Infrastructuurplanning/Horizontaal tracé

Het horizontaal tracé is de lijn die infrastructuur beschrijft in het platte vlak. Om twee punten te verbinden in het platte vlak, eventueel met aanvullende eisen m.b.t. minimale boogstralen etc., zijn er meestal zeer veel mogelijkheden. In dit hoofdstuk worden een aantal principes uitgelegd op basis waarvan kansrijke tracéalternatieven kunnen worden ontworpen. Een traceringsprincipe is echter niet meer dan een richtlijn, op basis van één traceringsprincipe kan een ontwerper vaak meerdere verschillende tracés tekenen. Ook kan het zinvol zijn om verschillende traceringsprincipes te combineren. De volgende traceringsprincipes worden hier verder uitgewerkt:

• rechtlijnigheid
• vrije tracering
• bundeling

Deze traceringsprincipes zijn afgeleid van verschillende traceringscriteria. Deze traceringscriteria zijn in te delen in een drietal categorieën:

1. zo goed mogelijk laten functioneren van de infrastructuur zelf (intern)
2. zo gemakkelijk en goedkoop mogelijke constructie (intern)
3. minimalisatie omgevingseffecten (extern)

Allereerst gaan we echter in op de vraag uit welke elementen tracés worden opgebouwd.

Opbouw van het horizontaal tracé

Het horizontaal tracé van wegen, spoorwegen en fietspaden (en ook van de meeste soorten leidingen) wordt opgebouwd uit een beperkt aantal elementen. De belangrijkste elementen zijn:

• rechte lijn;
• cirkelboog;
• overgangsboog.

Rechte lijn

De rechte lijn is in de Euclidische meetkunde de kortste verbindingsweg tussen twee punten. De rechte lijn is daarmee de meest directe manier om twee plaatsen te verbinden. Veel tracés van kanalen, spoorwegen en wegen bevatten daarom rechte lijnen.

Cirkelboog

Voorbeeld van een cirkelsegment met tangenthoek $\alpha$, koorde k en pijl p.

Naast rechte lijnen worden cirkelbogen gebruikt in het horizontaal alignement om vloeiende richtingsveranderingen mogelijk te maken. Een cirkelboog is een deel van een volledige cirkel. Kenmerkend voor de cirkelboog is dat de hoeksnelheid en de benodigde middelpuntzoekende kracht om een boog te berijden constant zijn. Hierdoor is een cirkelboog berijdbaar met een constante stuurverdraaiing. Ook de theoretische verkanting, de verkanting waarbij de benodigde middelpuntzoekende kracht voor het berijden van een boog geheel wordt geleverd door de normaalkracht, is constant bij een constante boogstraal.

Overgangsboog

Clothoïde als overgangsboog

Een overgangsboog is de geleidelijke overgang tussen een rechtstand en een cirkelboog of tussen twee bogen met een verschillende straal R in het (horizontaal) alignement van een weg of spoorweg. Door de kromming van de weg of spoorweg geleidelijk toe- of af te laten nemen, wordt een plotselinge toe- of afname van de zijdelingse versnelling vermeden. Een nevenfunctie van de overgangsboog is om de verkanting van de weg geleidelijk te kunnen aanpassen, waarbij de gewenste verkanting weer afhankelijk is van de boogstraal en de ontwerpsnelheid.

Zowel voor wegen als spoorwegen geldt over het algemeen dat een overgangsboog enkel hoeft te worden toegepast tussen een rechtstand en een (ruime) boog, indien ook de verkanting verandert. Hoe ruim de betreffende boog moet zijn hangt samen met de ontwerpsnelheid. Zo hoeft volgens het Nederlandse Handboek Wegontwerp een boog met een straal vanaf 2000 meter in een stroomweg niet te worden ingeleid met een overgangsboog, terwijl bij een ontwerpsnelheid van 50 km/uur een boog met een straal vanaf 300 meter reeds geen overgangsboog meer behoeft .

Als overgangsboog wordt in Europa meestal de clothoïde gebruikt voor zowel wegen als spoorwegen. Een clothoïde (Grieks: κλοθειν (klothein), spinnen (wol)) is een symmetrische dubbelspiraal met het buigpunt in de oorsprong, met de eigenschap dat met toenemende booglengte ook de kromming toeneemt en wel geldt in elk punt van de kromme. De kromming is hierbij de inverse van de boogstraal:

${\frac {1}{r}}=k.l$

waarbij:

• r = de locale boogstraal op een punt van de clothoïde
• l = de verstreken booglengte van de clothoïde, gemeten vanaf het buigpunt
• k = een constante

De clothoïdeparameter k bepaalt dus de 'snelheid' van de verandering van de kromming.

Toepassing van de clothoïde als overgangsboog heeft een aantal kenmerken die over het algemeen als gunstig worden gezien door verkeersingenieurs:

• Bij constante snelheid is de toename van de kromming per tijdseenheid gelijk. Met andere woorden, de hoeksnelheid van een voertuig neemt lineair toe of af, of nog met andere woorden de hoekversnelling is constant.
• De toename van de dwarsversnelling per afgelegde afstand is gelijk, waardoor de toename van de dwarsversnelling per tijdseenheid gelijk is bij constante snelheid.
• De ideale verkanting neemt lineair toe als functie van de afgelegde afstand.

Indien geen overgangsboog zou worden toegepast, zou bij een overgang van een rechtstand of ruime boog naar een krappe boog de dwarsversnelling ineens toenemen, zou in het geval van wegverkeer een automobilist ineens een grote stuurverdraaiing moeten maken en zou al in de rechtstand of ruime boog de verkantingsovergang moeten worden aangebracht, wat ongunstig zou zijn uit comfortredenen.

Rechtlijnig traceren

Rechtlijnigheid is vooral interessant vanuit oogpunt van de interne criteria. Het traceren volgens de rechte lijn is niet anders dan het zoeken van de kortste verbinding. Overigens kunnen aanvullende criteria, zoals het aandoen van een bepaald tussengelegen (dwang)punt en het aansluiten van een weg op een bestaande weg in een bepaalde richting, in combinatie met criteria m.b.t. minimale boogstralen, ervoor zorgen dat het ideale ‘rechtlijnige’ tracé niet helemaal een rechte lijn is. Het belangrijkste voordeel van een ‘rechtlijnig’ tracé is dat het de kortste en snelste route biedt aan de gebruikers.

In situaties waar de kosten per meter infrastructuur nauwelijks verschillen naar plaats, zal het tracé met de laagste aanlegkosten grotendeels overeenkomen met het rechtlijnige tracé. De rechte lijn kan dus ook een interessant traceringsprincipe zijn uit oogpunt van een zo gemakkelijk en goedkoop mogelijke constructie. De fysische geografie (bergen, meren) kan echter vrij grote afwijkingen van de rechte lijn wenselijk maken uit kostenoogpunt. Daarnaast kan het uit oogpunt van beperking van aanlegkosten wenselijk zijn om andere infrastructuur zo veel mogelijk haaks te kruisen, teneinde de lengte van kunstwerken te beperken. Ook hierdoor ontstaan afwijkingen van de rechte lijn.

Tussen Purmerend en Hoorn vinden we meerdere voorbeelden van rechtlijnige tracering: de Spoorlijn Zaandam - Enkhuizen en de A7 volgen een zo recht mogelijke lijn van Purmerend naar Scharwoude (nabij Hoorn). Ook de N247 is tussen Edam en Oosthuizen en tussen Oosthuizen en Scharwoude rechtlijnig getraceerd.

Nadelen van rechtlijnig traceren

Rechtlijnige tracés hebben een aantal nadelen, met name uit oogpunt van minimalisatie van omgevingseffecten, maar ook uit kostenoogpunt. Een rechte lijn kan leiden tot zowel hogere constructiekosten als hogere grondverwervingskosten dan alternatieven die bepaalde gebieden mijden. Verder zal een rechte lijn vaak leiden tot bezwaren uit oogpunt van omgevingseffecten. Vooral in Nederland wordt de ruimte zeer intensief benut, waarbij veel gebieden of objecten als ‘kwetsbaar’ of anderszins beschermwaardig worden gezien: natuurgebieden, stiltegebieden, monumenten, etc. Het traceren door zulke gebieden kan het betreffende tracé bij voorbaat onacceptabel maken, of tenminste ervoor zorgen dat een dergelijk tracé een ongunstige beoordeling krijgt. Een ander nadeel is dat een rechtlijnig tracé vrijwel altijd leidt tot een nieuwe doorsnijding van het landschap, tenzij het toevallig samenvalt met een bestaand tracé of er gekozen wordt tot volledige ondertunneling. Ook het moeten slopen van veel woningen, doordat een tracé door een woongebied loopt, maakt een tracé meestal bij voorbaat al kansloos. Een alternatief is het verticaal mijden van dergelijke knelpunten, bijvoorbeeld d.m.v. een (geboorde) tunnel. Deze oplossingen zijn echter vaak weer niet acceptabel uit kostenoogpunt.

Rechtlijnige tracés hebben echter soms zelfs interne nadelen. Met name bij wegtracés is rechtlijnigheid ongewenst uit oogpunt van veiligheid. Autosnelwegen worden derhalve tegenwoordig getraceerd als een aaneenschakeling van (ruime) horizontale bogen. Bij erftoegangswegen is het zelfs gebruikelijk om rechtlijnigheid zo veel mogelijk te vermijden, bijvoorbeeld door asverspringingen en bogen. Eén van de gevaren van rechtlijnigheid is ‘polderblindheid’: het over het hoofd zien van discontinuïteiten als kruispunten, bochten e.d. als gevolg van de monotonie van de betreffende weg en de relatief hoge snelheid waartoe een rechte weg uitnodigt.

Het tracé van de N8 tussen Veurne en Ieper bestaat uit kaarsrechte stukken weg. Bij de doortocht in Hoogstade (Alveringem) loopt de gewestweg doorheen de bebouwde kom van het polderdorp. De rechte wegen nodigen uit tot snel verkeer ('polderblindheid'). Dit leidt tot problemen, bijvoorbeeld wanneer dit snelle verkeer geconfronteerd wordt met overstekende voetgangers.

Praktische waarde van rechtlijnige tracé-alternatieven

Gezien de bovenstaande commentaren rest de vraag in hoeverre de nietsontziende rechte lijn nog van praktisch nut is om goede tracéalternatieven te ontwerpen. In de eerste plaats is een rechte lijn een interessante eerste benadering, vooral in gebieden waar de verschillen in economische en maatschappelijke grondwaarde beperkt zijn. Dit kan zijn in een situatie waar een gebied met een relatief lage ‘waarde’ moet worden doorkruist, maar ook wanneer ondertunneling van een kwetsbaar gebied een interessant alternatief is, zoals bij de tunnel onder het Groene Hart in de HSL-Zuid.

Vrije tracering

Bij vrije tracering is de basisfilosofie dat een tracé zo goed mogelijk gewenste aansluitingen moet realiseren, waarbij kwetsbare gebieden en dure oplossingen zo veel mogelijk vermeden worden. Gewenste aansluitingen zijn bijvoorbeeld gunstige lokaties van op- en afritten bij autosnelwegen en gunstige stationslokaties bij spoorwegen. Het vrij traceren kiest de weg van de minste weerstand. Dit kan leiden tot een grillig tracéverloop, waarbij de minimale boogstralen de belangrijkste beperkingen vormen. De vrije tracering laat zich dus leiden door omgevingseisen en –wensen, binnen de marges van interne eisen m.b.t. de traceerbaarheid, waardoor inpassingsproblemen zo veel mogelijk worden vermeden. Door het ontwijken van probleemgebieden kunnen extra omwegen en bochten ontstaan die theoretisch kunnen leiden tot een lagere kwaliteit voor de gebruiker en wellicht tot (wat) hogere aanlegkosten dan bij rechtlijnige tracering. In de praktijk zullen de kosten van een slim gekozen omweg echter meestal (veel) lager zijn dan van een de maatregelen die nodig zijn om een rechtlijnig tracé in te passen in een gevoelig gebied, of om een strakke bundeling mogelijk te maken.

Nadelen van vrije tracering

Afgezien van de mogelijke nadelen voor de gebruiker door omwegen en eventueel krappere boogstralen, heeft vrije tracering weinig nadelen omdat problemen juist zo veel mogelijk worden omzeild. Wellicht het belangrijkste externe nadeel is dat evenals bij rechtlijnige tracering er vrijwel altijd sprake zal zijn van nieuwe doorsnijdingen van gebieden. Weliswaar worden de meest ongewenste doorsnijdingen vermeden (natuur, woongebieden), maar ook daarbuiten zal een nieuwe doorsnijding vaak niet wenselijk zijn. Een alternatief daarvoor is bundeling, een traceringsprincipe dat in de volgende paragraaf wordt beschreven.

Praktische waarde van vrije tracering

Het mijden van bepaalde gebieden is van wezenlijk belang om te komen tot tracéontwerpen die zowel uit kostenoogpunt als uit maatschappelijk oogpunt aanvaardbaar zijn. De praktische waarde van vrije tracering is dat dit principe leidt tot tracés waarbij deze gebieden inderdaad zo veel mogelijk vermeden worden. Een belangrijk hulpmiddel bij vrije tracering is een zeefanalyse, waardoor de ontwerper kan zien welke gebieden vermeden dienen te worden. Afhankelijk van de mate van uitzeving van gebieden blijven er echter vaak veel potentiële tracés over. De vraag is hoe een overdaad aan alternatieven kan worden voorkomen. Daarnaast is het de vraag of beperkte doorsnijdingen van ‘gevoelige’ gebieden toch aanvaardbaar kunnen zijn, bijvoorbeeld als hiermee grote omwegen vermeden kunnen worden.

Geconcludeerd kan worden dat het wenselijk is om bij vrije tracering nadere criteria op te stellen om kansrijke alternatieven uit te filteren. Zo zullen bijvoorbeeld alternatieven die langer of duurder zijn maar niet of nauwelijks meer gevoelige functies mijden niet kansrijk zijn. Een sneller of goedkoper alternatief dat beperkt te koste gaat van (bijvoorbeeld) natuurwaarden kan echter wel kansrijk zijn. Ieder alternatief heeft liefst op één of meerdere punten een duidelijke meerwaarde ten opzichte van andere alternatieven.

Bundeling

Bundeling is een traceringsprincipe waarbij het aantal doorsnijdingen van de open ruimte wordt geminimaliseerd door verschillende infrastructuurlijnen te bundelen in één tracé. Hierdoor wordt de milieubelasting geconcentreerd en versnippering van het open landschap beperkt. Bij horizontale bundeling kan echter restruime ontstaan tussen de gebundelde lijnen, waardoor het totale ruimtebeslag groter kan zijn dan wanneer een nieuw tracé wordt gekozen. Bundeling kan een gunstige oplossing opleveren uit zowel het oogpunt van externe als constructieve en interne criteria, maar dit is zeker niet gewaarborgd.

Bundeling kan het beste plaatsvinden met infrastructuur met vergelijkbare traceringscriteria. Een infrastructuur met ruime boogstralen (autosnelweg, spoorlijn) kan het beste worden gebundeld met andere infrastructuur met ruime boogstralen. Indien de bestaande infrastructuur krappere boogstralen heeft, zal bij bundeling daarmee restruimtes ontstaan door bochtafsnijdingen (tenzij de tracering van de bestaande infrastructuur ook wordt aangepast, maar dit zal vaak zowel functionele als financiële bezwaren hebben). Een ander aspect is de vraag in hoeverre bundeling ook goed mogelijk is nabij aansluitingen en knooppunten. Bij bundeling van een spoorlijn aan een autosnelweg zal bijvoorbeeld rekening moeten worden gehouden met de ruimte die benodigd is voor aansluitingen van de autosnelweg en voor stations aan de spoorlijn. Tenslotte moet bij bundeling goed worden nagegaan in hoeverre er een bufferruimte gewenst is om veiligheidsredenen (bijvoorbeeld om te voorkomen dat een geschaarde vrachtwagen een spoorlijn raakt of te water raakt in een kanaal).

Naast bundeling met bestaande (lijn)infrastructuur is het ook mogelijk om infrastructuur te bundelen met de randen van de bebouwing. Hierdoor wordt zowel doorsnijding van stedelijk gebied als doorsnijding van open ruimte voorkomen. De vraag is echter hoe duurzaam een dergelijke oplossing is. Veel wegen en spoorwegen die bij aanleg langs de bebouwing liepen lopen inmiddels dwars door steden heen, met alle nadelen (milieuhinder, barrièrewerking) van dien.

Nadelen van bundeling

In de bovenstaande kenschets van bundeling is gebleken dat dit traceringsprincipe een belangrijk voordeel heeft (voorkomen van verdere versnippering van gebieden). Bundeling heeft echter ook een aantal belangrijke nadelen, waardoor bundelingsalternatieven in bepaalde situaties slecht scoren op zowel interne, externe en constructieve criteria.

Het grootste nadeel van bundeling is (vaak ) het grotere ruimtebeslag en het ontstaan van restruimtes. Afhankelijk van de gewenste veiligheidsmarges, ruimte voor latere uitbreidingen, verschillen in boogstralen e.d. kan het feitelijke ruimtebeslag (inclusief onbruikbare rest-ruimtes) bij bundeling beduidend groter zijn dan bij vrije tracering of tracering volgens een rechte lijn. Daarnaast kunnen er zijn plaatsen waar lokaal de bundeling moet worden losgelaten, bijvoorbeeld doordat de bestaande infrastructuur door bebouwd gebied loopt. De restruimtes die daar ontstaan, zijn weliswaar bruikbaar voor bepaalde functies (bijvoorbeeld autosloperijen), maar een dergelijke oplossing is verre van ideaal.

De figuur hieronder laat de restruimte zien die ontstaat doordat de Betuwelijn bij kooppunt Gorinchem de strakke bundeling van de A15 loslaat. Bij eventuele latere uitbreiding van Gorinchem naar het Noorden is hiermee een extra grote barrière te overwinnen. Strakkere bundeling met de A15 was technisch weliswaar mogelijk geweest, maar uit constructief oogpunt ongewenst, gezien de vele doorsnijdingen met verbindingswegen die zouden zijn opgetreden.

Het tracé van de Betuwelijn is zo veel mogelijk gebundeld met de A15. De bundeling is echter niet altijd even strak. Aan de westzijde van Gorinchem (links op de kaart) is de bundeling duidelijk losser om ruimte te maken voor een knooppunt en aansluiting.

Een ander nadeel van bundeling is dat het soms tot beduidend hogere aanlegkosten leidt dan vrije tracering of tracering volgens een rechte lijn. Bij de gekozen bundeling van de HSL-Zuid met de A16 treden bijvoorbeeld problemen op bij de aftakking van de spoorlijn naar Roosendaal in Lage Zwaluwe en bij de aansluiting van de A59 op de A16. Deze problemen zijn uiteraard oplosbaar, maar leiden tot relatief hoge kosten. Bundeling kan er ook toe leiden dat bebouwd gebied wordt doorsneden, hetgeen kan leiden tot hogere kosten door vereiste maatregelen ter beperking van milieuhinder, hogere grondverwervingskosten en meer kruisende infrastructuur. Dit is bijvoorbeeld de situatie bij de doorsnijding van de met de A16 gebundelde HSL-Zuid door Breda.

Praktische waarde van bundeling

De praktische waarde van bundeling is met name groot in situaties waar er een goede kandidaat is om mee te bundelen. In dergelijke gevallen kan bundeling positief zijn uit oogpunt van beperken van versnippering van het landschap en concentreren van milieuhinder. Bovendien zal bij een gunstige kandidaat om mee te bundelen de omweg en extra aanlegkosten ten opzichte van een rechte lijn beperkt kunnen blijven. Het is daarom belangrijk om altijd op zoek te gaan naar geschikte bundelingsmogelijkheden. Het ontwerpen van een gebundeld tracé is in principe vrij eenvoudig. Eerst wordt het zoekgebied afgebakend aan de hand van de maximaal aanvaardbare omweg en het begin- en eindpunt van het tracé. Vervolgens zoekt met in het gebied naar bestaande infrastructuur waarmee gebundeld zou kunnen worden. Voor zover deze bestaande tracés niet aansluiten op het gewenste begin- of eindpunt, kan vrije of rechtlijnige tracering worden toegepast om het alternatief volledig te maken.

In de praktijk kunnen meerdere kansrijke bundelingsalternatieven voorkomen, bijvoorbeeld doordat er verschillende bestaande tracés zijn om mee te bundelen, er verschillende routes zijn om bij de bundel te komen, etc. Verder zijn er varianten mogelijk t.a.v. de onderlinge afstand van de infrastructuurlijnen in de bundel, met name bij de knelpunten. De praktijkrelevatie van bundeling als traceringsconcept wordt geïllustreerd door de keuze van het voorkeursalternatief in diverse grote infrastructuurprojecten uit de afgelopen jaren: o.a. bij de HSL Zuid en de Betuwelijn is (deels) gekozen voor bundeling met bestaande infrastructuur.

---

Voetnoten: