De onvoorziene effecten van overdruk in station Delft: onderzoek en oplossingen

05.02.2016
Kort voordat op 28 februari 2015 in Delft de spoortunnel en het nieuwe station in gebruik worden genomen, gebeurt er iets onverwachts. Een passerende testtrein veroorzaakt zodanig hoge luchtdruk dat draaideuren onbedoeld in beweging komen. Het hoe en waarom van dit voorval is vervolgens grondig bestudeerd. Oplossingen, alle een kwestie van maatwerk, zijn intussen in zicht. Voor de wetenschap blijkt de casus Delft een interessante.
 
Ongeveer een jaar geleden kreeg Delft een nieuw station. De in het oog springende stationshal is een van de opbrengsten van de lopende herontwikkeling van de Delftse spoorzone, een binnenstedelijk gebied van circa 24 ha. Deze herontwikkeling is ingegeven door het ondergronds brengen van de spoorweg. Vanaf 2009 wordt gewerkt aan de constructie van vier gescheiden tunnelbuizen, die elk een spoor herbergen. De eerste twee tunnelbuizen zijn in 2015 in gebruik genomen, de derde en vierde buis worden opgeleverd in 2017. De extra capaciteit zal worden benut om meer spoorverkeer op het traject Rotterdam - Den Haag mogelijk te maken, zoals is voorzien in het Programma Hoogfrequent Spoorvervoer (PHS).
 
Station Delft: het gebouw
Station Delft omspant drie niveaus. Vanaf ondergrondse perrons leiden trappen en roltrappen naar een tussenvloer die door (rol)trappen verbonden is met de stationshal op het maaiveld. Op de tussenvloer bevindt zich ook de entree tot een fietsenstalling. De stationshal zelf is geïntegreerd in een gebouw dat als huisvesting van het stadskantoor dient. Architectenbureau Mecanoo ontwierp dit gebouw, inclusief de stationshal met dichte gevel. Benthem Crouwel Architekten bedacht het deel van het station dat zich onder het maaiveld bevindt. Het station is in opdracht van ProRail tot stand gebracht, het gemeentelijk Ontwikkelingsbedrijf Spoorzone Delft (OBS) fungeerde als gedelegeerd opdrachtgever voor het ontwerp en de bouw van de stationshal.
 
Volslagen verrassing
Op 27 februari, een dag voor de indienststelling van de tunnel en het station, blijkt tijdens de laatste testen dat de draaideuren die toegang bieden tot de fietsenstalling gaan draaien als gevolg van luchtdruk: een ongecontroleerde en dus onwenselijke situatie. ‘Een volslagen verrassing’, zegt Ad Broeders, projectmanager namens ProRail. Hij legt uit dat aan de openstelling uiteraard een uitgebreid programma van testen is voorafgegaan, maar dat voor de ultieme praktijkproef slechts weinig tijd is. Nadat tijdens een zesdaagse buitendienststelling van de op een na drukste spoorverbinding in Nederland het nieuwe op het bestaande spoor is aangesloten, moet regulier treinverkeer zo snel mogelijk doorgang vinden. ‘Pas tijdens de laatste testen van spoor- en tunnelsystemen konden de treinen voor het eerst met baanvaksnelheid, 120 km per uur, of zelfs iets harder rijden. Ook lieten we twee treinen tegelijk door de tunnel rijden, wat extra overdruk veroorzaakt. Toen merkten we dat er wat gebeurde met de draaideuren in de fietsenstalling.’ Een alternatief spoor is niet meer voorhanden en het aftellen naar de openstelling is inmiddels begonnen. Er is nog 24 uur te gaan. Om de nieuwe spoorverbinding in gebruik te kunnen nemen, worden de deuren naar de stalling eruit gehaald. ‘We dachten zo de situatie onder controle te hebben. Een enorme operatie is in volle gang en je kunt niet zomaar op de pauzeknop drukken en je rustig achter de oren krabben.’ Vlak voordat het station de volgende ochtend officieel opengaat, doet zich echter hetzelfde verschijnsel voor in de stationshal. Wanneer een lege trein met hoge snelheid door de tunnel rijdt, klappen draaideuren open. Tijdens eerdere testen waren deze nog niet functioneel.
Open deuren
De zogenaamde tourniquetdeuren in de dichte gevel van de stationshal zijn multifunctioneel: ze verschaffen toegang, zorgen voor een tochtvrij station en dienen als vluchtdeuren in het geval van een calamiteit. ‘Als er flinke kracht op de deuren wordt uitgeoefend’, legt Broeders uit, ‘komen ze in een vaanstand te staan zodat mensen gemakkelijk naar buiten kunnen stromen. Dat is precies wat er gebeurde toen de luchtdruk in de stationshal te hoog werd.’
 
In overleg met NS Reizigers wordt nog diezelfde dag de snelheid van het treinverkeer aangepast. Treinen rijden voorlopig met maximaal 80 km per uur de tunnel in. Volgens Broeders heeft dit geen gevolgen voor de dienstregeling van NS Reizigers. Er is alleen wat minder ruimte om bij te sturen, mocht dat nodig zijn. ‘Voor de reizigers is nooit een onveilige situatie ontstaan’, benadrukt hij. Op tijden dat er geen reizigers zijn, wordt nadien een aantal keren de proef op de som genomen door deuren anders af te stellen en treinen met een hogere snelheid te laten rijden. De resultaten zijn niet bevredigend. ‘Na drie weken besloten we ook de draaideuren in de stationshal weg te halen.’ 
 
Check, check, dubbelcheck
Toen eenmaal een stabiele situatie was gecreëerd, hebben ProRail en het Ontwikkelingsbedrijf Spoorzone Delft (OBS), betrokken partijen gevraagd de oorzaken en gevolgen van het teveel aan overdruk te helpen analyseren en aan oplossingen bij te dragen: NS Stations (eigenaar en exploitant van de stationshal), NS Reizigers, architectenbureau Mecanoo (ontwerper stationshal) en DRB (de voor het tunnel- en stationsontwerp verantwoordelijke combinatie van DHV, Benthem Crouwel Architekten en Railinfra Solutions). ‘We hebben de koppen bij elkaar gestoken’, vertelt Isidoor Hermans, de directeur van OBS, ‘en uitgezocht wat er aan de hand is. Zo zijn we nagegaan welke uitgangspunten voor het ontwerp zijn gehanteerd. We hebben oplossingen bedacht en afgesproken welke maatregelen we op korte en welke maatregelen we, voor zover nodig, op langere termijn nemen.’
 
Anders dan vele stations in Nederland is de stationshal van Delft voorzien van een dichte gevel, omwille van het comfort van de gebruikers. Deze keuze voor een ‘gesloten’ station heeft gevolgen, zo blijkt. Een trein die de tunnel inrijdt, duwt lucht voor zich uit. Deze compressiegolf zoekt de weg van de minste weerstand. Hij beweegt zich voort door de tunnel én vindt een makkelijke weg naar boven, waar hij eerst op de scheidingswand tussen het station en de fietsenstalling stuit en vervolgens op de binnenkant van de gevel van de stationshal. Daar is rekening mee gehouden, zegt Hermans. ‘Aan de ontwerpen van het station, zowel boven- als ondergronds, liggen allerlei soorten eisen ten grondslag, waaronder criteria voor luchtdruk. Deze zijn gestoeld op berekeningen met het computersimulatiemodel van prof. Alan Vardy van de universiteit van Dundee, een autoriteit op het gebied van aerodynamica in tunnels. Hij had uitgezocht welke luchtdrukken kunnen gaan optreden.’ Toen het verschijnsel zich openbaarde, is aan Vardy gevraagd de effecten van treinverkeer op de luchtdruk in het station door te rekenen, op basis van uitgebreide testresultaten, om er zeker van te zijn dat de voor de ontwerpen gehanteerde uitgangspunten kloppen. ‘Dat bleek het geval. Om geen enkele twijfel te laten bestaan, hebben we Bert Blocken, hoogleraar stedenbouwfysica aan de TU Eindhoven en de KU Leuven, vervolgens verzocht de modelresultaten van Vardy te valideren. Een second opinion.’ Blockens toetsing bevestigt de betrouwbaarheid van de gebruikte gegevens. ‘De opgetreden luchtdruk is niet wezenlijk hoger dan was voorspeld.’ Blocken is ook in de arm genomen om het voorgestelde pakket van maatregelen tegen het licht te houden (zie kader). 
 
Uniek bouwwerk
Achteraf gezien is het duidelijk dat in de ontwerpen rekening is gehouden met een belasting die ontstaat wanneer treinen met 140 km per uur door de tunnel rijden. De dynamische componenten zoals draai- en vluchtdeuren, rookschermen en ventilatiesystemen bleken echter niet tegen een sterke compressiegolf bestand.
Broeders: ‘Station Delft is een uniek bouwwerk is.’ Een spoortunnel met vier sporen in vier tunnelbuizen in combinatie met een ‘gesloten’ station is uitzonderlijk. Een standaard programma van eisen was dan ook niet van toepassing. ‘Vandaar het verzoek aan Vardy om de invloed van treinverkeer in de tunnel op het station te kwantificeren. Een referentievoorbeeld ontbrak.’
 
Oplossingen
In de loop van 2016 worden stap voor stap uiteenlopende maatregelen genomen zodat de snelheid van het treinverkeer eerst naar 100 km per uur en vervolgens verder kan worden opgevoerd. Wandelend door de stationshal lichten Willem van Dongen, manager Techniek bij ProRail, en Frits Erdmann, bouwmanager bij OBS, de voornaamste ingrepen toe. De draaideuren in de gevel van de stationshal worden teruggebracht en gefixeerd. ‘Ze zullen niet langer als vluchtdeuren fungeren’, legt Erdmann uit, ‘er komen aparte vluchtdeuren met drangers die voorkomen dat ze open- en dichtwaaien als gevolg van over- of onderdruk. Die drangers komen trouwens ook op de deuren achter de winkels.’ In de doorgangen naar de fietsenstalling is deze functiescheiding al gerealiseerd. Van Dongen vervolgt: ‘Verder zullen afzuiginstallaties en andere voor grote drukverschillen gevoelige systemen in de winkels en horecavoorzieningen indien dat nodig is worden aangepast. Andere ventilatoren en terugslagkleppen houden de luchtstroom in toom.’ De doorgang van de stationshal naar het stadskantoor, van elkaar gescheiden door een pui, wordt voorzien van een tochtsluis. ‘De eerste deur die je doorgaat sluit zich voordat de tweede deur opengaat.’
 
Met deze maatregelen blijven verschillen in luchtdruk acceptabel en ontstaan geen onveilige situaties. Doordat sprake is van een ‘gesloten’ gebouw wordt het station er behaaglijker op voor reizigers, ondernemers en hun klanten. Om de snelheid verder te kunnen opvoeren naar 120 km per uur is echter meer nodig. De stationshal krijgt daarom een ventielfunctie, vertelt Erdmann. ‘Over de lengte van de gevel van de stationshal, direct onder de overkapping, worden kleppen ingebracht die met de luchtstromen zullen meebewegen. Vergelijk het met een kattenluik. Een teveel aan lucht kan direct naar buiten.’ Ontstaat er onderdruk in de hal, bijvoorbeeld doordat verschillende treinen tegelijk de tunnel verlaten en lucht aanzuigen, dan bewegen de kleppen vanzelf naar binnen toe en zal er lucht de hal instromen. ‘Het gewicht van de klep bepaalt onder welke druk hij beweegt.’ Deze voorziening is waarschijnlijk gereed in het eerste kwartaal van 2017.
 
‘Voor al deze maatregelen’, zegt Van Dongen, ‘geldt dat ze eerst grondig worden getest alvorens de snelheid van het treinverkeer wordt opgeschroefd.’ Treedt inderdaad het gewenste effect op? ‘Door de vinger aan de pols te houden, wordt ook duidelijk of het totaal van maatregelen adequaat is.’ In 2023 zal volgens het Programma Hoogfrequent Spoorvervoer (PHS) het aantal treinbewegingen op het traject Den Haag – Rotterdam toenemen. Niet voor niets is de spoortunnel al op vier sporen berekend. Verkeer over vier sporen heeft in dit opzicht een voordeel ten aanzien van de huidige situatie. Dat er vier treinen tegelijk aankomen dan wel vertrekken, is zeer onwaarschijnlijk en dus zal de luchtdruk, die dan over vier in plaats van twee buizen wordt verdeeld, slechts sporadisch naar zeer hoge waarden stijgen.’
Besluitvorming
Kan met de beoogde maatregelen worden volstaan of moeten op termijn nog meer stappen worden gezet? ‘Dat moet blijken uit het programma van testen en verdere analyse van kosten en baten’, reageert Hermans. ‘Wel hebben de betrokken organisaties afgesproken dat een aanvullende maatregel alvast wordt voorbereid.’ Het dak van de thans in aanbouw zijnde tunnelbuizen, wordt voorbereid zodat hierop later eventueel luchtschachten kunnen worden aangesloten. ‘De ontluchting maakt het mogelijk om met 140 km per uur te gaan rijden met behoud van de gewenste mate van veiligheid en comfort.’ Deze flinke ingreep, constateert Hermans, moet natuurlijk wel worden gepleegd voordat toekomstige activiteiten, zoals de inrichting van de openbare ruimte, inpassing van schachten niet meer toelaten. De dienstregeling van de NS is ook een voorname factor in de besluitvorming, merkt Broeders op. ‘Hoe frequent en hoe hard moet hier op enig moment worden gereden zodat het treinverkeer op deze corridor volgens plan kan worden afgehandeld? De betrokken partijen spreken af wanneer dergelijke knopen uiterlijk moeten worden doorgehakt.’ De maatregelen die al in 2016 en 2017 worden genomen, kosten circa 3 miljoen euro (exclusief BTW). Als aanvullende maatregelen – de luchtschachten – nodig zijn, komt hier circa 5 miljoen euro bij (exclusief BTW). Hoe deze bedragen worden opgebracht, is volgens Broeders en Hermans nog onderwerp van gesprek. Broeders: ‘We willen wel allemaal dat de maatregelen zo snel mogelijk worden getroffen.’
 
Hoewel de stationshal het tijdelijk zonder deuren moet stellen, zijn reizigers volgens de Stationsbelevingsmonitor, een terugkerend onderzoek van ProRail en NS, in hun nopjes met het nieuwe station Delft. ‘Ten opzichte van het oude station is de score verbeterd, van een 6- naar een dikke 7’, weet Broeders. ‘In het derde kwartaal van 2015 werd alleen Rotterdam Centraal hoger gewaardeerd.’ En mocht het toch nog heel erg koud worden, dan zullen uiteraard gepaste maatregelen worden getroffen, belooft Hermans. ‘Dan zorgen we ervoor dat iedereen nabij de winkels en horecavoorzieningen er warmpjes bij zit.’
 
Een leerproces
Prof. Bert Blocken en dr. Ivo Kalkman zijn beide verbonden aan de TU Eindhoven, waar ze zich onder meer hebben toegelegd op de analyse van de invloed van wind op de gebouwde omgeving. Een recent onderzoek naar voortplanting van drukgolven in tunnels bracht ProRail ertoe de onderzoekers te vragen om een second opinion over de gehanteerde uitgangspunten, een oordeel over de voorgenomen maatregelen en een advies over oplossingen op detailniveau.
 
‘Een dichte gebouwschil en gescheiden tunnelbuizen maken van station Delft qua aerodynamica een bijzonder geval’, zegt Blocken. ‘Deze keuze is gemaakt, begrijpelijk genoeg, om allerlei in de beleving van de gebruiker onaangename luchtverplaatsingen te voorkomen. Maar ze heeft een keerzijde. Onder bepaalde omstandigheden ontstaat hoge overdruk. Onderdelen van het station bleken hier niet tegen bestand te zijn en dit vergt aanpassingen.’ Voor het vakgebied is station Delft dan ook een interessant studieobject, beaamt de wetenschapper. ‘De wens om een luchtdicht station te ontwerpen en de regelgeving voor onder meer brand- en tunnelveiligheid hebben de grootste invloed gehad op het tunnelconcept. Verder spelen de ruimtelijke beperkingen die de locatie – centrum Delft – met zich meebrengt, een rol. Tel hierbij op de unieke fysica van het stationscomplex en je hebt een praktijksituatie die bij nadere bestudering allerlei inzichten oplevert in de wisselwerking tussen randvoorwaarden, krachten en constructies. Van de casus Delft valt veel te leren.’
 
Marge voor onzekerheid
De analyse en de modelberekeningen van prof. Vardy die ten grondslag liggen aan de bouwkundige ontwerpen, zijn volgens Kalkman prima. ‘Er is zorgvuldig te werk gegaan.’ Ook de oplossingen die de betrokkenen partijen voor de ontstane problemen hebben bedacht, zijn gecheckt en in orde bevonden. ‘Ze zijn zonder meer effectief in kwalitatieve zin. Wel moet er rekening worden gehouden met onzekerheid over de exacte kwantitatieve effecten van maatregelen. Een ruime marge is zeker van toepassing.’ Om die marge te kunnen beperken, is een nadere analyse nodig van de voorgestelde ingrepen op detailniveau. ‘De afvoer van lucht door kleppen in de gevel, bijvoorbeeld, vraagt om maatwerk. Is de opening te groot dan worden luchtsnelheden op de trappen te hoog.’ Het meer in detail modelleren van dit soort processen levert nauwkeuriger informatie op. ‘Hoe scherper je de situatie in beeld hebt, des te beter ze valt te beheersen.’ Met een complex 3D-simulatiemodel kan de TU Eindhoven desgewenst meer exacte informatie genereren dan met het eendimensionale model van Vardy.
 
[Tekst: Eric Burgers | Fotografie: Vincent Basler]