- januar 1828 er et arbeidslag i full gang med å grave ut tunnelen under Themsen når deler av taket plutselig raser sammen.
Det slitsomme arbeidet med å grave ut den 396 meter lange tunnelen som skal forbinde Nord- og Sør-London, stanser øyeblikkelig.
Et stykke tømmer fra skjoldet som holder tunnelveggen i sjakk under utgravingen, river seg løs og klemmer fast beina til ingeniøren Isambard Kingdom Brunel. Faren hans, Marc Isambard Brunel, er sjefingeniør på prosjektet. Tunnelen fylles raskt med vann.
I stummende mørke, og mens vannet fosser inn, kjemper rundt hundre mann en kaotisk kamp for å overleve. Med nød og neppe klarte Brunel å rive løs beinet sitt og slippe unna vannmassene. Tross et brukket bein og alvorlige indre skader kommer den 21 år gamle ingeniøren seg opp til overflaten. Men ikke alle er like heldige.
Ulykken koster i alt seks arbeidere livet.
Tunnelen under Themsen ble opprinnelig lagd for hestevogner, men i 1869 ble den jernbanetunnel, og i 2010 ble tunnelen en del av Londons undergrunnsbane, The Tube.
Tunnelen under Themsen åpnet i 1843 og betraktes som et av de store ingeniørmesterverkene på 1800-tallet. Utgravingen var den første i verden under vann, og tross mange oversvømmelser betraktes passasjen under Themsen som et av de store ingeniørmesterverkene på 1800-tallet, og det har senere inspirert tunnelbyggere verden over.
Blant annet ingeniørene som sto bak den 57 kilometer lange togtunnelen Gotthard-Basistunnel – som kan takke Brunel, et beskyttende tunnelskjold og en 2700 tonn tung, fjellknusende monstermaskin for at de i dag har slått alle rekorder og gravd seg tvers gjennom Alpene.
Tunnelskjold ga sikkerhet
Isambard Kingdom Brunel og faren hans, Marc Isambard Brunel, regnes i dag som pionerer i utviklingen av ny teknologi som for alvor gjorde det mulig å grave ut tunneler under bakken, under vann og tvers gjennom fjellkjeder.
Marc Brunel innså at oppgaven med å grave ut en tunnel bare noen få meter under elvebunnen ville kreve en helt ny teknologisk løsning for å holde vannmassene ute.
Tilkomsten til tunnelen var en vindeltrapp i en loddrett sjakt på hver side av elven.
For å grave ut sjakten konstruerte Brunel en jernring med en diameter på 15 meter dekket og en skarp skjærekant på undersiden.
Kanten var en meter tykk, noe som gjorde det mulig å bygge en én meter tykk rundmur oppå den.
Når muren var kommet opp i 13 meters høyde over bakken, kunne arbeiderne begynne å grave ut jord inne i jernringen. Den enorme vekten av den 13 meter høye rundmuren fikk så hele konstruksjonen til å synke langsomt ned i grunnen til den nådde en dybde på 20 meter. Nedsynkingen tok et halvt år.
4 mann hjalp tunnelen ned i dypet
1. Ingeniør fant opp tunnelskjoldet
Marc Isambard Brunel sto bak utgravingen under Themsen i London og oppfinnelsen av tunnelskjoldet som hindret at taket raste sammen. Det avstivende skjelettet av støpejern gjorde det mulig å grave tunneler i vannbærende jordlag, som under en elv.
2. Sommeiller satte fart på
Med trykkluftbor og dynamitt gjorde den franske sivilingeniøren Germain Sommeiller utgravinger raskere enn noen gang. Han sto i spissen for arbeidet med jernbanetunnelen Fréjus i Alpene. Den 13,7 kilometer lange tunnelen åpnet i 1871 og var den første av de store alpetunnelene.
3. Barlow brukte støpejern
I 1864 tok den engelske sivilingeniøren Peter W. Barlow patent på et ringformet tunnelskjold i ett stykke som bygde videre på Brunels metode. Tunnelutgravingen gikk raskere siden man brukte støpejernselementer til fôring av tunnelen i stedet for murstein.
4. Holland fant opp ventilasjonen
Forsøk i en kullgruve inspirerte den amerikanske ingeniøren Clifford Milburn Holland til å tilføre tunnelene ventilasjon. Prinsippet ble brukt under Hudsonelven i New York, der fire ventilasjonssjakter førte nesten 100 000 kubikkmeter frisk luft ned i tunnelen hvert minutt.
Nå hadde ingeniørene en tilkomstsjakt fra overflaten, og i dybden kunne arbeiderne begynne det egentlige arbeidet med å grave tunnelen over til den andre siden av elven.
Sønnen Isambard Brunel monterte deretter tunnelskjoldet, som besto av tolv støpejernsrammer plassert ved siden av hverandre. Rammene holdt de myke jordlagene under elven på plass. Tunnelskjoldet hadde blitt patentert av Isambard Brunels far Marc i 1818, og nå, ti år senere, skulle det testes.
36 arbeidere i tre etasjer var plassert på plattformer der de kunne grave ut tunnelen meter for meter.
GJENNOMBRUDDET: Jernskjold revolusjonerte tunnelarbeid
Utviklingen av tunnelskjoldet gjorde det mulig å grave ut Themstunnelen, og det ble et vendepunkt i tunnelhistorien. Nå kunne det bygges lange tunneler under elver og hav som før måtte krysses med skip.
Skjold holder tak og vegger på plass
Tunnelskjoldet består av 36 støpejernsrammer på til sammen 12,5 ganger 6,8 meter. I hver ramme er det plass til en arbeider. Foran skjoldet, som er delt inn i tre etasjer med tolv jernrammer i hver, blir tunnelveggen holdt på plass med treplater og jernstenger.
Arbeider graver ut tunnelveggen
Inne i hver av de 36 cellene graver mennene møysommelig ut tunnelveggen. Det skjer ved at treplatene fjernes en om gangen før arbeidere raskt graver ut om lag 23 centimeter masse. Til slutt settes treplaten mot tunnelveggen igjen med avstivningen på plass.
Murere bygger opp tunnelen
I takt med at arbeiderne graver ut tunnelveggen foran seg, blir tunnelskjoldet gradvis skjøvet framover. Samtidig sørger murere for at den allerede utgravde tunnelen bak tunnelskjoldet blir sikret mot sammenrasing med en fôring som består av murstein.
De tolv jernrammene ga en samlet arbeidsflate på 12,5 ganger 6,8 meter. Skjoldet sto imot trykket fra grunnen rundt og forhindret sammenrasing.
Bak graverne sto et arbeidslag klare til å mure opp tunnelveggene fra gulv til tak. De brukte 16 750 murstein per meter tunnel i de to parallelle løpene.
Sylinderform styrket skjold
Som ulykken i 1828 viste, var ikke Brunels tunnelskjold perfekt, og sammen med økonomiske problemer var oversvømmelsene med på å forsinke Themstunnelen i flere år. I 1843 åpnet den endelig for fotgjengere, og i 1865 ble tunnelen kjøpt av East London Railway Company og gjort om til jernbanetunnel.
Far og sønn Brunel hadde bevist at tunneler kunne bygges under geologiske vilkår som tidligere ble betraktet som umulige for både ingeniører og arbeidere.
På slutten av 1860-tallet bygde den engelske ingeniøren Peter William Barlow videre på Brunels metode og patenterte et nytt, sylindrisk tunnelskjold av støpejern som i 1869 ble brukt til å grave ut den andre tunnelen under Themsen, Tower Subway.
Fordelen med den sylindriske konstruksjonen var at skjoldet kunne bygges med færre deler og gjøres stivere enn Brunels mer delte og rektangulære konstruksjon.
Selv om gravearbeidet også her foregikk med håndkraft, kan Barlows prinsipp betraktes som et skritt i retning av de moderne tunnelboremaskinene – mekaniske muldvarper som har gravd seg gjennom fjellmassivet i Alpene og gjort det mulig å konstruere rekordlange tunneler.
Dynamitt satte fart på utgraving
En ting er å grave gjennom myk søle – noe annet å kjempe seg gjennom et fjellmassiv – slik Gotthard-Basistunnelen gjør.
I tunnelhistoriens begynnelse utgjorde hardt fjell et stort problem for ingeniørene, men det var den svenske vitenskapsmannen og oppfinneren Alfred Nobel med på å løse.
Han patenterte i 1867 dynamitten, som skulle vise seg å bli et viktig verktøy i tunnelingeniørenes kamp mot harde bergarter. Den franske ingeniøren Germain Sommeiller innså at dynamitten, i kombinasjon med trykkluftbor, ville være svært effektivt.
Arbeiderne kunne nå bore mindre hull i fjellveggen som dynamitten kunne plasseres i. Det var mye mer effektivt enn metoden som var brukt tidligere, og som var basert på svartkrutt og hånddrevne bor.
De to nye teknologiene innebar at den 12,8 kilometer lange Fréjus-togtunnelen mellom Frankrike og Italia, som Sommeiller ledet arbeidet med, åpnet i september 1871, flere år tidligere enn planlagt.
4 milepæler i tunnelhistorien
Themstunnelen går under en elv
Den første tunnelen under en elv var 366 meter lang og gikk under Themsen i London. Den åpnet for fotgjengere i 1843 og som jernbanetunnel i 1869. Tunnelen er 7 ganger 11 meter i tverrsnitt og er i dag en del av Londons undergrunnsbane.
Fréjus forbandt togtransport
Med 13,7 kilometer var jernbanetunnelen Fréjus sin tids store ingeniørbedrift, og den ble et viktig bindeledd for togtransporten gjennom Alpene mellom Italia og Frankrike. Tunnelen var dobbelt så lang som den forrige rekordholderen.
Kanaltunnel hadde to løp
Verdens tredje lengste jernbanetunnel – og den lengste under vann – er kanaltunnelen mellom Folkestone i England og Coquelles i Frankrike. Tunnelen er 51 kilometer og består av to løp med jernbanespor. 37,9 kilometer befinner seg under havbunnen.
Gotthard-Basistunnelen satte rekord
Med 57 kilometer satte Gotthard-Basistunnelen rekord som verdens lengste da den sto ferdig i 2016. Den tidligere rekordholderen var Seikantunnellen i Japan. Utgravingen består av to parallelle tunnelløp, hvert med ett spor.
I dag brukes fortsatt dynamitt til å anlegge særlig kortere tunneler, ettersom metoden er både effektiv og billig. I arbeidet med Gotthard-Basistunnellen ble nødstasjoner sprengt ut i fjellet.
Skjæreskiver tar over
Til de aller lengste tunnelene i verden, som Gotthard-Basistunnellen er den foreløpige kulminasjonen av, er de store tunnelboremaskinene det viktigste redskapet i ingeniørenes verktøykasse.
En av de første tunnelboremaskinene ble sendt i aksjon under utgravingen av Hoosac-tunnelen i Massachusetts i USA. Maskinen gikk under navnet Wilson’s Patented Stone-Cutting Machine og ble patentert av oppfinneren Charles Wilson i 1847.
Tunnelboremaskinen brøt imidlertid sammen etter å ha gravd ut bare tre meter tunnel, og arbeiderne måtte etter en lengre pause vende tilbake til å bruke trykkluftbor og svartkrutt.
Wilsons maskin var en forløper for moderne tunnelboremaskiner ettersom hodet var forsynt med såkalte skjæreskiver som hver for legger press på fjellet slik at det sprekker opp.
Gotthard-Basistunnellen ble gravd ut med flere tunnelboremaskiner med en diameter på om lag 9,5 meter.
3 oppfinnelser gjorde tunneler mulige
Moderne tunnelboremaskiner både graver ut og stabiliserer tunnelløp, mens datateknologi regner ut hvilket trykk borhodet må bruke for å kunne grave uten å ødelegge stabiliteten i fjellet.
Skjæreskiver gnager seg fram
Borhodet er 15 meter bredt og roterer mens det presser mot fjellveggen. Mindre skjæreskiver sørger for å bryte ned utgravd materiale ytterligere, før de røde delene fører materialet til et transportbånd.
Boreskjold sikrer mot uhell
Bak borhodet er det et støttende skjold, og maskinen skyter inn bolter i tunnelveggen. Buer av trådnett og stål blir fôret til boltene før en robot stabiliserer veggen ytterligere ved å dekke den med betong.
Kjempeplater skaper bevegelse
Røde gripeplater presser mot sidene i tunnelen, mens de grå hydrauliske sylinderne skyver borhodet framover. Dermed skyver boret seg fram til nye flater under bakken.
En av dem, med kallenavnet «Gabi 2», var i alt 441 meter lang og hadde 5000 hestekrefter til å drive borhodet. Under utgravingen av det harde alpemassivet ble hver av de 60 skjæreskivene på tunnelboremaskinens roterende borhode utsatt for et trykk på opptil 27 tonn.
Borhodets overflate er forsynt med et stort antall mindre og roterende skjæreskiver som presser fjellet i stykker mens borhodet dreier rundt.
Materialet faller ned på et transportbånd som flytter det bak gjennom maskinen slik at det kan fraktes videre ut av tunnelen. Under skjæreprosessen sørger vannstråler for å forhindre støvdannelse og kjøle ned borhodet.
For å få det nødvendige trykket mot fjellet har tunnelboremaskinen hydrauliske spennbakker som trykker mot tunnelveggen og skyver maskinen framover.
En milepæl ble nådd ved Gotthard-Basistunnelen da det første gang var mulig å ta et bilde av borhodet fra den andre siden av tunnelen. Nå var det forbindelse hele veien.
Underveis kan tunnelen fôres med armering og betong, eller det kan settes inn betongelementer for å fôre tunnelen som et fullstendig betongrør. På sitt mest effektive gravde tunnelboremaskinene ut og sikret omkring 40 meter tunnel om dagen.
Sikkerheten er på topp
Akkurat som oversvømmelsen ved arbeidet med tunnelen under Themsen i 1828 har også Gotthardtunnelen opplevd katastrofer.
- oktober 2001 var det en stor brann i biltunnelen som krevde elleve dødsofre. En lastebil tok fyr etter en kollisjon, og flammene spredte seg over 300 meter gjennom tunnelen.
VIDEO: Slik fungerer tunnelboremaskinen
Borhodet arbeider seg langsomt fram, mens utgravd materiale blir sendt bakover på slisker, og tunnelen blir stabilisert av enorme rør.
I Gotthard-Basistunnelen sørger to atskilte tunnelløp i hver sin kjøreretning for at det ikke kan skje sammenstøt mellom tog som passerer hverandre.
Dessuten er tunnelen forsynt med to ventilasjonsstasjoner og 24 vifter som sørger for å skifte ut luften i tunnelløpene i tilfelle en ulykke der det for eksempel utvikler seg røyk etter en brann.
Hver tunnel er dessuten utstyrt med et vannsirkulasjonssystem som samler opp skitt og giftige stoffer skilt ut fra togene. Vannsystemet pumper fem liter vann i sekundet.
VIDUNDERET: Gotthard slanger seg 57 kilometer gjennom Alpene
Ingen andre tunneler i verden kan måle seg med Gotthard-Basistunnelen, som kutter reisetiden med tog fra Zürich til Milano med en time. Arbeidet har tatt 17 år. Om lag 50 passasjertog og 260 godstog kjører gjennom Alpene hver dag.
1. 2300 meter under fjellets overflate
Gotthard-Basistunnelen er 57 kilometer lang, rommer 308 kilometer med spor og ligger noen steder 2300 meter under fjellets overflate. Det gjør tunnelen til den lengste togtunnelen i verden og samtidig den som ligger dypest under overflaten.
2. Parallelle spor gir sikkerhet
De nord- og sørgående togskinnene er skilt fra hverandre for å fjerne risikoen for sammenstøt mellom motgående tog. I nødssituasjoner blir tog automatisk ledet til nødstasjoner der passasjerene evakueres over i det motsatte tunnelløpet.
3. Nødstasjoner redder ut folk
Evakueringstog kan samle opp opptil 1000 passasjerer på i alt fire nødstasjoner. Et sentralt kontrollsystem registrerer automatisk røyk ved hjelp av sensorer i tunnelløpene. Ved nødstasjoner åpner togdører og dører til evakueringstunneler automatisk.
4. Ventilasjon tilfører frisk luft
24 kraftige vifter ved tunnelinngangene forsyner tunnelene med frisk luft – eller trekker ut luft ved ulykker for å bidra til å slukke brann. Dessuten sørger tunnelens ventilasjonsanlegg for å transportere luft ut av tunnelløpene.
I tilfelle tunnelbrann blir et tog i tunnelen automatisk ledet til den nærmeste nødstasjonen – som det er to av per tunnelløp – der passasjerene kan evakueres over i det motsatte tunnelløpet. Brannslukkingstog med en besetning på fem mann kan innen fem minutter være klare til å rykke ut for å slukke brannen.
Dessuten sørger 178 tverrgående passasjer i tunnelen for at passasjerene kan krysse over i sikkerhet i det motsatte tunnelløpet for hver 325 meter.
Dermed kan passasjerene nyte turen gjennom Gotthard-Basistunnelen i visshet om at ingeniørene også har tenkt på sikkerheten underveis på reisen gjennom verdens lengste togtunnel.