Ingeniørernes udfordring for Femern-tunnel: Må kun synke 10 centimeter på 120 år

Den sænketunnel, der fra 2021 forbinder Danmark med Tyskland, bliver delvist anlagt på et lerlag, der som en svamp enten suger eller afgiver vand afhængig af det tryk, jordlaget udsættes for. Det lerlag udgør en af projektets største tekniske udfordringer, for tunnelen må kun sætte sig op til 10 centimeter i løbet af dens levetid på 120 år. Det er langt mindre end de knapt 70 centimeter, som den gamle Lillebæltsbro har sat sig.

Da broen over Lillebælt blev indviet i 1935, vidste ingeniørerne godt, at den ville sætte sig, for de anlagde den på palæogent, dvs. plastisk, ler. Derfor tog dens design højde for, at den ville sætte sig.

Alligevel har leret under Lillebæltsbroens piller vist sig ikke at have den beregnede og forventede styrke, så for at modvirke risiko for yderligere sætning, skal broens ejere nu i gang med en 120 millioner kroner dyr redningsaktion.

En så ubehagelig overraskelse vil ejerne af den kommende Femerntunnel, der også delvist bliver anlagt på det problematiske palæogene ler, ikke få. Det skal sænketunnelens entreprenørerne sørge for.

Sveller og synker sammen

»Selv om lerlaget i Femernbælt er foldet lidt mere end i Lillebælt, er det så godt som identisk. Det har den meget plastiske karakter, som gør, at det tager utroligt lang tid at trykke vandet ud af porerne. Det er en svamp, der er så tæt, at vandet næsten ikke kan komme ud af den,« forklarer kontraktdirektør Kim Smedegaard Andersen, Femern A/S.

Samtidig har det palæogene ler ved Femern også en bentonit-agtig karakter og svulmer, når det får vand. Typisk bliver bentonit brugt til tætning, fordi det – med et fagudtryk – sveller.

Svellende ler er hårdt sammenpresset med begrænset væskeindhold. Men når det bliver aflastet og får adgang til vand under anlægsarbejder, suger den væske og øger volumen.

Hvis leren derefter bliver belastet med for eksempel en pæl eller betonkonstruktion, synker den sammen igen. Den slags hævninger og sætninger medfører alvorlige skader på konstruktioner som en sænketunnel, hvis der ikke bliver taget højde for lerets bevægelser i designfasen.

Differenssætning

Så mens sænketunnelen under Femernbælt på langt den største del af den 19 kilometer lange strækning ikke har problemer med bundforholdene, kommer udfordringen på Femern-siden, mest udtalt i overgangen mellem sænketunnelelementerne og portalen:

»Det er den, fordi vi går fra en tung opfyldning ved portalen, der over tid vil sætte sig, til elementer med et meget beskedent tryk på havbunden. Elementerne kommer jo flydende og bliver så belastet med et tilstrækkeligt tryk, til at de bliver dernede under alle forhold,« fortæller Kim Smedegaard Andersen.

»Mellem portalen og elementerne kan man få differenssætninger, hvis noget sætter sig mere end andet. Dét er vores store udfordring,« fastslår han.

I sidste ende er det entreprenøren, der skal komme med den teknisk bedste løsning på, hvordan differenssætninger modvirkes. Men sammen med Norsk Geoteknisk Institutt har Femern A/S siden 2009 analyseret jordarterne i et særligt prøvefelt en kilometer ud for den tyske kyst og gennemført storskalaforsøg, hvor jordens bevægelser er blevet målt under forskellige belastningsforhold.

Undersøgelserne var koncentreret om at belyse, hvordan bærende konstruktionsdele ville spille sammen med underbunden. Resultaterne har givet viden om, hvordan jordbunden hæver og sætter sig, og om, hvor stor bæreevnekapacitet man kan regne med ved fundering af pæle og jordankre. Resultaterne var også med til at afgøre, at Femern Bælt ikke skulle krydses af skråstagsbro, for hvilken det palæogene ler ville have været endnu mere problematisk.

»Gennem dette fuldskalaforsøg fandt vi ud, hvordan leret reagerer og sammenlignet med eksisterende projekter i Fehmarnsund, på havneområdet i Puttgarden og i Lillebælt. Og så har vi kalibreret og lavet modeller, som udgør en del af udbudsmaterialet,« fortæller Kim Smedegaard Andersen.

Pæle skal forsinke sætningerne

Femern valgte at samarbejde med NGI på grund af instituttets erfaring fra pæleprojektet ‘Time effects on pile capacity’, hvor det vist sig at pæle kan øge deres bæreevne med 10 til 50 procent i løbet af to år og med 50 til 100 procent på ti år.

Og en løsning til at modvirke sætning er at bore omkring 20 meter lange pæle ned ved portalbygningen. Det begrænser og forsinker sætningerne:

»Vores mål er inden for projektets levetid på 120 år at holde sætningerne inden for 10 cm. Det er håndterbart med kendt teknologi,« vurderer Kim Smedegaard Andersen.

Derefter vil sætningerne fortsætte, men aftage væsentligt, erkender han. Men overgangen bliver glidende:

»Vi lægger jord oven på portalbygningen, så sætningerne ikke sker i spring.«

Det foregår ved, at man et sted ude under sænketunnelen har balancepunkt og et sted inde på land har de maksimale sætninger, hvor man vil forsinke det. Så kan man i sit design ved hjælp af belastning fra jordpåfyldningen lave en gradvis overgang for sætningerne langs linjeføringen i en sætningsberegning.

»Det er hele den designopgave, som entreprenøren skal komme med forslag til at løse. Og pælene er bare en af metoderne. Men kendskabet til jorden og viden om, hvordan den opfører sig, er alfa og omega,« fastslår Kim Smedegaard Andersen.