – een digitale tweeling – van de structuur en de geologie eromheen, aangevuld met BIM. Met behulp van virtual reality (VR) en augmented reality (AR) technologie is het mogelijk om een virtuele wandeling te maken door de digital twin op een computerscherm.
In tegenstelling tot de gebruikelijke praktijk om verticale boorgaten te plaatsen langs het geplande traject van een tunnel met een tussenafstand van 500 meter – een afstand waarover de geologie kan veranderen – zorgt deze aanpak voor een volledig geologisch beeld, waardoor de onzekerheid wordt weggenomen die projecten blootstelt aan onverwachte moeilijkheden en vertragingen tijdens de bouw. Live feedback kan worden gebruikt om de implementatiestrategie in realtime aan te passen, zodat het composietmateriaal dat wordt gebruikt om de structuur te printen altijd voldoende volume en structurele sterkte heeft om centimeter voor centimeter te passen bij de omringende geologie.

Beter onderhoud en toezicht

De gegevens die worden verzameld om de digitale tweeling te vormen (gelogd met behulp van blockchain-encryptie) dienen ook een andere belangrijke functie als een ‘single truth’ database van constructiedetails. Dit verbetert het onderhoud en beheer van de activa gedurende de levensduur van de constructie. Via AR en VR kunnen ingenieurs niet alleen de constructie en de omliggende grond zien, maar ook de exacte locatie van verborgen servicevoorzieningen zoals kabels en draden, waardoor toekomstige werkzaamheden sneller verlopen doordat tijdrovende onderzoeken niet meer nodig zijn. hyperTunnel heeft ook mogelijkheden voor bestaande infrastructuur, zoals onderhoud, monitoring en reparatie. De methode kan worden gebruikt om de grond rond een structuur te ‘fixeren’, bijvoorbeeld om het binnendringen van water tegen te gaan of een helling te stabiliseren. Dit kan voorkomen dat reparaties aan de structuur zelf moeten worden uitgevoerd.
Omdat onderhouds- en reparatiewerkzaamheden worden uitgevoerd door robots, die via geïnstalleerde leidingen op afstand toegang krijgen tot de tunnel of structuur, hoeven wegen of spoorwegen in veel gevallen niet te worden afgesloten. Het is een ideale oplossing voor wanneer directe toegang van bovenaf niet mogelijk of wenselijk is, zoals vaak het geval is op stedelijke locaties of onder bestaande activa. Het bedrijf won onlangs een contract om samen te werken met Network Rail aan oplossingen voor niet-verstorende reparaties en onderhoud van 650 negentiense-eeuwse tunnels in het Britse spoorwegnet.

Voordelen hyperTunnel

hyperTunnel is ontstaan uit de wens van de oprichters om getijdenenergie levensvatbaarder te maken door de kostenbarrière van tunnels op te heffen. Door de verschuiving naar ondergronds bouwen te katalyseren, zal het ook helpen de reistijden te verkorten en andere soorten dringende groene projecten te vergemakkelijken, terwijl de reparatie- en controlemogelijkheden die het biedt de levensduur van ondergrondse activa en infrastructuur zullen verlengen.
De hyperTunnel-methode zelf heeft ook grote milieuvoordelen. Er zijn minder water en grondstoffen nodig, de lucht wordt minder vervuild en het elektriciteitsverbruik wordt gehalveerd. De digitale tweeling berekent vooraf de koolstofvoetafdruk van een project en optimaliseert de efficiëntie zodat er tot 50 procent minder materiaal wordt verspild dan met conventionele methoden. Werkplaatsen zijn kleiner en gemakkelijker in te richten in bebouwde omgevingen en het afval is niet verontreinigd en dus gemakkelijker te recyclen. De invoering van de nieuwe methoden van de hyperTunnel zal ook het gebruik van beton in ondergrondse constructies veranderen. Er zal minder beton nodig zijn en het zal de ontwikkeling bevorderen van een nieuwe generatie duurzamere, koolstofarme oplossingen in beton en injectiematerialen. Omdat de hyperTunnel-methode schaalbaar is, biedt zij voordelen, ongeacht het doel en de omvang van de constructie. Op kortere termijn verwacht het bedrijf echter te beginnen met tunnels op kleinere schaal, dwarsverbindingen en reparaties. Het voert al serieuze gesprekken met een aantal bouwbedrijven en projectleiders in de VS, Canada, India, Japan, het Midden-Oosten en het Verenigd Koninkrijk. HyperTunnel verwacht dat zijn IP-beschermde systeem op termijn een kernonderdeel wordt van de werkwijze van ‘s werelds grootste tunnelbouwers en -onderhoudsbedrijven.

Patrick Lane-Nott is director of engineering bij hyperTunnel.

Dit artikel is eerder gepubliceerd in Land+Water 12-2022. Nog geen abonnee? Klik hier!