For at forstå fremtiden for tunnelbyggeri er det nødvendigt at studere fortiden

Tunneler har udgjort en vigtig del af verdens infrastruktur i mange år. Har de ændret sig meget? Bruger vi stadigvæk de samme teknikker til tunnelbyggeri? Har vi egentlig stadigvæk behov for tunneler, eller vil fremtidens civilingeniører i større grad benytte andre typer infrastruktur? Vores egen ekspert, Tommy Olsen, siger, at hvis vi vil forstå fremtiden for tunnelbyggeri, så skal vi studere fortiden.

HVAD ER EN TUNNEL?

I sin mest grundlæggende form er en tunnel en konstruktion, som skaber et rum under jorden, for eksempel for at give adgang til naturressourcer, til opbevaring eller som en passage under en forhindring (et bjerg/en bakke/en by osv.) under jordens overflade eller under vand. I modsætning til broer beskrives de ikke ud fra deres konstruktionsmæssige form og funktion, men efter konstruktionsmetoden, dvs. ved brydning eller udgravning, boring og sprængning, Cut & Cover, udboring eller nedsænkning (se flere oplysninger i faktaboksen nedenfor).

SAMFUNDET VIL ALTID HAVE BEHOV FOR TUNNELER

Vidste du, at den første kendte tunnel i verden var Eufrat-tunnelen i Mesopotamien (det nuværende Irak)? Den blev bygget omkring 2170 f.Kr., var vandtætnet med asfalt og forbandt de to sider af byen Babylon under floden Eufrat. Resterne af den undersøiske tunnel er aldrig blevet fundet, men græske historikere har beskrevet den i gamle optegnelser.

De tidlige tunneler, som var til gavn for samfundet i almindelighed, blev udgravet til brug for minedrift ved udvinding af eksempelvis kobber eller andre metaller, men de er ikke alle registreret.

Da moderne kloaksystemer blev indført i større byer i Europa for omkring 200 år siden, forbedredes de sanitære forhold og folkesundheden betydeligt. 

Virus- og bakteriesygdomme spredes ikke så let, selvom folk boede tæt sammen i byområder som resultat af den industrielle revolution og den deraf følgende befolkningstilvækst. Ved at fjerne mere spildevand under jorden kunne man beskytte mennesker, så de kunne bo tættere sammen.

Med det tempo, som urbaniseringen sker med i dag, er der stadigvæk behov for tunneler – og ikke kun til kloaksystemer!

Thames Tunnel under floden Themsen i London blev bygget i 1843. Det var den første undersøiske tunnel, og den er stadig i drift i dag! Den anvendte konstruktionsmetode var den såkaldte Shield-metode (udviklet af I. K. Brunel), som bestod af en ramme til stabilisering af udgravningen, efterhånden som brydningsfronten bevægede sig fremad under udgravningen. Shield-metoden blev opfundet for at forbedre arbejdernes sikkerhed og øge produktionshastigheden. Denne metode blev brugt til de fleste af de lange jernbanetunneler i Storbritannien i Victoriatiden og banede vejen for de moderne tunnelboremaskiner (TBM).

Når mennesker mødes, opstår der ideer, viden deles, markeder vokser, teknologier udvikles, mennesker får flere muligheder, og som resultat af dette forbedres økonomien. En byøkonomi i vækst kræver mere energi, mere vand, mere mad og en bedre tilførsel af produkter. Industrielle økonomier understøtter ofte investeringer i innovation og miljøforbedringer, når der bygges større infrastrukturprojekter. Vejinfrastruktur, offentlig transport, vandforsyning, kloakering, kraftværker og højspændingsledninger osv. er nødvendige i både udviklingsøkonomier og industrielle økonomier. Og tunneler kan ofte være løsningen på, hvordan disse "behov" kan dækkes, samtidig med at der tages hensyn til naturen, miljøet og de kommende generationer.

For at efterspørgslen på naturressourcer kan reduceres, skal eksisterende infrastruktur opfylde sin funktion i længere tid, før der bygges ny infrastruktur.

I denne artikel vil vi i højere grad fokusere på tunneler til transport …

TRANSPORTTUNNELER SOM BESKYTTER AREALER PÅ OVERFLADEN

De første undergrundstog blev bygget i storbyer som London, Paris, Budapest og New York for mere end 150 år siden, og de er stadig i brug i dag. Brugen af underjordiske tunneler er en meget effektiv transportmetode, og underjordiske netværk til personbefordring udbygges overalt i verden. De påvirker eller blokerer ikke eksisterende aktiviteter på overfladen, og de er især af interesse, hvor der er et voksende behov for plads i byerne på grund af den hurtige urbanisering og mangel på arealer. Desuden påvirkes trafikken i tunnelerne ikke af myldretiden i trafiksystemerne på overfladen.

Og det er ikke kun i byerne, at man overvejer at bruge tunneler til transport. Der er også et voksende behov i landområderne, hvor man ønsker at beskytte naturen. Da der er et stort behov for at transportere personer og gods (hvilket normalt kræver længere veje og længere jernbanelinjer), nogle gange forbi vanskelige forhindringer som bjerge og vand, er det ofte et krav, at infrastrukturen fylder mindre på overfladen, både i byer og på landet. Og så skal vi huske på, at det ofte er at foretrække, at infrastruktur er "usynlig" …

HVORFOR VÆLGE EN TUNNEL? HVORFOR IKKE EN BRO?

Samfundet investerer i infrastruktur som et fælles gode. Infrastruktur skal ikke blot understøtte økonomien i en region, men også beskytte samfundsgrupper, miljøet og klimaet. I én og samme løsning!

I forbindelse med større infrastrukturprojekter skal der ofte findes en balance mellem de planlagte byggeomkostninger og de identificerede fordele (eller ulemper). Andre løsninger, der konstrueres på overfladen, som eksempelvis en bro, kan ofte udfylde samme funktion og koster typisk mindre. Alligevel vælger man ofte en tunnel, fordi den har den langsigtede fordel, at der bliver mere plads på overfladen.

Ved planlægning af ny infrastruktur SKAL de løsninger, hvor der identificeres flest fordele til den lavest mulige pris, overvejes. Den billigste løsning er dog ikke altid den løsning, der har flest fordele. Det kræver derfor logisk og systematisk beslutningstagning at finde en bæredygtig løsning med en acceptabel balance mellem fordele og ulemper. De specifikke løsninger vil variere afhængig af flere faktorer – for eksempel placeringen.

Tunneler under vand bygges som faste forbindelser under floder, bugter, bælter, fjorde og havne, hvor tunneler nogle gange er et meget attraktivt alternativ til en bro. Det kan for eksempel være i en havn, hvor en tunnel kan påvirke skibstrafikken mindre. Eller hvor en bro ville kræve lange tilkørselsspænd eller påvirke indflyvningen til og fra en lufthavn i nærheden. Hvis det er muligt at beskytte det eksisterende naturlandskab eller bevare et steds identitet, kan en tunnel generelt være et meget attraktivt alternativ til en bro.

HVORFOR ER PLACERINGEN VIGTIG?

Tunneler er bygget til at passere naturlige barrierer som eksempelvis bjerge, vand eller menneskeskabte forhindringer i landskabet. Nogle gange er selve jordforholdene afgørende for infrastrukturens udformning. Det kan eksempelvis være udgravede tunneler, hvor gunstige jordforhold ofte vil definere tunnelføringen. De vigtigste faktorer, man skal være opmærksom på, når man overvejer fordelene ved at bygge en tunnel, er de mennesker, som skal bruge tunnelen, og den omgivende natur – geologi, miljø, klima, vegetation samt adgang til ressourcer, energi og vand.

De samfund, der ville have fordel af en tunnel, vil stadigvæk være afhængige af den omgivende natur og de omgivelser, de bor i. Man bør spørge: Hvor god er adgangen til naturressourcer? Hvad er de lokale behov for energi? Hvilke eksisterende fysiske forbindelser og barrierer er der mellem steder, og hvordan vil denne nye infrastruktur påvirke de mennesker, som bor der? Er disse forbindelser og barrierer afhængige af bjerge, store skove, bymæssig bebyggelse, vand eller ørken?

De naturlige omgivelser har formet, hvordan mennesker har levet tidligere – hvordan de har fået deres ressourcer, skabt forbindelser til naboer, som de har handlet med, og hvordan teknologi er blevet indført på nye steder. Det ses i den historiske udvikling af det pågældende samfund. Tunnelbygning påvirkes i høj grad af den lokal omgivende natur. Men vi ved også, at tunneldesign omfatter mange elementer, som kan bruges universelt over hele verden, når man har grundigt kendskab til de lokale betingelser. Det er især tilfældet i forbindelse med unikke tunnelprojekter, som sætter rekorder.

I takt med at samfundet og teknologien ændrer sig, så ændrer behovet for plads under jorden og tunneler sig også. Miner, som tidligere har været brugt til udnyttelse af naturressourcer, kan, hvis de rigtige forhold er til stede, i dag bruges til opbevaring, industrikomplekser eller boliger. Nogle tunneler er blevet bygget som beskyttelsesrum i krigstid, og funktionen af fleksibel og holdbar plads under jorden kan således ændres mange gange i løbet af konstruktionens levetid.

SÅDAN HAR PLACERINGER OG DEN OMGIVENDE NATUR PÅVIRKET TUNNELTEKNOLOGI

Klippetunnelteknologier, som blev udviklet i mineindustrien, er blevet skaleret op og bruges nu i stort omfang til bjerg- og bytunneler til veje og offentlig transport. Teknologier, som oprindeligt blev udviklet til bygninger, broer og konstruktioner til søs, bruges nu til dybe udgravninger til underjordiske rum og faste forbindelser.

Jordforholdene har en direkte og betydelig indflydelse på konstruktionsomkostningerne. Det foretrækkes derfor at placere tunnelerne i stabile jordforhold (f.eks. klippe eller fast ler), da det medfører lavere konstruktionsomkostninger og mindre risiko. I byer med meget varierende jordniveauer er det ofte en udfordring at placere linjeføringen for en metro, så den passer til overfladen, hvorfor det kan være nødvendigt at bygge nogle metrostationer meget dybt under jorden for at tilpasse dem til topografien og den komplekse eksisterende byudvikling.

Placeringen af og adgangen til naturressourcer, som er defineret af geologi, er ofte afgørende for prisen på byggematerialer og de foretrukne konstruktionsmetoder. På steder med stabil klippegrund bygges tunneler inde selve klippen, så der er et begrænset behov for materialer til understøttelse af klippemassen, da man om muligt helst udnytter klippens selvholdende evne. I områder med klippe med mange revner eller lav styrke eller med sand eller grus skal tunnelen støttes af beton og stål. Adgangen til byggematerialer er afgørende for byggeomkostningerne og den foretrukne konstruktionsmetode på en given placering.

DET HELE BEGYNDER MED NATURRESSOURCER, ENERGI OG VAND

Kul har været en afgørende energikilde siden industrialiseringen. Det har været anvendt som brændsel til drift af transportløsninger som tog og skibe, og det har været brugt på fabrikker til udskæring af træ til møbler, fremstilling af tekstiler til tøj, fremstilling af jern og stål osv., og man brænder det fortsat for at producere strøm. Mange steder i verden er kul i løbet af de seneste 50 år blevet erstattet af olie og gas, og i de kommende år vil det blive erstattet af andre bæredygtige teknologier som vandkraft – hvor man udnytter vand i bevægelse til at producere strøm.

Men hvad har det med tunneler at gøre?

Jo … vandkraftværker ligger normalt i bjergrige områder, og tunneler bruges ofte til at lede vand fra en større højde til en strømgenerator placeret i en lavere højde, som derefter driver en turbine, der genererer strøm til transport, industri og boliger. Tunneler kan også bruges til at pumpe vand frem og tilbage i et lagringsanlæg med en hydroelektrisk pumpe. Det er en type hydroelektrisk energilager, som strømsystemer bruger til afbalancering af belastning. Ved hjælp af denne metode lagres energi i form af potentiel energi bundet til tyngdekraft i vand, som pumpes fra et lavereliggende reservoir til en større højde. Denne teknologi anvendes i bjergrige områder over hele verden.

Opbevaringssystemer til energi skabt med vandkraft kan kobles til andre typer bæredygtige energikilder, nemlig vind- og solenergi. Energi genereret af vindmølleparker (på land og på havet afhængig af placering og plads) skal transporteres til brugerne eller til midlertidig lagring, når vindmølleparkens energiproduktion er høj, og efterspørgslen på energi er lav. Infrastrukturen til strømkabler kan lægges i tunneler, hvor pladsen på overfladen er for kostbar til, at der kan placeres højspændingsmaster, eller for længden på luftledninger over eksempelvis en flod vil være for lang.

Energi bruges ikke kun til transport og opvarmning. Der er behov for energi (i store mængder) i industrien til produktion af byggematerialer til tunneler (beton og stål). Mellem 50 % og 75 % af CO2-udledningerne fra tunnelbyggeri stammer fra beton og stål, og størstedelen af disse udledninger stammer fra opvarmning under materialerne produktionsproces.

Ligesom der anvendes tunneler til vandkraft, bygges der tilsvarende tunneler til flytning af vand fra en kilde i eksempelvis et bjergrigt område, til slutbrugeren i eksempelvis en tør, ørkenlignende by eller region.

Der findes store byer i ørkenlignende omgivelser omkring Middelhavet, i det sydvestlige USA, i Mexico, i visse regioner i Indien og Kina samt i Andesbjergene i Sydamerika.

Uden tunneler ville mennesker, som lever i disse områder, kun have adgang til vand via åbne kanaler, som ville skulle beskyttes!

HVORDAN SER FREMTIDEN UD?

Udstyr og materialer til fremtidens tunnelbyggeri vil være mere effektive, hurtigere, mere præcise, mere driftssikre, større, mindre forurenende og mindre støjende, og de vil udlede mindre CO2 og køre på strøm. Længere levetid for komponenter, der ikke kan udskiftes, mere fleksibel funktion over levetiden, stadig mere teknologi i installationer, som udskiftes under levetiden, samt en højere grad af dataindsamling med henblik på ydelse og forvaltning af aktiver. Mere præfabrikation, mindre affald, mere genbrug, mere automation og flere digitale processer til sammenkobling af forsyningskæden fra kilde til bruger. Ydelsesbaserede design, optimeret design til byggeri og drift, minimering af brugen af naturressourcer (inkl. digitale processer i forsyningskæden). Fremtiden handler om "bæredygtige processer og resultater". Som man tidligere har set, for eksempel da forstærkninger blev indført til sænketunneler (i en periode med mangel på stål), så vil de mest tilpasningsdygtige løsninger, der er egnet til efterspørgslen, udvikle sig til at blive den foretrukne teknologi, indtil en anden teknologi tager over.

DER ER DERFOR AFGJORT FORDELE VED TUNNELER

Kort sagt så giver tunneler forbedrede livsbetingelser på mange områder!

De understøtter samfundet ved at opretholde sanitære forhold via systemer til beskyttelse af kloakker samt stormflodsbeskyttelse.

Minetunneler giver adgang til naturressourcer til en voksende befolkning i byområder og byøkonomier med et stadigt voksende fokus på bæredygtig minedrift. Minimering og genbrug af byggematerialer ("urban mining") reducerer behovet for udvinding af begrænsede naturressourcer.

Tunneler bruges til at tæmme vandkraft og til opbevaring af anlæg under jorden til eksempelvis vand- og strømforsyning.

Transportsystemer forbinder mennesker og understøtter virksomheders leverancer af varer og tjenesteydelser.

Tunneler er værdifulde i samfund med en stor økonomisk produktion i områder, hvor mennesker kræver, at infrastrukturen ikke er synlig. På steder, hvor brugere og naboer oplever påvirkning fra infrastruktur, skal den dog være fejlfri og tilpasset de berørte områders behov, ikke omvendt.

Tunneler er nødvendige på steder, hvor pladsen på overfladen allerede er optaget.

Tunneler er ofte dyrere end andre typer infrastruktur, som har en tilsvarende funktion, for eksempel en vej i niveau sammenlignet med en vej i en tunnel. Tunneler kan give omfattende fordele for samfundet, som kan opveje den højere pris ved en tunnel sammenlignet med et billigere alternativ. Fordelene består ofte i, at der skabes værdifuld plads på overfladen.

For at kunne identificere bæredygtige infrastrukturløsninger anbefales det altid at overveje flere alternativer, herunder i nogle tilfælde tunneler. Man skal undgå at vælge det første alternativ, som tjener en smal funktion, eller som har den laveste pris, men i stedet identificere muligheder, som kan bringe langsigtede fordele for de kommende generationer. Det skal dog fremhæves, at en tunnelløsning nogle gange kan være så kostbar, at det er bedre for samfundet ikke at bygge, men at gemme pengene til anden infrastruktur, hvor afkastet på investeringen er højere.

Tunneler har stor værdi. Og jeg er sikker på, at ligesom vi har set brugen og teknologien udvikle sig tidligere, så vil vi også se, at tunneler vil udvikle sig i fremtiden. Hvor tunneler tidligere opfyldte et specifikt behov (vand eller transport), så vil fremtidens tunneler fortsat skulle opfylde den grundlæggende funktion, samtidig med at de vil være designet og bygget til at give maksimale fordele for samfundet med begrænset eller ingen negativ påvirkning af miljøet. Det er blot et spørgsmål om at anvende flere succeskriterier.