Infrastructuurplanning/Verticaal tracé

De tracering van infrastructuur in het platte vlak is bestudeerd in het vorige hoofdstuk. De derde dimensie – de hoogteligging – is hierbij buiten beschouwing gebleven. Het verticale alignement is echter ook van groot belang, juist op het gebied van de hoogteligging en kruisingstypen kunnen interessante alternatieven bestaan, die mede de kwaliteit van het totale tracé als alternatief bepalen. Problemen met het verticaal alignement kunnen er zelfs voor zorgen dat een bepaald horizontaal tracé moet worden aangepast of zelfs oninteressant wordt als alternatief, bijvoorbeeld als de hoogteverschillen resulteren in te steile hellingen.

In dit hoofdstuk staat de keuze van het verticaal tracé centraal. Het verticaal tracé wordt voornamelijk bepaald door de gewenste hoogteligging. Hierbij kan onderscheid worden gemaakt tussen de basis hoogteligging en het gekozen kruisingstype bij fysieke knelpunten. Bij de basis hoogteligging gaat het vooral om de hoogteligging ten opzichte van het maaiveld, waarbij het belangrijkste probleem is hoe hoogteverschillen in het maaiveld worden overwonnen. Bij de kruisingstypen gaat het echter om de vraag hoe knelpunten in de vorm van kruisende infrastructuur ‘overbrugd’ dienen te worden. Soms zal het betreffende knelpunt echter niet de vorm hebben van een infrastructuurtracé, maar een woonwijk, ecologische verbinding, cultuurhistorisch monument dat door het horizontale tracé onvoldoende wordt gemeden. In dit geval kan ervoor worden gekozen om deze functies in tact te laten door het tracé eronderdoor (of eroverheen) te leiden.

Basis hoogteligging

De basis hoogteligging is de verticale ligging van de infrastructuur ten opzichte van het maaiveld. Dit is een belangrijk verschil met het verticaal alignement, dat wordt bepaald ten opzichte van een vast punt (NAP in Nederland). In veel gevallen is het echter niet mogelijk of wenselijk dat het verticaal alignement exact het maaiveld volgt. De maximale helling is bijvoorbeeld beperkt bij wegen en spoorwegen en bij kanalen zijn hellingen zelfs niet toegestaan (wel evt. hoogteverschillen die overbrugt worden door sluizen). Daarnaast zijn knikken in het verticaal tracé meestal ongewenst; daarom worden verticale afrondingsbogen toegepast in de tracés van wegen en spoorlijnen. Bij een spoorlijn geldt bijvoorbeeld een maximale helling van 2,5% (minder is overigens gewenst bij spoorlijnen met goederenvervoer) en een verticale topboog met een straal van minimaal 20 000 meter. De topbogen kunnen meestal krapper zijn, aangezien daar comforteisen meestal maatgevend zijn i.p.v. zichteisen.

Ook wanneer echter voldaan wordt aan de gewenste maximale hellingen en minimale verticale boogstralen, is een grillig verloop van een (spoor)wegtracé ongewenst. Een grillig verticaal alignement heeft als nadeel dat voertuigen hoger mechanisch worden belast en dat het energieverbruik hoger zal zijn. De energie die wordt bespaard doordat met de zwaartekracht mee omlaag wordt gereden is o.a. door wrijving (snelheidsbeperking!) minder dan de extra energie die nodig is om een trein of auto weer dezelfde afstand omhoog te brengen. Met name wanneer een neerwaartse helling snel wordt gevolgd door een opwaartse wordt daarom wel gesproken over een ‘verloren helling’. Het verticaal tracé wordt minder grillig door o.a. tussen twee hogere delen hoog te blijven (bijvoorbeeld door een brug/viaduct toe te passen) of tussen twee lagere delen laag te blijven (bijvoorbeeld door een ingraving toe te passen).

Normaal Amsterdams Peil NAP-niveau aangegeven in het Stadhuis van Amsterdam. De hoogte van het maaiveld en van het tracé wordt in Nederland aangegeven als hoogte ten opzichte van het NAP (Normaal Amsterdams Peil). De hoogtecoördinaat ten opzichte van het NAP is onderdeel van het RD-NAP stelsel, waarmee je dus het verloop van een tracé driedimensionaal kan specificeren. Het NAP volgt in principe de geoïde, het vlak op gemiddeld zeeniveau waar dezelfde zwaartekrachtspotentiaal heerst. Alle punten op NAP zijn daarmee waterpas met het referentiepunt. De hoogte van het nulpunt, oorspronkelijk gedefinieerd als het gemiddeld hoogwater op het IJ, wijkt echter iets af van het huidige gemiddelde zeeniveau. Voor het gemak wordt het NAP echter vaak gelijkgesteld aan het gemiddeld zeeniveau. Peilmerken Om in het veld hoogtes te kunnen relateren, is in Nederland een netwerk van ongeveer 50 000 peilmerken gemaakt. Peilmerken zijn meestal bronzen boutjes met het opschrift NAP, aangebracht in kaden, muren, bouwwerken of op palen en bovendien 250 ondergrondse peilmerken. Van iedere peilmerk is de hoogte in NAP na te zoeken. Vanaf een peilmerk kan de hoogte worden overgebracht naar het tracé met behulp van een waterpassing. Als gevolg van bodembewegingen treden er voortdurend veranderingen op. Eens in de 10 jaar bepaalt Rijkswaterstaat met behulp van een nauwkeurigheidswaterpassing opnieuw de hoogte van de meeste peilmerken. De gegevens van de peilmerken worden bekendgemaakt in een NAP-peilmerkenlijst, waarin de gemeten hoogte t.o.v. het NAP-vlak staat aangegeven en de gegevens waar het merk te vinden is.

Principe-mogelijkheden hoogteligging

diep (-2)	verdiept (-1)			maaiveld (0)		verhoogd (+1)		hoog (+2)
tunnel	tunnel	ingraving	open bak	aardebaan	landtunnel	aardebaan	viaduct	viaduct

In de tabel hierboven zijn een aantal principe-mogelijkheden voor de hoogteligging van verkeersinfrastructuur afgebeeld, inclusief een aantal varianten. In deze tabel zijn vijf categorieën hoogteligging onderscheiden: diep, verdiept, maaiveld, verhoogd en hoog. Verdiept en verhoogd betekent dat het betreffende tracé net voldoende onder of boven maaiveld ligt om een vrije doorgang te garanderen over of onder de betreffende infrastructuur. Diepere tracering onder de grond is hier aangeduid met ‘diep’, terwijl een hoger tracering dan verhoogd wordt aangeduid met ‘hoog’. De relatieve hoogteligging kan ook worden aangegeven met een cijfer; niveau 0 is op maaiveld; +1 is verhoogd. Ook het begrip 'half verdiept' of 'half verhoogd' wordt wel gebruikt: een beperkte verdieping of verhoging, zodanig dat kruisende infrastructuur niet op maaiveld kan worden getraceerd.

In de bovenstaande tabel zijn bovendien voorbeelden gegeven van verschillende uitvoeringsvarianten, waaronder een tunnel, open bak, ingraving, aardebaan en viaduct. Een bijzondere variant is de tunnel op maaiveld: met name een interessante oplossing wanneer dubbel grondgebruik gewenst is, maar men de kosten van ontgraven van tunnels wil vermijden. Deze oplossing is recent toegepast bij de N14 langs Den Haag en Voorburg/Leidschendam, waar rond en op een tunnel op maaiveld woningen en een park zijn gerealiseerd. Verder worden tunnels in Nederland met name toegepast voor het kruisen van kanalen en rivieren.

In landen met veel reliëf zijn tunnels echter een algemeen verschijnsel in weg- en spoorwegtracés ter vermijding van onaanvaardbare omwegen en hoogteverschillen. In Nederland komen dergelijke tunnels niet voor, maar wel vlak over de grens. Onder het Belgische en Duitse gedeelte van de Vaalserberg bevindt zich namelijk de Gemmenichertunnel van de goederenspoorlijn Aachen – Tongeren (de Montzenroute).

Kruisingstypen

Vrijwel iedere voorgestelde nieuwe infrastructuurverbinding kent knelpunten. Bij knelpunten kan het bijvoorbeeld gaan om andere infrastructuur die gekruist moet worden: een kanaal, een spoorlijn, een hoogspanningsmast, etc. Als de kruisende infrastructuur op een vergelijkbare hoogte ligt als de basis hoogteligging van het nieuwe tracé, dan zal bekeken moeten worden hoe deze infrastructuur gekruist gaat worden.

Gelijkvloers of ongelijkvloers

In de eerste plaats is de vraag of een gelijkvloerse kruising mogelijk is, of dat een ongelijkvloerse kruising gewenst is. Gelijkvloerse kruisingen liggen meestal op maaiveld, maar er zijn ook voorbeelden van verdiept of verhoogd liggende gelijkvloerse kruisingen. Een diepe, verdiepte of verhoogde basisligging van de infrastructuur wordt namelijk voornamelijk toegepast om gelijkvloerse kruisingen juist te mijden.

Gelijkvloerse kruisingen komen in verschillende vormen voor, afhankelijk van de aard van de beide kruisende infrastructuren:

• spoorwegovergang (weg – spoor)
• spoorkruising (spoor – spoor)
• zebrapad (weg – voetpad)
• lage brug (rivier – weg)

Aandachtspunten bij gelijkvloerse kruisingen zijn de verkeersafwikkeling en de veiligheid. Bij gelijkvloerse kruisingen is een duidelijk voorrangsregime van belang. Bij een spoorwegovergang hebben treinen altijd voorrang, bij een zebrapad de voetgangers en een veerpont moet voorrang verlenen op de overige scheepvaart op een rivier of kanaal. Bij ontbreken van veiligheidsvoorzieningen zoals verkeerslichten of slagbomen kan ook snelheidsbeheersing van belang zijn om de risico’s op verkeersongevallen te beperken, bijvoorbeeld het beperken van de snelheid van trams op kruisingen tot maximaal 30 km/uur. Het veiligst is een situatie waar de voorrangsverlening fysiek geregeld is, bijvoorbeeld met slagbomen. Een dergelijke kruising wordt ook wel een gelijkvloerse kruising met tijdelijke onderbreking genoemd. Het duidelijkste voorbeeld hiervan is een beweegbare (lage) brug, waarbij het beweegbare deel van het wegdek wordt gekanteld of weggedraaid om ruimte te maken voor kruisend scheepvaartverkeer.

Uit oogpunt van verkeersafwikkeling (en verkeersveiligheid) zal het wenselijk zijn om bij grotere verkeersintensiteiten te kiezen voor ongelijkvloerse kruisingen. Een spoorwegovergang die veel dicht is, is bijvoorbeeld zowel hinderlijk voor het kruisende verkeer als gevaarlijk, aangezien het risico groter wordt dat kruisend verkeer de veiligheidsmaatregelen (gesloten overwegbomen) gaat negeren. Een ongelijkvloerse kruising betekent dat beide infrastructuurlijnen ongehinderd kunnen functioneren. In sommige gevallen zal een ongelijkvloerse kruising echter niet tot voldoende hoogteverschil leiden voor al het kruisende verkeer, bijvoorbeeld op vaarwegen die gebruikt worden door schepen met verschillende vereiste doorvaarthoogtes. In dat geval kan een ongelijkvloerse kruising met tijdelijke onderbreking worden toegepast: een beweegbare (hoge) brug.

Wie wijkt uit in welke richting

Indien gekozen wordt voor een ongelijkvloerse kruising is de vraag welke infrastructuur uitwijkt, of dat beide zich een beetje aanpassen. Hierbij zijn verschillen in kosten doorslaggevend (welke oplossing is het minst duur), maar ook de functionaliteit van het verkeer (welke verkeersstroom ondervindt het minste hinder van aanpassing van het verticaal tracé) en de ruimtelijke inpasbaarheid van de toeritten van een brug of tunnel. Het zal duidelijk zijn dat een kanaal niet zal uitwijken bij een kruising, aangezien dit duur is en veel hinder geeft voor het scheepvaartverkeer.

Een gerelateerde vraag is in welke richting het beste kan worden uitgeweken. In veel gevallen wordt gekozen voor opwaarts uitwijken, aangezien de kosten van een brug beduidend lager zijn dan van een tunnel met dezelfde lengte, zeker wanneer het te overwinnen hoogteverschil vergelijkbaar is. In sommige gevallen is echter het te overwinnen hoogteverschil beduidend lager bij de keuze voor een tunnel, bijvoorbeeld wanneer een fiets- of voetpad een autoweg of spoorlijn kruist. Aangezien bij een keuze voor een tunnel dan ook het ruimtebeslag lager is, is begrijpelijk dat binnen de bebouwde kom in een dergelijk geval eerder voor een fietstunnel dan een fietsbrug gekozen wordt. Daarbij weet iedere fietser dat het kleinere hoogteverschil en het voordeel eerst te dalen en dan te stijgen ervoor zorgt dat een fietstunnel veel minder een barrière is dan een fietsbrug in een vergelijkbare situatie. Een bijkomend aspect is tenslotte dat de verharding van snelwegen en de sporen van spoorlijnen meestal meerdere decimeters boven maaiveld liggen, hetgeen de keuze voor een tunnel nog meer voor de handliggend maakt uit oogpunt van minimalisatie van het te overwinnen hoogteverschil.

Om zonder gedetailleerde kostenberekeningen te kunnen bepalen welke infrastructuur uit kostenoogpunt het beste kan uitwijken in welke richting, zijn een aantal vuistregels beschikbaar:

• lichtere voertuigen en lichtere bovenbouw → lichtere kunstwerken;
• steilere hellingen → kortere toeritten;
• kleiner profiel van vrije ruimte onder → minder hoogteverschil → kortere toeritten;
• kleiner dwarsprofiel → smallere toeritten;
• kleinere horizontale boogstralen → makkelijker haaks kruisen → kortere kunstwerken;
• bestaande infrastructuur uitwijken → extra kosten reconstructie.

Het volgende voorbeeld dient ter toelichting. Bij een kruising van een erftoegangsweg met een snelweg zal de erftoegangsweg meestal uitwijken. De steilere hellingen en het smallere dwarsprofiel maken dat de toeritten korter en smaller zijn, hetgeen minder grondverzet en dus minder kosten betekent dan wanneer de snelweg verticaal zou moeten uitwijken. Bovendien kan een niet-haakse kruisingshoek het makkelijkst haaks gemaakt worden door het horizontale tracé van de erftoegangsweg iets aan te passen. Aangezien een erftoegangsweg en een autosnelweg nauwelijks verschillen qua hoogte van het profiel van vrije ruimte is er geen reden om deze in een tunnel i.p.v. een brug aan te leggen.

Wanneer bepaald is welke infrastructuur uitwijkt, rest nog de vraag in welke richting dit gebeurt: omhoog of om laag. Uit kostenoogpunt zal vaak voor een viaduct worden gekozen, aangezien een tunnel met een bepaalde breedte vele malen duurder is dan een viaduct met vergelijkbare afmetingen. Ook de toeritten van een tunnel (ingraving) zijn beduidend duurder dan de toeritten van een viaduct (talud). Daarbij komt dat bij tunnels vaak een ruimer profiel is vereist om een voldoende zichtafstand te garanderen, om obstakelvrees te vermijden en te zorgen voor voldoende sociale en fysieke veiligheid. Smalle tunnels zijn immers donker, voelen onprettig (met name bij fiets- en voetgangerstunnels) en bieden weinig vluchtruimte bij calamiteiten (met name bij grotere tunnels).

Er zijn echter een aantal redenen om toch tunnels toe te passen. Soms ligt de te kruisen infrastructuur bijvoorbeeld beduidend boven het maaiveld, waardoor de toeritten korter zijn en het te overwinnen hoogteverschil kleiner wanneer gekozen wordt voor een tunnel. Hetzelfde effect treedt op wanneer de hoogte van het profiel van vrije ruimte van de uitwijkende infrastructuur lager is dan van de infrastructuur die niet uitwijkt. Bij het kruisen van een rivier of kanaal speelt hierbij mee dat weliswaar voor een relatief lage brug beweegbare brug kan worden gekozen (vaak de goedkoopste oplossing), maar dat uit oogpunt van het functioneren van de kruisende infrastructuur (weg, spoorlijn) het ongewenst is dat de brug regelmatig moet worden geopend voor kruisend scheepvaartverkeer. Bij (o.a.) fietsers speelt tenslotte ook mee dat een tunnel uit energetisch oogpunt efficiënter is dan een viaduct: eerst kan de zwaartekracht gebruikt worden om vaart te maken, waarna deze gebruikt wordt om het hoogteverschil omhoog weer te overwinnen. Om dezelfde redenen kan voor met name goederentreinen steilere hellingen worden toegepast bij een tunnel (bijvoorbeeld de Willemsspoortunnel) dan bij een brug.

In de praktijk wordt vooral gekozen voor een tunnel als kruisingsvorm wanneer inderdaad het te overwinnen hoogteverschil dan beduidend lager is, en/of wanneer de inpasbaarheid in het (stedelijk) gebied beduidend beter is door de kortere lengtes van de toeritten. Voorbeelden hiervan zijn de spoor- en snelwegtunnels onder grotere kanalen en rivieren, fietstunnels onder spoorlijnen en autosnelwegen en de autotunnels bij centrale stations.

Dwanghoogtes

Bij ongelijkvloerse kruisingen is vervolgens de vraag op welke (relatieve en absolute) hoogte het tracé kan kruisen. In de eerste plaats zal het minimale hoogteverschil tussen de assen altijd meer dan de minimale vrije hoogte benodigd voor het kruisende verkeer. De volgende aspecten spelen mede een rol:

• de dikte van de constructie van het kunstwerk dat de ongelijkvloerse kruising mogelijk maakt;
• de helling van het onderste tracé;
• de verkanting van het bovenste tracé;
• eventuele ruimte voor correcties van de wegligging, bijvoorbeeld bij overlagingen van asfaltlagen.

Bepaling van dwanghoogte van wegas van autosnelweg (op kunstwerk) ten opzichte van NAP, gegeven de hoogte van de kruisende weg

De bovenstaande figuur illustreert de berekening van de minimum hoogteligging van de hartlijn van een nieuwe autosnelweg die een (vlakke) weg op maaiveld kruist. De zijkant van het viaduct is maatgevend voor de minimum doorrijhoogte, terwijl de wegas van de autosnelweg in het midden ligt. De minimumhoogte van de wegas wordt hier dus berekend door:

• De hoogte h_w van de as van de onderste weg t.o.v. NAP;
• plus de minimum doorrijhoogte h₀;
• plus een marge, o.a. voor latere overlagingen h₊;
• plus de constructiehoogte van het kunstwerk c;
• plus de constructiehoogte van de bovenbouw van de (spoor)weg c₊
• plus het hoogteverschil tussen zijkant en wegas autosnelweg (afstand wegas - rand kunstwerk b vermenigvuldigd met het verkantingspercentage p).

Inpasbaarheid van (ongelijkvloerse) kruisingen

Bij de keuze van het type kruising is, naast de hierboven genoemde economische aspecten, de inpasbaarheid van de hellingen een belangrijk aspect. Met name in stedelijk gebied kan het soms lastig zijn de benodigde helling voor een ongelijkvloerse kruising in te passen binnen de bestaande stedelijke structuur. Soms zal voor een bochtig horizontaal tracé worden gekozen om toch de benodigde hellinglengte in te kunnen passen in een vrij klein gebied. Bij verschillen in hoogte in basisligging van het tracé kan juist een gelijkvloerse kruising niet inpasbaar zijn.

De hoogteverschillen in het verticaal tracé kunnen zowel worden bepaald door dwanghoogtes van kruisende infrastructuur als door variaties in de basishoogteligging en variaties van het maaiveld zelf. Daarbij is het vaak de vraag of het gegeven een horizontaal tracé mogelijk is om een bepaald hoogteverschil te overbruggen.

Om bij dwangpunten hoogteverschillen te overwinnen, gegeven een bij benadering vlak maaiveld, zijn globaal twee typen oplossingen toe te passen:

• overbrugging hoogteverschil met een helling (plus top- en voetboog)
• overbrugging hoogteverschil met enkel een top- en een voetboog

Gegeven een maximaal hellingspercentage en stralen van top- en voetbogen is vrij eenvoudig de benodigde hellinglengte te berekenen.

Overbrugging van een hoogteverschil met enkel top- en voetboog

Overbrugging van hoogteverschil met enkel een top- en voetboog.

Bovenstaande figuur illustreert de relatie tussen hoogteverschil, de gekozen boogstralen en het maximum hellingpercentage bij een overbrugging van een hoogteverschil met een voetboog, direct gevolgd door een topboog. Uitgangspunt is dat het tracé voor en na de hoogteoverbrugging vlak is.

Op basis van de bovenstaande figuur kun je afleiden dat de totale lengte van de helling L gelijk is aan:

$L={\sqrt {2.H.\sum R-H^{2}}}\approx {\sqrt {2.H.\sum R}}$

waarbij:

• $\sum R=R_{v}+R_{t}$: de som van de straal van de voetboog R_v en de straal van de topboog R_t in meter;
• H: het te overbruggen hoogteverschil in meter.

Het hellingpercentage i kan daarbij als volgt worden berekend: $i={\frac {\sqrt {2H\sum R-H^{2}}}{\sum R-H}}\approx {\sqrt {\frac {2H}{\sum R}}}={\frac {2H}{L}}$

Overbrugging van een hoogteverschil met een helling

Een probleem bij de bovenstaande oplossing kan zijn dat vanaf een zeker hoogteverschil het maximum hellingpercentage ontoelaatbaar wordt. Een oplossing kan dan zijn de boogstralen te vergroten, maar dit leidt tot een sterke toename van de totale hellinglengte. Om de hellinglengte zo kort mogelijk te houden, is een alternatief om een helling toe te passen tussen de voet- en de topboog.

Uit het lengteprofiel is de 'extra' lengte van een voetboog af te leiden ten opzichte van een situatie met enkel een helling

De hellinglengte is in dit geval gelijk aan de het te overbruggen hoogteverschil gedeeld door het hellingpercentage, vermeerderd met de 'extra' hellinglengte z (zie bovenstaande figuur). Uit de bovenstaande figuur kan de volgende formule worden afgeleid voor de extra hellinglengte door voetboog z:

$z=R\tan({\tfrac {1}{2}}\alpha )\approx {\tfrac {1}{2}}.i.R$

Hierbij is i het hellingpercentage, uitgedrukt als fractie (dus 5% wordt 0,05).

Uiteraard kunnen we dezelfde formule toegepassen voor de extra hellinglengte bij de topboog.

Verder geldt voor de lengte x van de voetboog:

$x=R\tan \alpha =i.R$

Het hoogteverschil y overbrugd door de voetboog kan worden berekend als:

$y=R-R\cos \alpha$

---

Voetnoten: