Met 200 per uur over de lasagne

De NS onderzoeken hoe degelijk de hogesnelheidslijn tussen Amsterdam en Utrecht gefundeerd moet worden. Een stevig fundament is erg duur, maar de HSL mag ook geen achtbaan worden op een deinende ondergrond....

VANAF 2005 moet de hogesnelheidstrein met minstens tweehonderd kilometer per uur van Amsterdam via Utrecht naar Duitsland razen. Het grootste deel van het traject gaat over een stevige ondergrond, maar het gedeelte tot Utrecht, een lasagne van veen en klei, is een zorgenkindje.

De vraag is hoe die bodem zich gedraagt onder de trillingen van een Thalys. Daar bestaan weliswaar formules voor, maar die zijn onvoldoende getest om blind op te varen. Dus konden de Nederlandse Spoorwegen maar één ding doen: voorzichtig uitproberen.

Vorig weekend ging het op de route tussen Abcoude en Maarssen tot 180 kilometer per uur, dit weekend moet de 200 worden gehaald. Of dat lukt, is een tweede. Vanwege bochten in het parcours gelden op een aantal plekken snelheidsbeperkingen, zodat de machinist vol zal moeten optrekken om bij de meetpunten op snelheid te zitten. Gelukkig rijden er op dat moment in de nacht geen andere treinen die vermogen aan de bovenleiding onttrekken.

'Bij snelheden boven de 140 kilometer per uur ontstaan golven onder de trein', legt geotechnicus ir. R. Woldringh van de projectorganisatie HSL-Zuid de noodzaak van de proeven uit. 'Op die trillingen moet je het ontwerp van het traject aanpassen. In Zweden heeft men de snelheid op een bepaald stuk eerder dit jaar terug moeten brengen van 200 naar 160, omdat er te veel onderhoud aan het baanvak nodig was. En bij Bremen veroorzaakte een te snel rijdende trein schade aan het baanvak.'

Het effect van een trein op slappe ondergrond is te vergelijken met dat van een boot te water. Een stilstaande trein drukt het spoor en de ondergrond wat in. Gaat de trein bewegen, dan ontstaat een boeggolf van één of twee millimeter hoogte. Hoe sneller de trein, hoe hoger de golf.

Op een gegeven moment kan de trein even snel gaan als de golf zich voortplant. Bij een speedboat geeft dat enorme klappen op het water, een vliegtuig neemt de geluidsbarrière met een harde knal. En ook bij treinen betekent het halen van de zogenoemde kritieke snelheid dat er nogal wat krachten vrijkomen, omdat de trein over de golvende rails gaat rijden.

Niemand weet zeker hoe hoog die golven in de rails kunnen worden. Wel staat vast dat tegelijkertijd de onderhoudskosten mee omhoog schieten. Het is derhalve zaak het HSL-traject zo te verstevigen dat de trillingen beperkt blijven. Maar verstevigen is duur, dus er moet niet worden overdreven.

Mede daarom trokken NS twee miljoen gulden uit om met praktijkproeven meetgegevens te verzamelen. Dat gebeurde tussen Amsterdam en Utrecht, maar de bodem daar is qua slapheid vergelijkbaar met die tussen Amsterdam en Rotterdam, zodat de resultaten ook voor het zuidelijke HSL-traject relevant zijn. De klei- en veenlaag is zes meter dik, in wisselende verhoudingen.

Aan de eerste proeven kwam nog geen trein te pas. Eerst moest bepaald worden hoe snel de golven zich in de bodem voortplanten. Een hijsinstallatie werd op de veengrond opgesteld om een paar keer een zwaar blok beton te laten vallen. Zo werd vastgesteld dat trillingen in de bodem ter plekke een snelheid van 180 kilometer per uur halen. 'Het veen is de zwakke broeder', zegt Woldringh. 'De indrukking van de bodem bij Maarssen is de helft van die van Abcoude, omdat de veenlaag er half zo dik is.' Het ballastbed van zand dat NS onder het spoor aanlegt, verhoogt de trillingssnelheid nog een beetje, zodat de kritieke snelheid van de trein op ongeveer tweehonderd komt te liggen - precies zo hard als de Thalys ter plekke gaat rijden. Overigens is de kritieke snelheid alleen afhankelijk van de bodemgesteldheid ter plekke, niet van het gewicht van de Thalys.

Voor de tests, op vijf voor de bodemgesteldheid representatieve plekken, worden verplaatsingsmeters gebruikt. Bevestigd op en naast de rails meten deze hoeveel de grond horizontaal en verticaal beweegt. Ze doen dat vijfhonderd keer per seconde. De snelheid van de golf wordt dan niet bepaald door op verschillende plekken te meten wanneer zij langs komt, maar door op één plek te kijken naar de tijd tussen de piek en het dal van de golf.

In de grafiek die een passerende Thalys op die manier achterlaat, vallen meteen de pieken op, veroorzaakt door de assen. Op het moment dat die de verplaatsingsmeters passeren, is de indrukking van de ondergrond logischerwijs het grootst. Omdat de afstand tussen de assen bekend is, valt uit de grafiek dus ook de snelheid van de Thalys af te leiden. Zo ontstaat een compleet beeld van snelheid en indrukking.

Tijdens de proeven van vorig weekend, bij snelheden van maximaal 180 kilometer per uur, gedroegen trein en bodem zich precies zoals de rekenmodellen aangaven. De maximum indrukking van spoorbaan en bodem ten opzichte van de vaste zandlaag op acht meter diepte bleef hangen onder de twee millimeter (ter vergelijking: een gewone intercity komt net boven de millimeter uit). Van tevoren was vastgelegd dat bij zes millimeter indrukking de proeven stilgelegd zouden worden.

'EIGENLIJK verloopt het tot nu toe allemaal veel te voorspoedig', luidt de montere constatering van ir. P. van Staalduinen van TNO, die de metingen coördineert. Slechts één onverwachte observatie viel te noteren. Het lijkt erop alsof niet de snelheid maar de rijrichting de grootste invloed heeft op de indrukking van de ondergrond. Wanneer de Thalys de ene kant uit rijdt, is de indrukking bij dezelfde snelheid steeds een paar tiende millimeter groter dan wanneer de trein de andere richting op beweegt.

Dat zou ermee te maken kunnen hebben dat de Thalys steeds over een en hetzelfde spoor heen en weer rijdt, omdat anders twee sporen van meetinstrumenten voorzien moesten worden. De NS rijden over het betreffende spoor echter al een eeuw uitsluitend van Amsterdam naar Utrecht, en terug over het spoor ernaast. Dat feit kan gevolgen hebben gehad voor de bodemgesteldheid onder de baan, zoals de polen van een tapijt zich buigen naar de looprichting. Maar dat is nog een zeer hypothetische verklaring, haast Van Staalduinen zich te zeggen. Definitieve resultaten zijn er pas over een week of zes.

Hoe dan ook, de NS beschikken na dit weekend waarschijnlijk over meer harde gegevens om criticasters tegemoet te treden, zoals de Delftse hoogleraar prof. dr. ir. C. Esveld. Die denkt dat bij rijsnelheden rond de kritische snelheid de zogenoemde verticale stijfheid van de bodem wegvalt, zodat die als een pudding gaat golven onder de trein. De HSL wordt dan een soort achtbaan, met ontsporingen als gevolg.

Onzin, denken NS en TNO. Niettemin voorziet het ontwerp van de HSL-Oost nog in zeer stijve betonplaten, gefundeerd op de zandlaag die zich acht meter onder het maaiveld bevindt. De spoorbaan rust dan op het zand in plaats van op het veen erboven.

Als de trillingseffecten echter mee blijken te vallen, komen andere oplossingen in het vizier, bijvoorbeeld het vermengen van de ondergrond met cement. Daar wordt de grond ook stijver van en het is stukken goedkoper.

Bij de beslissing wat het wordt, spelen behalve de trillingen ook langetermijneffecten een rol. Want ook als de effecten van de trillingen op korte termijn meevallen, betekenen ze op de lange termijn waarschijnlijk dat de spoorbaan sneller zal verzakken dan gebruikelijk. En ophogen kost ook geld.

Christian Jongeneel