Software voor afzinken tunnelelementen
Bjørvikatunnel, Oslo

Door: André Noordermeer

Voor BAM Civiel Projecten en Van Hattum en Blankevoort heeft LNR Globalcom uit Rijswijk software gebouwd om het afzinken van tunnelelementen te geleiden. De software gebruikt de invoer van een aantal total stations en/of GPS-stations om de exacte ligging van een tunnelelement (in 3D) te berekenen.

Vier Leica robotic total stations meten elk iedere seconde de positie van een toegewezen prisma.

BAM Civiel Projecten heeft een grote ‘pool’ met hooggekwalificeerde maatvoerders en heeft in het verleden meerdere tunnels in segmenten gebouwd en afgezonken, waaronder enkele samen met Van Hattum en Blankevoort. De geleiding van het afzinken werd in het verleden uitbesteed aan een gespecialiseerd bureau, dat echter enige jaren geleden in handen is gekomen van een concurrerend bouwbedrijf. Omdat bij BAM Civiel Projecten en Van Hattum en Blankevoort door de jaren heen voldoende kennis en ervaring is opgedaan met dergelijke projecten, is besloten de afzinkoperaties zelf uit te gaan voeren. De hiervoor benodigde software diende daarom ook in eigen beheer te worden aangeschaft. Deze software is door LNR Globalcom ontwikkeld.
De nauwkeurig berekende positie van tunnelelementen wordt hiermee op diverse manieren gevisualiseerd en gepresenteerd op computerschermen, zodat de verantwoordelijke afzinkcommandant beschikt over actuele, volledige en gedetailleerde informatie en het afzinken zeer nauwkeurig (op de laatste centimeter!) kan sturen. Op dit moment wordt door dezelfde bouwcombinatie een tunnel gebouwd in Newcastle, die straks met ondersteuning van dezelfde software zal worden afgezonken.

Van ontwerp naar product
In 2005 wordt de bouw gestart van de Bjørvikatunnel in Oslo. Zes tunnelelementen worden vervaardigd in een bouwdok in Bergen (Noorwegen). Om deze tunnelelementen zo goed mogelijk op hun plaats te krijgen moet het afzinkproces nauwkeurig worden gestuurd. Het afzinken zelf is volledig mensenwerk, omdat met hijspontons en lieren de tunnelelementen op hun plaats worden gebracht. Omdat de tunnelelementen tijdens de kritische fasen van de operatie geheel onder water liggen en niet zichtbaar zijn, moet het computersysteem zorgen voor een goede visualisatie. Begin 2006 onderzoeken LNR Global­com en BAM Civiel de diverse mogelijkheden om de afzinksoftware te realiseren op basis van bestaande pakketten.
Veel alternatieven zijn er niet, maar het blijkt zonder uitzondering kostbaar vanwege de benodigde hoeveelheid maatwerk. Maatwerk dat bovendien in het buitenland moet worden gemaakt, en daarom mogelijk ook last heeft van vertragingen, lange responstijden en communicatieproblemen. Uiteindelijk wordt ervoor gekozen om geheel nieuwe software te laten bouwen onder verantwoording van LNR Globalcom. Wanneer in 2007 de bouw van de software van start gaat, adviseert BAM Civiel als opdrachtgever de software-ontwerpers bij LNR Global­com. De bouw zelf is een gezamenlijke inspanning van LNR en haar software-partner. Namens BAM Civiel was Willem van den Herik nauw betrokken bij de ontwikkeling in een adviserende rol.

Test
Begin 2008 is de software operationeel en uitgebreid getest met de beschikbare middelen. Omdat een drijvend of anderszins beweegbaar object met voldoende afmetingen (120x40x10 meter) niet voorhanden was, is dat testen gebeurd met behulp van simulators en door met wagentjes met prisma’s erop achter een auto heen en weer te rijden.

De werking
Vier Leica robotic total stations meten elk iedere seconde de positie van een toegewezen prisma. Deze vier posities zijn in coördinaten bekend in het ontwerpstelsel van het element. Dit is tevens de werkelijke positie die het element na afzinken moet bereiken binnen een tolerantie van enkele centimeters.
De vier prisma’s zijn dusdanig op het tunnelelement gemonteerd, dat ze na afzinken nog boven water uitsteken. Vooraan het element wordt een toren gemonteerd voor twee prisma’s, achteraan staat een schacht met eveneens twee prisma’s, die tevens dienst doet als toegang om na het afzinken met droge voeten in het element te kunnen komen.
Vanuit de vier berekende posities wordt door de software een 3D-model berekend van het element en dit model kan voortdurend worden gevolgd via de diverse computerschermen en bewakingsprogramma’s. De metingen van de prismaposities worden ondersteund door metingen van hellingsensoren, die op het element zijn gemonteerd. De berekening van het 3D-model wordt iedere seconde uitgevoerd, zodat geen vertraging bestaat tussen de werkelijke bewegingen van het element en de beeldschermweergave. Op diverse beeldschermen wordt de actuele situatie van het element en zijn omgeving afgebeeld als een continu actuele kaart met daarin het (bewegende) element als boven- en zijaanzicht. En daarnaast in schematische boven- en zijaanzichten met de exacte afstanden en rotaties die nog nodig zijn om de gewenste eindsituatie te bereiken.

De prisma’s zijn zo op het tunnelelement gemonteerd, dat ze na afzinken nog boven water uitsteken.
Vooraan het element is een toren gemonteerd voor twee prisma’s, achteraan staat een schacht met eveneens twee prisma’s.

De grote dag
In augustus 2008 vertrekt de maatvoeringploeg van BAM met een programmeur van LNR naar Oslo om het afzinken van het eerste element voor te bereiden. Eind augustus is de grote dag van het afzinken van het eerste element en tevens de eerste echte systeemtest. Door de extreme hellingshoek en een dubbele bocht in het eerste tunnelelement is dit tevens het moeilijkste element om goed te positioneren. Een echte vuurdoop voor het systeem!
Bij het afzinken van dit eerste element komen enkele problemen naar voren. De invoer van het tunnelelement als model blijkt complex, er moeten allerlei maten worden omgerekend. Hierbij kunnen makkelijk fouten worden gemaakt, die lastig traceerbaar zijn. Daarnaast zit in de 3D-modellering van de ontwerpsoftware een onnauwkeurigheid. Bij de eerste tests geeft de combinatie van een opeenstapeling van deze onnauwkeurigheden kleine afwijkingen, zodat het laatste deel van het afzinken met handmatige controles heeft plaatsgevonden.

Verbeteringen
De software is rond september 2008 ter plaatse verder verbeterd om de hierboven beschreven onnauwkeurigheden op te lossen. Het afzinken van elementen twee en drie verloopt hierna verder probleemloos. Deze elementen zijn volledig binnen de toleranties geplaatst. Bij het vierde element is er nog een verbetering in de software aangebracht waardoor bepaalde modelrotaties nauwkeuriger konden worden berekend.

Bij uitval
Tijdens het lastigste deel van het manoeuvreren ligt het element geheel onder water en zijn verdere visuele controles niet meer mogelijk. Als op een dergelijk moment het systeem zou uitvallen, dan kan dit grote gevolgen hebben.
De software is daarom modulair ontworpen en de modules kunnen worden verspreid over verschillende pc’s, waardoor ter plaatse een grote mate van redundantie in het systeem kan worden gebouwd. Vanaf dezelfde set instrumenten kunnen eventueel twee onafhankelijke systemen draaien, zodat bij uitval het werk onmiddellijk kan worden overgenomen door het back-up systeem. In Oslo is ook steeds met twee onafhankelijke systemen naast elkaar gewerkt. Een aparte bewakingsmodule houdt de software en instrumenten in het oog en signaleert uitval of verlies van nauwkeurigheid.

Logbestanden
De software legt alle meetgegevens van de diverse sensoren in logbestanden vast. Deze logboeken kunnen door de simulator terug worden omgezet naar de uitvoer van de instrumenten, zodat later het gehele traject van transporteren en afzinken van het element precies kan worden nagespeeld. Net als een snel afgedraaide film kan met een hogere snelheid worden teruggekeken, maar ook stilgezet, vooruit en achteruit gespoeld. Hierdoor kunnen uitgebreide analyses achteraf worden uitgevoerd. Het 3D-modelleringproces heeft geen weet van de herkomst van de data en rekent op de normale manier. De diverse schermen geven de situatie exact weer.

André Noordermeer a.noordermeer@lnrglobalcom.nl is software-ontwikkelaar en beheerder van GlobalNET bij LNR Globalcom.

www.lnrglobalcom.nl
http://en.wikipedia.org/wiki/Bjørvika_Tunnel