tunnel

Ved konvensjonell tunneldrift med boring og sprengning vil man arbeide seg stegvis framover ved en såkalt salvesyklus. Man sprenger 5–6 meter lange salver ved å bore, lade, sprenge og deretter ventilere, laste opp og transportere utsprengt masse ut av tunnelen, samt stabilitetssikre ny bergoverflate.

Metoder og utstyr vil være avhengig av bergmassens kvalitet, tunneltverrsnittet og tunnellengden. I tverrsnitt mellom 6 og 15 kvadratmeter (m²) vil som regel laste- og transportutstyr gå på skinner, men det kan også brukes spesialmaskiner på hjul. For større tverrsnitt enn 15 m² er hjulgående utstyr, eventuelt lasteutstyr på belter, enerådende.

Boring av hull for sprengstoff skjer med hydraulisk drevne boremaskiner som er montert på en borerigg med hydraulisk drevne armer, hvor posisjonering og boredybde bestemmes ved hjelp av datastyring. Borehullene rettes i hovedsak parallelt med tunnelaksen etter en boreplan.

Borehullene fylles med sprengstoff av ulik styrke, avhengig av hvor i tverrsnittet de er plassert. Sprengstoffet kan være patronert, men bulksprengstoff er i dag tilnærmet enerådende. I bunnen av hvert hull plasseres en tenner som skal starte detonasjonen av sprengstoffet i hullet på et planlagt tidspunkt.

Etter at salven er sprengt, må området ventileres slik at det blir tilfredsstillende arbeidsatmosfære for etterfølgende arbeider. Avgassene fra sprengstoffet fortynnes og blåses eller suges ut av tunnelen ved tilførsel av store mengder ren luft. Ventilasjonssystemet skal også håndtere avgasser fra fossildrevne maskiner, samt svevestøv generert i tunnelbyggingen.

De utsprengte massene blir lastet opp og transportert ut av tunnelen etter at frilagt bergoverflate er vurdert som stabil nok til at lasting kan foretas. Om bergmassen vurderes til å ha for lav stabilitet, må frilagt bergoverflate stabilitetssikres slik at det blir trygge arbeidsforhold for lasting og transport.

Salvesyklusen avsluttes med kartlegging av bergmassekvalitet og påfølgende stabilitetssikring med for eksempel bergbolter og sprøytebetong. Det brukes ulike metoder for stabilitetssikring, avhengig av bergmassekvaliteten. I god bergmasse kan det være tilstrekkelig å renske ny bergoverflate for løse blokker og installere sikringsbolter. I dårlig bergmasse og svakhetssoner kan det være nødvendig å installere stabilitetssikring i form av en kombinasjon av sikringsbolter, sprøytebetong og armerte betongkonstruksjoner.

For hver salve vil man rykke fram et antall meter, bestemt av boredybde og sprengningsresultat. I små tverrsnitt (omkring 20 m²) i god bergmasse og med godt tilpasset utstyr, vil man kunne oppnå en inndrift på 60–75 meter i løpet av en normal arbeidsuke. Med tverrsnitt på 40–80 m² vil inndriften kunne være 35–50 meter per uke. I dårlige bergmasser med stort behov for stabilitetssikring, vil ukeinndriften bli sterkt redusert, gjerne til ⅓ eller lavere.

I Norge er det vanlig å utføre tunneldriften slik at hele tverrsnittet sprenges ut i én salve. Ved tverrsnitt fra omkring 80 m² og oppover er det aktuelt å sprenge tunnelen med oppdelt tverrsnitt, enten slik at halve tverrsnittet sprenges først og deretter utvides sideveis, eller at den øvre delen av tverrsnittet sprenges først som toppstoll og den nedre delen etterpå som bunnstross. Den siste metoden er mest aktuell i tunneltverrsnitt over 200 m² og i store bergrom/fjellhaller.

Tunneler i løsmasser bygges på forskjellige måter. Hvis overdekningen er begrenset, graves det ofte ut en åpen grøft som avstives. Tunnelvegger og -tak forskales og støpes, og masse fylles over. Resterende grave- og støpearbeider, samt montering av tekniske installasjoner gjøres under jord. Denne metoden har vært vanlig ved bygging av tunnelbaner i mange byer og forutsetter at tunnelene følger gateløpene, samt at de ligger forholdsvis grunt. T-banen under Studenterlunden i Oslo er bygd på denne måten.

I London ble det utviklet en metode hvor man gravde ut et tunneltverrsnitt direkte ved å presse et skjold framover i løsmassen (skjolddrift). Det krever kontinuerlig understøttelse bak skjoldet, og hele tverrsnittet ble derfor sikret ved montering av en fôring etter hvert som skjoldet ble presset fram. Fôringsrøret ble samtidig brukt til mothold når skjoldet skulle presses frem. Som fôring ble det opprinnelig brukt støpejern og murstein, siden er også betongfôringssystemer blitt utviklet. Metoden er videreutviklet til dagens tunnelboremaskiner for løsmasser.

Ved dypereliggende tunneler og ved passering under elver vil det alltid forekomme grunnvann, eventuelt strømmende grunnvann. For å beherske det vil man måtte bygge inn skjoldet og forsyne det med sluse, slik at arbeidsrommet i skjoldet holdes under overtrykk. Trykket må tilpasses slik at det balanserer vann- og jordtrykket. Den første tunnel under en elv ble påbegynt av den kjente britiske ingeniøren Marc Isambard Brunel allerede i 1807. Tunnelen går under Themsen, og ble fullført i 1843 av Brunels sønn. Den er fortsatt i bruk som jernbanetunnel.

Et spesielt problem med tunneler i byer og tettbebygde strøk er at de ofte kan føre til permanent senkning av grunnvannstanden i den sonen der tunnelen går. Hvis man får en slik grunnvannssenkning rundt en tunnel i løsmasser eller over en tunnel i bergmasse som har overdekning med løsmasser, blir resultatet større eller mindre setninger i løsmassen og dermed setninger i bygninger og anlegg over tunneltraseen. Særlig alvorlig kan setningen bli der bygningene er fundamentert på trepæler eller treflåter som tidligere lå under grunnvannsstanden. Kommer slike fundamenter over grunnvannsstanden, vil de bli ødelagt etter kort tid. Tunnelene må derfor bygges vanntette, slik at grunnvannsstanden blir som før, eller man må etablere nye fundamenter for å hindre ødeleggelse av bygningene.

I Danmark og Nederland er det utviklet metoder for kryssing av elver eller sund med tunnel. Man bygger da store betongseksjoner i dokk, tetter disse i begge ender, sjøsetter dem og setter dem ned på bunnen i en grøft som er gravd ut på forhånd. Under Göta älv i Göteborg og under Limfjorden nord for Ålborg ble det i 1960-årene bygd slike tunneler. Denne teknikken er også brukt i Norge på en strekning av Bjørvikatunnelen, som er en forlengelse av Festningstunnelen i Oslo.

For å erstatte fergesamband og korte ned veistrekninger, kan man bygge undersjøiske tunneler. I Norge ligger forholdene til rette for slike løsninger. Planlegging og prosjektering av fjordkryssinger krever omfattende undersøkelser av geologi og topografi. Bergmassens egenskaper analyseres ved hjelp av seismikk og prøveboringer. Undersjøiske tunneler bør helst bygges i tett og sterk bergmasse, men som regel er det én eller flere svakhetssoner i bunnen av en fjord. Nødvendig lengde for tunnelen bestemmes av akseptabel gradient, vanndybde og nødvendig bergoverdekning.

Alle fjordkrysninger vil få innlekkasjer av vann. De har derfor pumpesump for oppsamling og utpumping av lekkasjevann, med automatisk registrering av vannivået. Brannberedskapen i ettløps undersjøiske veitunneler er spesielt krevende siden rømningsveien alltid vil være i motbakke. Den første undersjøiske veitunnel som ble bygd i Norge, var under Bussesundet ved Vardø.

Sikkerheten i samferdselstunneler er underlagt et omfattende regelverk, blant annet plan- og bygningsloven, tunnelsikkerhetsforskriften (veitunneler), forskrift om sikkerhet på jernbanenettet og brann- og eksplosjonsvernloven. I tillegg kommer egne normaler, håndbøker og veiledere i de ulike samferdselsetatene.

Stabilitetssikring skal hindre nedfall av blokker eller steiner, og i verste fall kollaps av tunnelen under bygging eller i tunnelens levetid. Det legges særlig vekt på at det skal være sikkert for mennesker å arbeide i eller bruke tunnelen. I gode bergmasser kan tunneltak og -vegger kreve bare lett stabilitetssikring, men bergmassen kan også ha dårlige partier og svakhetssoner som krever mye og tung stabilitetssikring umiddelbart etter utsprengning.

Det grunnleggende prinsippet for stabilitetssikring i norske tunneler er å utnytte bergmassens iboende styrke i størst mulig grad. Tunneltak og -vegger utgjør en bærende bue som forsøkes bevart best mulig gjennom sprengningsteknikk og installasjon av sikringsmidler.

De vanligste sikringsmetodene er bolter og sprøytebetong for å hindre at større eller mindre blokker eller steiner faller ut og dermed svekker den bærende buen. Tyngre sikringsmetoder som brukes i dårlige bergmasser, for eksempel sprøytebetongbuer og betongutstøping kan dimensjoneres for å bære noe av den overliggende bergmassens vekt i tillegg til å bevare den bærende buen av bergmasse. I vanskelige partier kan det være aktuelt å injisere bergmassen foran stuffen (arbeidsfronten) med sementmørtel for å begrense vannlekkasjer inn i tunnelen og samtidig øke bergmassens styrke. I sjeldne tilfeller er bergmassen så svak at den må fryses før tunnelen kan gå gjennom, noe som er en tidkrevende og meget kostbar prosess.

I veitunneler er ventilasjon helt avgjørende for trafikksikkerheten. Ventilasjonssystemet skal tilføre friskluft for å tynne ut og fjerne helseskadelige gasser fra forbrenningsmotorer og støv fra kjøretøy og veibane.

Ved langslufting skaper vifter i tunneltaket en luftstrøm i tunnelens lengderetning. Det betyr at konsentrasjonen av forurensninger øker langs tunnelen i samme retning som luftstrømmen går. Langslufting er mest brukt i Norge. Tverrlufting betyr at friskluft pumpes gjennom en langsgående kanal og slippes ut like over veibanen langs hele tunnelens lengde. Samtidig suges forurenset luft ut gjennom en langsgående kanal øverst i motsatt vegg av der friskluft slippes ut. Luftstrømmen beveger seg da på tvers av tunnelen og konsentrasjonen av forurensinger vil være lik langs hele tunnelen. I begge tilfeller styres frisklufttilførselen ved hjelp av sensorer som bestemmer luftmengden fra viftene slik at konsentrasjonen av gasser og støv holdes under gitte grenser.

Jernbanetunneler har betydelig mindre behov for tilførsel av friskluft enn veitunneler. I slike tunneler vil som regel stempelvirkningen av togene gi tilstrekkelig lufttilførsel.

Trafikken i vei- og jernbanetunneler overvåkes og styres kontinuerlig av veitrafikksentralene og trafikkstyringssentralene (jernbane).

Tunneler med stor trafikkmengde, særlig veitunnelene, har flere sikkerhetssystemer. Dette kan være bygningstekniske tiltak som havarinisjer, rømningsveier og skilting, eller elektroniske systemer som kamera, ledelys, nødnett, innsnakk på bilradio og flere.

Styring av ventilasjonsretning og -mengde er særlig viktig ved brann eller røykutvikling i vei- og jernbanetunneler, både for å sikre trafikantene under rømning og for å kontrollere brannforløpet og røykspredningen.

Alle samferdselstunneler driftes og vedlikeholdes i henhold til et regelverk. Dette er mest synlig i veitunneler, som må stenges i korte perioder for å utføre for eksempel vask, utskifting av tekniske installasjoner og annet. I jernbanetunneler skjer vedlikeholdet i perioder uten trafikk, det vil si om natten.

Samferdselstunneler gjennomgår periodiske kontroller av tekniske systemer og bygningstekniske konstruksjoner som bergmasse og stabilitetssikring, skinnegang, veibane og rømningsveier.

I middelalderen var tunnelbygging ikke særlig utbredt, men ble for eksempel anvendt i forbindelse med festningsverk og gruvedrift. På 1700-tallet dominerte kanalbygging innen samferdsel, og flere steder i Europa ble det bygget tunneler for kanalanlegg. Den første kanaltunnelen ble bygget for Languedoc-kanalen (nå Canal du Midi) i Frankrike og ble åpnet i 1681. Man tror det var her det for første gang ble tatt i bruk krutt som sprengstoff ved tunnelbygging i større skala.

1800-tallet ble dominert av jernbanetunneler. Sankt Gotthard-tunnelen (15 000 meter) i Alpene ble åpnet for trafikk i 1882 etter en byggeperiode på ti år. Omkring 200 arbeidere døde under bygging av tunnelen, og mange flere ble hardt skadet.

I 1860 startet byggingen av London Underground, og første linje åpnet i 1863. Senere har linjenettet blitt utvidet slik at det nå har en lengde på litt over 400 kilometer, det meste av dette i tunnel. Londons tunnelbane ble forbilde for mange andre byer som også startet bygging av tunnelbaner omkring 1900. Det er nå mer enn 200 byer verden over som har tunnelbane som et viktig transportsystem.

Blant senere, grensesprengende prosjekter kan nevnes to undersjøiske jernbanetunneler. Seikantunnelen (53 850 meter) som går under Tsugarustredet mellom øyene Honshu og Hokkaido i Japan, og Eurotunnelen (50 460 meter) som går under Den engelske kanal mellom Folkestone i England og Coquelles i Frankrike. Seikantunnelen ble åpnet i 1988 og Eurotunnelen ble åpnet i 1994.