Potensi Permasalahan Konstruksi Terowongan (Tunnel)

PadaTanah Liat Ekspansif Surabaya Barat

Tanah liat ekspansif termasuk material berbutir halus yang banyak menimbulkan

masalah bagi bangunan-bangunan teknik sipil, khususnya bagi struktur bawah. Penelitian

mengungkap lebih dari 60% tanah bawah di Indonesia merupakan jenis tanah laterit (tanah

dengan indeks plastisitas >30%) yang mempunyai sifat kembang susut yang besar, dimana

daerah Surabaya barat termasuk salah satu lokasi yang tanah bawahnya rentan terhadap

peristiwa kembang susut (swell-shrinkage). Semakin tinggi indeks plastisitas tanah liat

ekspansif, semakin tinggi pula potensi pengembangannya. Menyadari hal tersebut, potensi

dan efek kembang susut tanah perlu dipertimbangkan dengan seksama untuk menghindarkan

kerusakan struktur bangunan yang terletak diatas ataupun didalam tanah. Untuk memberikan

pemahaman lebih lanjut, berikut ini disajikan ulasan singkat mengenai tanah liat ekspansif

a.l. sbb. :

A. Investigasi & Survey

Untuk mengidentifikasi sifat ekspansif/ kembang susut tanah liat, investigasi tanah

yang dilaksanakan harus mencukupi baik dari segi kualitas maupun kuantitas. Survey

terhadap lingkungan sekitar juga diperlukan untuk mengetahui faktor2 apa saja yang dapat

menyebabkan perubahan/ fluktuasi kadar air tanah ekspansif pada lokasi setempat. Nelson &

Miller (1992) mengemukakan 3 fase utama dalam investigasi lapangan, a.l. sbb. :

1) Reconnaissance survey adalah tahap awal, a.l. pengumpulan peta, foto medan, foto

udara, data/ pengalaman2 setempat sehubungan dengan permasalahan kembang susut

tanah liat setempat.

2) Preliminary investigation bertujuan untuk melakukan konfirmasi lebih lanjut apakah

tanah bawah lokasi ybs. bersifat kembang susut. Investigasi meliputi pengambilan

sampel tanah, test laboratorium, dan analisis awal yang selanjutnya dapat dipakai

untuk mengidentifikasi karakteristik dan klasifikasi contoh2 tanah tsb. Investigasi

lebih lanjut dapat dilakukan, jika preliminary investigation mengungkapkan potensi

kembang susut contoh2 tanah tsb.

3) Detailed investigation meliputi penentuan properties/ parameter tanah dan perkiraan

besar kembang-susut (swelling potential, %). Pada tahap ini, pengujian perlu

dilakukan pada sampel tanah dengan tingkat ketergangguan (disturbance) yang

minim. Pengambilan sampel tanah tak terganggu harus dilakukan dengan hati-hati dan

dilakukan oleh teknisi handal yang berpengalaman.

Gambar 1. Skema investigasi lapangan (Nelson & Miller, 1992).

B. Interaksi Fisika Kimia Dan Kandungan Mineralogi

Nelson & Miller (1992) mengungkapkan pula beberapa faktor yang mempengaruhi

sifat dan besarnya tekanan pengembangan, dimana interaksi fisika kimia antar butiran dan

kandungan mineralogi merupakan faktor2 berpengaruh seperti diuraikan Gambar 2, sbb. :

Gambar 2. Mekanisme diffuse double layer (Budhu, 2000).

Pada skala mikroskopis, tanah lempung umumnya memiliki bentuk pipih, permukaan

mineral lempung didominasi oleh keberadaan ion negatif (anion) yang akan cenderung

menarik ion positif (kation). Fenomena tersebut selanjutnya dikenal dengan teori diffuse

double layer (DDL). Kandungan mineral juga memegang peranan penting terhadap sifat dan

potensi kembang susut, dimana mineral yang umumnya ditemukan pada tanah lempung

adalah kaolinite, illite dan montmorillonite. Struktur lapisan dari ketiga mineral tersebut

kedapatan cukup berbeda seperti diilustrasikan Gambar 3 sbb. :

Gambar 3. Struktur lapisan kaolinite, illite, dan montmorillonite (Budhu, 2000).

Nampak bahwa mineral montmorillonite memiliki layer pengikat yang lemah dan

mudah terisi air, sehingga lempung dengan kandungan montmorillonite dan tingkat

konsentrasi anion yang tinggi akan memiliki kemampuan menyerap air yang tinggi pula,

yang selanjutnya menyebabkan tanah lempung mengalami perubahan volume yang cukup

besar. Air yang terabsorbsi tsb. selanjutnya mengisi celah/ pori diantara butiran2 lempung

(lihat Gambar 4) dan menyebabkan tanah mengembang ke arah atas. Sedangkan illite dan

kaolinite tidak bersifat aktif, namun dapat menyebabkan perubahan volume jika ukuran

partikel kedapatan sangat halus.

Gambar 4. Kondisi butiran lempung pada saat menyerap air (Yong, 2001).

C. Zona Aktif

Victorine, et. al. (1997) menyatakan bahwa perubahan volume tanah ekspansif jarang

terjadi di elevasi tanah yang cukup dalam., perubahan volume hanya terjadi di kedalaman2

permukaan tanah akibat perubahan kadar air. Suatu zona yang mengalami fluktuasi kadar air

tanah yang umumnya terjadi akibat perubahan iklim/ cuaca (hujan & kemarau) selanjutnya

didefinisikan sebagai zona aktif. Area Surabaya Barat diperkirakan memiliki kedalaman zona

aktif yang berkisar antara 5-8 m. Gambar 4 menunjukkan profil kadar air yang berada pada

zona aktif dengan berbagai macam kondisi iklim dan pengaruh adanya pavement

dipermukaan tanah pada profil kadar air.

Gambar 4. Profil kadar air tanah pada zona aktif (Ning Lu & Likos, 2004).

Selain faktor perubahan iklim, kondisi kadar air di permukaan lapisan tanah akan

berubah jika dilakukan pembangunan struktur yang bersifat menahan kadar air (moisture

barrier) seperti lantai atau pavement. Keberadaan moisture barrier ini akan meniadakan

evapotranspiration (penguapan) air yang selanjutnya memberikan pengaruh terhadap nilai

kadar air dan menyebabkan pendangkalan zona aktif. Perubahan kondisi kadar air lainnya

dapat diakibatkan oleh adanya sistem drainasi. Tersedianya sistem drainasi yang memadai

tentunya akan mengurangi resiko terjadinya perubahan kadar air yang signifikan, sehingga

potensi kembang susut juga dapat direduksi.

D. Potensi Permasalahan Tanah Ekspansif Pada Struktur Bawah Tanah

Jika nantinya direncanakan konstruksi bangunan ataupun pembangunan struktur

bawah tanah di area Surabaya Barat, kondisi yang membuat tanah ekspansif mengalami

kontak dengan air perlu dihindarkan. Disamping memberikan tekanan pengembangan ke arah

atas, akibat adanya pembasahan oleh air, tanah ekspansif juga akan mengalami penurunan

kuat gesernya (pelunakan, softening). Sebaliknya, pada saat terjadi penurunan kadar air akibat

penguapan, tanah ekspansif akan mengalami penyusutan/ pemampatan tanah yang tentunya

berpotensi menyebabkan kerusakan struktur diatas maupun dibawah permukaan tanah.

Berikut ini diuraikan beberapa potensi permasalahan yang seringkali timbul pada struktur2

bawah tanah pada tanah ekspansif , a.l. sbb. :

1) Pondasi Tiang (Pile Foundation)

Selain ditujukan untuk menahan gaya aksial tekan akibat pembebanan struktur

diatasnya, pondasi tiang sebaiknya didesain pula untuk mampu menahan gaya uplift di

kedalaman zona aktif. Tekanan pengembangan dari tanah ekspansif dapat menimbulkan

deformasi ke arah atas (heaving) ataupun dorongan lateral terhadap pondasi tiang lain yang

telah terinstal sebelumnya. Dampak dari pergerakan tanah tersebut akan berpengaruh

terhadap kapasitas dukung tiang seperti digambarkan pada Gambar 5, sbb. :

Gambar 5. Gaya2 pondasi tiang yang mengalami heaving (Haggerty & Peck, 1971).

Dalam kondisi ekstrim, heaving dan pergerakan lateral tanah dapat menyebabkan

tegangan tarik dan geser yang berlebihan yang selanjutnya dapat memicu retak/ patahnya

pondasi tiang, khususnya pada lokasi sambungan antar elemen2 tiang yang tidak dilas dengan

baik. Salah satu solusi yang dapat dipakai untuk mereduksi potensi kegagalan pondasi tiang

adalah penggunaan friction reducer dalam bentuk bitumen, plastik, ataupun geo-gundle yang

membungkus sebagai selimut tiang di zona aktif. Hal tersebut dilakukan dengan tujuan

mereduksi gesekan tiang dengan tanah yang secara otomatis mereduksi besar gaya uplift yang

dipikul oleh pondasi tiang.

2) Terowongan (Tunnel)

Menyadari perilaku tidak menguntungkan tanah ekspansif pada uraian sebelumnya,

pembangunan struktur terowongan sebisa mungkin dihindarkan dari lokasi2 dengan tingkat

potensi pengembangan yang tinggi. Namun, bila rute terowongan ternyata harus melewati

area2 yang kurang menguntungkan tsb., maka struktur terowongan perlu direncanakan

terhadap tekanan pengembangan dan penurunan yang akan diakibatkan oleh perubahan

volume tanah ekspansif tsb.

Gambar 6. Contoh skematik konfigurasi terowongan (U.S. Department of

Transportation-Federal Highway Administration, 2009).

Beberapa solusi yang dapat dipakai untuk meminimalkan efek swelling pada

terowongan adalah merencanakan struktur lining yang kedap air dengan tingkat kekakuan

yang tinggi (ketebalan dapat mencapai 60-80 cm) untuk memberikan resistensi yang

memadai terhadap tekanan pengembangan tanah ekspansif. Solusi lainnya adalah dengan

menginstal beton bertulang (plane reinforced concrete) konvensional pada bagian invert

(dasar terowongan yang dipakai sebagai landasan/ track kendaraan, lihat Gambar 6).

Tekanan pengembangan akan tereduksi akibat berat sendiri struktur beton bertulang ditambah

dengan berat struktur lining yang didesain cukup tebal. Pemasangan instrumentasi

(inklinometer, piezometer, extensometer, dll.) untuk keperluan monitoring menjadi hal yang

tak dapat dielakkan untuk memantau dan menjamin stabilitas struktur terowongan.

Hal lain yang tak kalah penting untuk dijadikan pertimbangan adalah perencanaan

stand-up time dan penentuan elevasi muka air tanah yang akurat. Jika terowongan dibangun

diatas muka air tanah, stand-up time lebih ditentukan oleh kuat geser tanah dan kuat tarik

struktur lining, sedangkan jika kondisi terowongan direncanakan dibawah muka air tanah,

stand-up time lebih ditentukan oleh koefisien permeabilitas tanah, mengingat penetrasi/

kebocoran air ke dalam terowongan akan menimbulkan permasalahan yang pelik.

E. Penutup

Tanah ekspansif merupakan salah satu tanah bermasalah yang mendominasi area

Surabaya Barat yang sedang berkembang pesat. Manyadari sifat/ perilaku kembang susut

yang merugikan tersebut, perencanaan bangunan2 dan struktur bawah tanah pada lokasi

setempat perlu direncanakan dengan baik. Untuk mereduksi besarnya tekanan pengembangan

(swelling pressure) dan potensi pengembangan (swelling potential) tanah ekspansif di

Surabaya Barat, diperlukan investigasi dan studi kelayakan pada lokasi setempat, akuisisi

data2 dengan kualitas dan kuantitas yang mencukupi, perencanaan dan analisis yang

komprehensif, dan tindakan2 antisipatif (perbaikan tanah, perkuatan struktur, dll.) yang perlu

dilakukan sebelum dan selama proses konstruksi.

Oleh :

Yehezkiel A. Sucipto,

Foundation Engineer,

Testana Engineering, Inc., Surabaya.