Parijs is een stad op een ondergrondse gatenkaas. Over de Franse hoofdstad zijn spannende verhalen in omloop vanwege het zeer uitgebreide en meer dan manshoge rioolstelsel en de duistere zaken die zich daar decennia lang zouden hebben afgespeeld. Een laag dieper, op zo'n twintig meter onder het maaiveld, ligt de beroemde Metro, die ook at bijna honderdjaar geleden werd aangelegd. Samen met alle vertakkingen goed voor 201 Kilometer tunnel. Minder uitgebreid in de literatuur beschreven is een ander gatenstelsel in die zelfde Parijse kaas: de kalksteengroeven.

Af en toe begeven de pilaren in zo'n groeve het. In enkele seconden kan dan de ondergrond met een oppervlak van enkele hectaren naar beneden zakken. Dergelijke situaties hebben in Frankrijk in het nabije verleden geleid tot instorting van gebouwen, met als gevolg tientallen doden en gewonden. In Nederland komt dit soort groeven ook voor, met dezelfde stabiliteits problemen. Het instorten van een deel van de Limburgse Heidegroeve in 1987 was de directe aanleiding tot het Delftse promotie-onderzoek van Roland Bekendam. Hij bracht aantal belangrijke relaties tussen kruip- en bezwijkgedrag in kaart en ontwikkelde een criterium voor het bepalen van een totale veiligheidsfactor.

Op een paar kilometer landelijk gebied van Maastricht, bijna onopvallend en overgroeid, bevindt zich in de oostkant van de Kannerberg de smalle ingang naar de Fallenberggroeve.

Het is zeven uur op een mooie zomerse vrijdagavond. Op een verlaten, door bomen omgeven parkeerplaats, nog geen honderd meter verder, zit een drugsdealer in z'n auto te wachten op klanten. Het hek dat toegang verschaft tot de Fallenberggroeve wordt ontgrendeld en een geavanceerde alarminstallatie wordt uitgezet. De klamme warmte buiten maakt plaats voor een aangename koelte. 

De wanden van de drie meter brede gangen zijn regelmatig voorzien van namen en jaartallen, die varieren van eeuwen geleden tot heden. Op het zes meter hoge plafond zijn vele zwarte rondjes te zien van het roet van de olielampjes en kaarsen die de blokbrekers gebruikten. De exploitatie van deze groeve voor bouwstenen dateert vermoedelijk van de zestiende eeuw, of eerder, en is halverwege de negentiende eeuw gestopt.
 
 

Na een paar minuten lopen doemt een groot rooster in de wand op. Het geluid van elektromotoren bevestigt dat dit het inlaatrooster is van de ventilatie voor het vroegere NAVO-Commandocentrum de Boschberg, in het belendende gangenstelsel, dat nu vol blijkt te zitten met asbest. Nog geen dertig meter verder is de ietwat verroeste stalen deur zichtbaar die toegang geeft tot een nationaal monument: de Jezuïetenberg. Op de wanden hebben theologanten van de Jezuïeten-orde in de periode van 1880 tot 1960 met houtskool honderden tekeningen van uiteenlopende genres aangebracht. Zulke fraaie kunstwerken (want er zijn ook reliëfwerken en er is een soort mini-Alhambra gecreëerd) zo diep in een berg, dat is bijna adembenemend en sinister tegelijkertijd. Ook de stilte en het geluidsabsorberende effect van de verpulverde kalksteen op de vloer van de gangen draagt bij aan de sfeer. Promovendus drs. Roland Bekendam is echter wel gewend aan de stilte. Na twee jaar studie scheikundige technologie in Groningen en een afgeronde studie geologie in Utrecht, heeft hij onder meer zes maanden op Antarctica onderzoek gedaan naar de ontwikkeling van breukzones in de aardkorst.

 legt Bekendam uit in zijn kantoor bij het Staatstoezicht op de Mijnen in Heerlen. De afgelopen vijf jaar is hij als onderzoeker gedetacheerd geweest bij deze dienst van het ministerie van Economische Zaken.'Mergel is officieel een mengsel van klei en kalk terwijl wat in Nederland mergel wordt genoemd, in feite zuiver kalksteen is. In het Frans wordt het tuffeau genoemd, hier zeggen mensen ook wel tufkrijt of tufsteen, hoewel tufsteen officieel verharde vulkanisch as is en dat is de kalksteen in Limburg niet. Dat is ontstaan uit de neerslag uit een voormalige binnenzee. Het gesteente bestaat uit minuscule fossielfragmenten. Door een slecht ontwikkelde cementatie is de verbinding tussen de korreltjes nogal zwak.
Overigens gaat het hier om niet-natuurlijk ontstane grotten, daarom moet je officieel spreken van kalksteenmijnen. Mergelgrot klinkt aangenamer en misschien wel spannender dan kalksteenmijnen. Overigens heten ze wetstechnisch gezien kalksteengroeven. De Mijnwet onderscheidt kalksteengroeven en mijnen. Groeven in de ondergrond komen toe aan de eigenaar van de bovengrond. Bij mijnen, zoals steenkoolmijnen, is dat niet het geval. Alle technische en veiligheidsaspecten van de mergelgrotten vallen dan ook onder het groevenregelement, een onderdeel van de mijnwet.'

De huidige prijs van een kubieke meter verzaagd kalksteen is ongeveer 1500 gulden. Vanwege de hoge prijs worden er vrijwel geen huizen meer van gebouwd. Er wordt allen nog maar mergel gewonnen voor de restauratie van monumenten.

Onderzoeker Roland Bekendam aan het eind van de 25 meter lange tunnel die in 1958 is uitgegraven in een wanhopige poging om een groep champignonkwekers te redden. Bij de instorting van de Roosburggroeve kwamen 18 mensen om het leven.
 

Al jaren studeerden Delftse studenten af op onderzoek aan de kalksteengroeven in Limburg, maar de instorting van de Heidegroeve was de directe aanleiding voor het promotie-onderzoek van Bekendam. Zijn promotor, prof David Price, kreeg met de kalksteengroeven te maken toen hij door een verzekeringsmaatschappij werd gevraagd als expert op te treden bij een vermeende fout bij de constructie van een atoomschuilkelder.
Bekendam:'De vraag of de grotten stabiel zijn, heeft hoofdzakelijk re maken met de consequenties van het gevaar van instorten. Allereerst bevinden zich de mensen die in een instortingsgebied zijn natuurlijk in levensgevaar. Het instantane bezwijken van de pilaren veroorzaakt een plotselinge drukgolf die ook dodelijke slachtoffers kan maken in andere delen van de mijn en zelfs er buiten, dicht bij de ingang. Een grootschalige instorting veroorzaakt ook verzakkingen aan het oppervlak met breuken en instortingskraters die een bedreiging kunnen vormen voor huizen en andere bouwwerken.'

In 1989 begon Bekendam aan zijn onderzoek. Eerst werkte hij in Delft, maar in 1993 in Heerlen waar hij zich ook met andere bodemdalingsprojecten bezighield.
Bekendam: 'Een van de doelen van mijn onderzoek was de stabiliteit van de kalksteengroeven in kaart brengen te brengen wat betreft het fenomeen kruip. Iedere pilaar wordt enigszins verkort door de druk van de bovenliggende lagen. Het verschijnsel kruip houdt in dat een pilaar op termijn bezwijkt en een deel van zijn draagkracht verliest onder een constante druk. Hoe dichter deze druk bij de korte termijnsterkte ligt, des te sneller dit gebeurt. Bij voldoende lage druk zal de snelheid van kruipvervorming afnemen en zal de pilaar altijd intact blijven. De blokbrekers hebben indertijd zoveel mogelijk kalksteen weggehaald en daarmee de pilaren zo klein mogelijk gemaakt. Voor de korte termijn waren de pilaren sterk genoeg, maar door kruipgedrag kunnen ze na tientallen of honderden jaren toch gaan bezwijken.'

De eerste stap in het onderzoek was het bepalen van de korte-termijn sterkte van do pilaren. Gewapend met mijnkaarten, met daarop nauwkeurig de afmetingen van de groeven en de pilaargrootte, begon hij zijn onderzoek met een visuele inspectie van de pilaren.
'Voor iedere pilaar moest ik de sterkte uitrekenen. De stabilitcit van een pilaar wordt doorgaans uitgedrukt door een veiligheidsfactor. Deze factor is het coefficient van de sterkte van de pilaar, dat wil zeggen de maximale druk die het kan weerstaan zonder te barsten, gedeeld door de druk op de pilaar', legt de wetenschapper uit.

Sterke pilaarvorming binnen het instortingsgebied van 1845 in de Gemeentegrot bij Valkenburg
 

Op het gesteentelaboratorium van de subfaculteit Technische Aardwetenschappen van de TU DELFT werden de eigenschappen van de kalksteen voor elke groeve apart bepaald. Met een drukbank bepaalde hij de uni-axiale druksterkte van cilindrische kernen met een diameter van vijf centimeter en 12 cm hoogte. Vervolgens werden de drukproeven uitgevoerd op modelpilaren van verschillende vorm en grootte, cm vorm- en schaaleffecten te verdisconteren. De druk op een pilaar hangt af van de dikte en de dichtheid van de boven de mijn gelegen gesteente on bodemlagen. Die wordt bepaald met de zogenaamde tributary-area-methode. Bekendam nam geen schaaleffect waar, maar er was wel een duidelijk invloed van de vorm op de sterkte. Nu kan hij voor de korte-termijn voor iedere pilaar afzonderlijk de veiligheidsfactor bepalen on ook voor een gangenstelsel als geheel. Vervolgens paste hij deze veiligheidsfactor aan voor de lange termijn. Bekendam corrigeerde de uitkomsten van de berekeningen met behulp van een statistisch onderzoek, dat was gebaseerd op een vergelijking van de berekeningsresultaten met de waargenomen graad van schade aan de pilaren in de groeven.

De laatste stap in het onderzoek was een analyse van alle gegevens die daarna werden samengebracht tot een model dat een schatting maakt van de stabiliteit van een gangenstelsel.
Bekendam: 'De totale veiligheid van een gangenstelsel wordt uitgedrukt in een enkele veiligheidsfactor. Deze totale veiligheidsfactor is het coefficient van het draagvermogen van alle pilaren bij elkaar, gedeeld door de totale last die daadwerkelijk op die pilaren rust. Als de veiligheidsfactor 1 is, is er een kritieke situatie. Hoe hoger die factor boven de 1 zit, hoe beter de veiligheidssituatie. In de praktijk zul je als veilige waarde voor de veiligheidsfactor een waarde hanteren die ruim boven de 1 ligt. Vaak wordt een waarde van anderhalf gehanteerd'.
'Naast het berekenen is visuele inspectie van de pilaren op barstvorming noodzakelijk. De eerste uitkomst kan zijn dat de veiligheidsfactor groter is dan de veilige waarde en dat je geen serieuze pilaarschade waarneemt.

De aanbeveling is dan: ga door met de jaarlijkse visuele inspectie. De tweede mogelijke uitkomst kan zijn dat de totale berekende veiligheidsfactor kleiner is dan de veilige waarde. Dan heb je een probleem. Daaraan gekoppeld zul je kunnen waarnemen dat er serieuze schade aan pilaren is. In dat geval hebben we te maken met een voor de toekomst potentieel gevaarlijke situatie. In dat geval luidt het advies: installeer een meetsysteem in het gangenstelsel.', aldus de geoloog.

De instortingskrater die in1988 boven de Geulhemmergroeve ontstond als gevolg van een leegstromende orgelpijp. De krater had een diameter van 6 meter an was 5 meter diep.

Als derde mogelijke uitkomst noemt de geoloog een totale veiligheidsfactor dicht bij de een. Als dan ook nog wordt waargenomen dat de scheurvorming in de pilaren snel toeneemt (binnen weken of maanden), is er geen tijd meer om het gangenstelsel te versterken met betonnen verstevigingen rond de pilaren. In dat geval adviseert hij om mensen direct de toegang tot de groeve te ontzeggen,

Bekendam:'De bovengrond kan wel tegen verzakkingen worden beschermd door de gangen tussen de pilaren geheel op te vullen. Dat is bijvoorbeeld gedaan bij het Casino van Valkenburg. Daar werden vanaf het oppervlak gaten naar het gangenstelsel geboord, waar een zand-water-cementmengsel doorheen werd gestort. Daar was het te gevaarlijk om de gangen vanaf de zij-ingang te benaderen. Het heeft wel de nodige miljoenen gekost. In een ander geval is ook wel eens schuimbeton gebruikt. Dat werd via leidingen naar binnengepompt. Er moeten overigens wel schotten worden aangebracht om te voorkomen dat je niet de hele mijn hoeft vol te gieten.'