Free Press

Taustaa

Tunneli on maanalainen tai vedenalainen kulkuväylä, joka on pääasiassa vaakasuora. Suhteellisen halkaisijaltaan pienissä tunneleissa kulkevat käyttövesijohdot tai ne toimivat putkistoina. Rautateitse tai autoilla ihmisiä kuljettaviin tunneleihin kuuluu usein kaksi tai kolme suurta rinnakkaista käytävää vastakkaissuuntaista liikennettä, huoltoajoneuvoja ja hätäpoistumisreittejä varten.

Maailman pisin tunneli kuljettaa vettä 170 km New Yorkiin Delaware-joesta. Pisin ihmistä kuljettava tunneli on Seikan rautatietunneli. Se on 33 meripeninkulman (53 km) pituinen, halkaisijaltaan 9,7 metrin (32 jalkaa) rautatieyhteys Japanin kahden suurimman saaren, Honshun ja Hokkaidon, välillä.

Yksi odotetuimmista tunneleista oli Kanaalitunneli. Tämä vuonna 1994 valmistunut tunneli yhdistää Ison-Britannian Eurooppaan kolmen, 50 kilometrin pituisen tunnelin (kaksi yksisuuntaista ja yksi huoltotunneli) kautta. Tunnelista 23 mailia (37 km) on veden alla.

Historia

Useat muinaiset sivilisaatiot Intian ja Välimeren alueella ovat kaivaneet tunneleita käsin. Kaivutyökalujen ja kuparisten kalliosahojen lisäksi käytettiin joskus tulta kalliotukoksen lämmittämiseen, ennen kuin sitä kaadettiin vedellä sen halkaisemiseksi. Leikkaa ja peitä -menetelmää – syvän kaivannon kaivaminen, katon rakentaminen sopivalle korkeudelle kaivannon sisälle ja kaivannon peittäminen katon yläpuolelle (tunnelinrakennustekniikka, jota käytetään yhä nykyäänkin) – käytettiin Babyloniassa 4 000 vuotta sitten.

Ensimmäinen edistysaskel käsikaivuuta pidemmälle oli ruudin käyttö 160 metriä pitkän kanavatunnelin räjäyttämiseen Ranskassa vuonna 1681. Kaksi seuraavaa merkittävää edistysaskelta saavutettiin noin vuonna 1850. Nitroglyseriini (dynamiittina stabiloitu) korvasi vähemmän tehokkaan mustaruudin tunnelien räjäytyksessä. Höyryä ja paineilmaa käytettiin porien käyttövoimana, joilla luotiin reikiä räjähdyspanoksille. Tämä koneellistaminen korvasi lopulta manuaalisen prosessin, jonka teki tunnetuksi John Henry, ”teräsmies”, joka heilutti 4,4 kg:n (10 paunan) moukaria kummallakin kädellä 12 tuntia päivässä ja löi teräksisiä taltoja jopa 4,2 m:n (14 jalan) syvyyteen kiinteään kallioon.

Vuosien 1820 ja 1865 välisenä aikana brittiläiset insinöörit Marc Brunel ja James Greathead kehittivät useita tunnelointikilven malleja, joiden avulla he pystyivät rakentamaan kaksi tunnelia Thames-joen alle. Suorakulmainen tai pyöreä kotelo (kilpi) oli jaettu vaaka- ja pystysuunnassa useisiin osastoihin. Kussakin osastossa työskentelevä mies pystyi poistamaan yhden lankun kerrallaan kilven pinnasta, kaivamaan muutaman sentin eteenpäin ja asettamaan lankun takaisin. Kun tilaa oli kaivettu pois koko etupinnalta, kilpi työnnettiin eteenpäin ja kaivaminen toistettiin. Kilven takaosassa työskentelevät työntekijät vuorasivat tunnelin tiilillä tai valurautarenkailla.

Vuonna 1873 yhdysvaltalainen tunnelinrakentaja Clinton Haskins esti vettä tunkeutumasta rakenteilla olevaan rautatietunneliin Hudson-joen alapuolella täyttämällä sen paineilmalla. Tekniikkaa käytetään yhä nykyäänkin, vaikka siihen liittyy useita vaaroja. Työntekijät joutuvat viettämään aikaa paineenpoistokammioissa työvuoronsa päätteeksi, mikä rajoittaa tunnelista poistumista hätätilanteessa. Tunnelin sisäinen paine on tasapainotettava huolellisesti ympäröivän maan ja veden paineen kanssa; epätasapainon vuoksi tunneli joko romahtaa tai puhkeaa (mikä johtaa tulvimiseen).

Pehmeä maaperä on altis sortumalle, ja se voi tukkia kaivauslaitteet. Yksi tapa vakauttaa maaperä on jäädyttää se kierrättämällä jäähdytysnestettä putkissa, jotka on upotettu tietyin väliajoin eri puolille aluetta. Tätä tekniikkaa on käytetty Yhdysvalloissa 1900-luvun alusta lähtien. Toinen stabilointi- ja vedeneristystekniikka, jota on käytetty laajalti 1970-luvulta lähtien, on injektoida laastia (nestemäinen sideaine) tunnelireittiä ympäröivään maaperään tai murtuneeseen kallioon.

Ruiskubetoni on nestemäinen betoni, joka ruiskutetaan pinnoille. Se keksittiin vuonna 1907, ja sitä on käytetty sekä tunnelien alustavana että lopullisena vuorauksena 1920-luvulta lähtien.

Vuonna 1931 keksittiin ensimmäiset porajumbot, joilla kaivettiin tunneleita, joilla Colorado-joki ohjattaisiin Hooverin padon rakennustyömaan ympärille. Nämä jumbot koostuivat 24-30 pneumaattisesta porakoneesta, jotka oli asennettu kuorma-auton lavalle hitsattuun runkoon. Nykyaikaisissa jumboissa yksi kuljettaja voi ohjata useita hydraulisesti ohjattaviin varsiin asennettuja poria. Vuonna 1954 James Robbins keksi Etelä-Dakotassa sijaitsevan padon rakentamiseen tarvittavia tunneliporaustunneleita rakentaessaan tunneliporakoneen (TBM), joka on sylinterinmuotoinen laite, jossa on pyörivään etupintaan kiinnitetyt kaiva- tai leikkuupäät, jotka jauhavat kiveä ja maata koneen liikkuessa eteenpäin. Nykyaikaiset TBM-koneet räätälöidään kutakin hanketta varten sovittamalla leikkaavien päiden tyypit ja sijoittelu kohteen geologiaan; lisäksi TBM-koneen halkaisijan on vastattava suunnitellun tunnelin halkaisijaa (mukaan luettuna sen vuoraus).

Raaka-aineet

Tunneleissa käytettävät materiaalit vaihtelevat kuhunkin hankkeeseen valitun suunnittelun ja rakennusmenetelmän mukaan. Maaperän vakauttamiseen tai tunnelin vuorauksen takana olevien onteloiden täyttämiseen käytettävä laasti voi sisältää erilaisia materiaaleja, kuten natriumsilikaattia, kalkkia, piihöyryä, sementtiä ja bentoniittia (erittäin imukykyinen vulkaaninen savi). Bentoniitti-vesilietettä käytetään myös lietteen suspendoimiseen ja kuljetukseen (tunnelista kaivetut roskat) ja voiteluaineena tunnelin läpi työnnettäville esineille (esim. TBM:t, kilvet). Vettä käytetään pölyn hallintaan porauksen aikana ja räjäytyksen jälkeen, jolloin räjäytykseen käytetään usein matalalla jäätyvää gelatiiniräjähdysainetta. Vesi-suolasuolaliuos tai nestemäinen typpi ovat yleisiä kylmäaineita pehmeän maan stabiloimiseksi jäädyttämällä. Yleisin nykyaikainen vuorausmateriaali, joko teräs- tai kuituvahvisteinen betoni, voidaan ruiskuttaa, valaa paikalleen tai valmistaa elementteinä.

Menetelmän valinta

Tunnelin rakentamismenetelmä määräytyy useiden tekijöiden, kuten geologian, kustannusten ja muiden toimintojen mahdollisen häirinnän mukaan. Samaan suurempaan hankkeeseen kuuluvissa yksittäisissä tunneleissa voidaan käyttää eri menetelmiä; esimerkiksi Bostonin Central Artery/Tunnel -hankkeen osissa käytetään neljää eri menetelmää.

Valmistusprosessi

Valmistelu

• 1 Rakennuspaikan geologiaa arvioidaan tutkimalla maanpinnan piirteitä ja maanalaisia ydinnäytteitä. Koko reitin varrelle voidaan rakentaa pilottitunneli, jonka halkaisija on noin kolmannes suunnitellusta päätunnelista, jotta voidaan arvioida geologiaa tarkemmin ja testata valittua rakennusmenetelmää. Pilottitunneli voi kulkea päätunnelin reitin rinnalla, ja se voidaan lopulta yhdistää siihen tietyin väliajoin ilmanvaihdon, huoltoyhteyksien ja pakoreitin järjestämiseksi. Koetunnelia voidaan myös laajentaa päätunnelin rakentamiseksi.
• 2 Jos maaperän stabilointi on tarpeen, se voidaan tehdä ruiskuttamalla laastia pienistä putkista, jotka on sijoitettu maahan välein. Vaihtoehtoisesti maahan upotettujen putkien läpi voidaan kierrättää kylmäainetta maaperän jäädyttämiseksi.

Kaivostoiminta

• 3 Materiaalin poistamiseen tunnelireitiltä käytetään seitsemää eri menetelmää. Ensimmäinen on uppoputkimenetelmä. Työntekijät valmistelevat vedenalaisen tunnelin paikan kaivamalla kaivannon vesistön pohjaan. Tunnelin kuoren teräs- tai teräsbetoniset osat rakennetaan kuivalla maalla. Kukin osa voi olla useita satoja jalkoja (100 m tai enemmän) pitkä. Jakson päät tiivistetään, ja jakso ujutetaan tunnelipaikalle. Osa sidotaan kaivannon vieressä oleviin ankkureihin, ja osaan rakennetut painolastisäiliöt täytetään vedellä. Kun osa uppoaa, se ohjataan paikalleen kaivantoon. Lohko liitetään viereiseen, aiemmin sijoitettuun lohkoon, ja kummankin lohkon päädyn sinetöivät levyt poistetaan. Kahden osan välinen kumitiiviste takaa vesitiiviin liitoksen.

  Leikkaa ja peitä -menetelmässä työntekijät kaivavat riittävän suuren kaivannon, johon tunneli ja sen kuori mahtuvat. Laatikon muotoinen putki rakennetaan, usein paikalla valamalla teräsbetonia. Tietyissä maaperätyypeissä tai muiden rakenteiden läheisyydessä tunnelin seinät voidaan rakentaa ennen kaivamisen aloittamista, jotta kaivanto ei sortuisi kaivamisen aikana. Tämä voidaan tehdä lyömällä teräslevyjä maahan tai rakentamalla lieteseinä (syvä kaivanto, joka täytetään vesisavetisellä savella, kun maa poistetaan). Kun seinän osa on halutun kokoinen, siihen lasketaan teräsraudoitustangoista koostuva häkki ja pumpataan betonia, joka syrjäyttää märän savilietteen. Kun kaivutyöt etenevät niin pitkälle, että kaivinkoneet ovat maanpinnan alapuolella, kaivannon poikki voidaan asentaa väliaikaisia pintalevyjä, jotta liikenne voi kulkea kaivannon poikki. Kun tunnelin kuori on valmis, se peitetään korvaamalla kaivettu maa-aines.

  Kolmas menetelmä on ylhäältä alas -menetelmä. Rinnakkainen seinäpari upotetaan maahan tunnelin reitin varrella lyömällä teräspeltipaaluja tai rakentamalla lieteseiniä. Seinien väliin kaivetaan kaivanto syvyyteen, joka vastaa suunniteltua etäisyyttä maanpinnasta tunnelin katon sisäpuolelle. Tunnelin katto muodostetaan seinien väliin laatoittamalla ja valamalla teräsbetonia matalan kaivannon pohjalle. Kun tunnelin katto on kovettunut, se peitetään vedenpitävällä kalvolla ja kaivettu maa korvataan sen yläpuolella. Tavanomaisia kaivinkoneita, kuten etukuormaajaa, käytetään kaivamaan maaperä pois väliseinien välistä ja tunnelin katon alta. Kun riittävä syvyys on saavutettu, valetaan teräsbetonilattia tunnelin vaipan täydentämiseksi.

  Poraus- ja räjäytysmenetelmässä porausjumboa käytetään poraamaan ennalta määrätty reikäkuvio kallioon tunnelin reitin varrella. Porattuihin reikiin asetetaan huolellisesti suunnitellut dynamiittipanokset. Räjähteet räjäytetään sellaisessa järjestyksessä, että ne irrottavat materiaalia tunnelin kulkureitiltä vahingoittamatta kohtuuttomasti ympäröivää kalliota. Räjähdysalueen läpi kierrätetään ilmaa räjähdyskaasujen ja pölyn poistamiseksi. Räjähdyksen irrottama murske kuljetetaan pois. Pneumaattisia poria ja käsityökaluja käytetään räjäytetyn osan pinnan tasoittamiseen ja irronneiden kalliokappaleiden poistamiseen.

  

  Eurotunneli.

  Englannin ja Ranskan välisen Englannin kanaalitunnelin, Napoleonin vuosisatoja visioiman ja kannustaman unelman, rakentaminen aloitettiin vuonna 1987. Alun perin Chunneliksi kutsuttu ja nykyisin Eurotunneliksi kutsuttu tunneli valmistui vuonna 1994 13 miljardin dollarin kustannuksin. Kaksi rautatietunnelia (toinen pohjoiseen suuntautuvalle liikenteelle ja toinen etelään suuntautuvalle liikenteelle) ja yksi huoltotunneli ovat kumpikin 50 kilometrin pituisia, ja niiden keskimääräinen syvyys merenpohjan alla on 46 metriä (150 jalkaa). Se on ensimmäinen fyysinen yhteys Britannian ja Euroopan mantereen välillä. Se tarjoaa rautateiden matkustajaliikennettä sekä autojen ja kuorma-autojen lauttaliikennettä. Matka-aika Lontoosta Pariisiin on lyhentynyt yli viidestä tunnista (meriteitse) kolmeen tuntiin Eurotunnelin kautta.

  Seikan-tunneli Japanissa otettiin käyttöön vuonna 1988. 33 mailia (53 km) pitkä tunneli yhdistää Japanin pääsaaren Honshun pohjoiskärjen ja Hokkaidon saaren Tsugaru-salmen alitse. Seikan-tunneli on maailman pisin vedenalainen tunneli, sillä se kaivetaan 100 metriä merenpohjan alapuolelle salmen poikki, jossa meri on jopa 140 metrin syvyydessä.

  Vastapuhalletun osuuden pinta on yleensä tarpeen vakauttaa ja vahvistaa alustavalla vuorauksella. Eräässä tekniikassa käytetään sarjaa teräskylkilistoja, jotka on liitetty toisiinsa puu- tai teräskannattimilla. Toisessa tekniikassa, jota kutsutaan uudeksi itävaltalaiseksi tunnelointimenetelmäksi (NATM), pinta ruiskutetaan muutamalla senttimetrillä betonia. Sopivissa geologisissa olosuhteissa

  

  Suojatunnelointi.

  tätä ”ruiskubetonivuorausta” voidaan täydentää työntämällä kallioon pitkät terästangot (kalliopultit) ja kiristämällä mutterit kunkin pultin päätä ympäröiviä teräslevyjä vasten.

  Viides menetelmä materiaalin poistamiseksi tunnelista on kilpiraivaus- tai tunnelitunkkausmenetelmä. Joitakin tunneleita louhitaan edelleen Greathead-tyyppisellä kilvellä. Kilven yläosa ulottuu sivuja ja pohjaa pidemmälle, mikä tarjoaa suojakaton kilven edessä kaivaville työntekijöille. Kilven yläreunan etureuna on terävä, joten se voi leikata maaperän läpi. Kaivaminen voidaan tehdä käsin tai sähkötyökaluilla. Ylimääräinen materiaali johdetaan takaisin kilven läpi kuljettimella tai hihnalla, lastataan kärryihin ja kuljetetaan pois tunnelista. Kun työntekijät ovat kaivaneet materiaalia kilven edestä niin pitkälle kuin kilven yläosa ulottuu, kilven takaosassa olevat tunkit tukeutuvat viimeksi asennettuun tunnelivuorausosaan. Tunkkien aktivoiminen työntää kilpeä eteenpäin, jotta työntekijät voivat aloittaa toisen osan kaivamisen. Kun kilpi on liikkunut eteenpäin, tunkit vedetään sisään, ja teräs- tai teräsbetonirengasosat pultataan paikoilleen, jolloin muodostuu tunnelin pysyvä vuorauksen osa.

  Tunnelitunkkaus on samankaltainen tekniikka, mutta maan läpi työnnettävä kilpi on itse asiassa tehdasvalmisteinen tunnelin vuorauksen osa.

  Rinnakkaisreikämenetelmässä porataan sarja rinnakkaisia, vaakasuoria reikiä (reikiä) mikrotunnelointikoneilla (mikrotunnelit ovat liian pieniä ihmiskaivostyöläisille työskentelyyn), kuten poraustöillä tai TMB:n pienillä versioilla. Nämä reiät täytetään; niihin voidaan esimerkiksi ajaa teräsputkia, ja sitten putket täytetään laastilla. Täytetyt ajourat muodostavat tunnelireitin ympärille suojakaaren. Kaivinkoneita käytetään maaperän poistamiseen kaaren sisältä.

  Viimeinen menetelmä on tunneliporakoneiden menetelmä. TBM:n pinnan leikkauslaitteiden tyypit ja sijoittelu määräytyvät tunnelipaikan geologian mukaan. Pinta pyörii hitaasti ja hioo edessään olevaa kalliota ja maaperää pois (esimerkiksi Kanaalin tunnelin rakentamiseen käytetyt TBM:t saattoivat pyöriä jopa 12 kierrosta minuutissa optimaalisessa maaperässä). TBM:ää työnnetään jatkuvasti eteenpäin, jotta pintamurskain pysyy kosketuksissa kohteeseensa. Eteenpäin suuntautuvaa painetta voivat aiheuttaa TBM:n takaosassa olevat tunkit, jotka työntävät viimeksi asennettua tunnelivuorausosaa vasten. Vaihtoehtoisesti tartuntavarret voivat ulottua TBM:n sivuilta ulospäin ja painaa kivisiä tunnelin seinämiä vasten pitääkseen koneen paikallaan, kun pintaa työnnetään eteenpäin. Sakka johdetaan pinnan reikien läpi ja kuljetetaan kuljetinhihnalla TBM:n takaosaan, jossa se pudotetaan kärryihin, jotka kuljettavat sen ulos tunnelista. Bentoniittia voidaan pumpata TBM:n pinnan läpi, jotta maaperän pinta olisi paremmin työstettävissä ja jotta lika saataisiin kuljetettua pois. Joissakin TBM:ssä on takana robottikäsivarret, jotka sijoittavat ja kiinnittävät tunnelivuorauksen segmentit heti, kun kone on liikkunut eteenpäin

  

  Teräksestä valmistetut kattopultit kiinnitetään kallioon tunnelin yläosan tukemiseksi.

  riittävä matka. Muissa tapauksissa NATM:ää käytetään alustavan vuorauksen luomiseen TBM:n edetessä.

  Erityisesti tapauksissa, joissa kaksi TBM:ää kaivaa toisiaan kohti tunnelin vastakkaisista päistä, voi olla liian vaikeaa tai kallista poistaa ne, kun kaivaminen on päättynyt. Kun TBM lähestyy tehtävänsä loppua, se voidaan ohjata pois tunnelin reitiltä kaivamaan lyhyt sivuraide, jossa se suljetaan pysyvästi.

Loppuvuoraus

• 4 Joissakin tapauksissa loppuvuoraus sijoitetaan kaivamisen aikana. Esimerkkeinä voidaan mainita TBM:t, jotka asentavat vuoraussegmentit, ja tehdasvalmisteiset tunnelit, jotka nostetaan paikoilleen. Muissa tapauksissa lopullinen vuori on rakennettava sen jälkeen, kun koko tunneli on louhittu. Yksi vaihtoehto on valaa paikalleen teräsbetonivuoraus. Liukumuovaus on tehokas tekniikka, jossa muottiosaa siirretään hitaasti eteenpäin, kun betonia valetaan sen ja tunnelin seinän väliin; betoni kovettuu riittävän nopeasti tukeakseen itseään, kun muotti siirtyy eteenpäin.

  Toinen vaihtoehto on asentaa valmiista betonista tai teräksestä valmistettuja vuoraussegmenttejä, kuten joissakin TBM:issä tehdään. Vuoraussegmentit rakennetaan siten, että useat niistä voidaan liittää yhteen muodostaen muutaman jalan (metrin tai kahden) levyisen kokonaisen renkaan. Kun rengas on pultattu paikalleen, sen ja tunnelin seinämän väliin ruiskutetaan laastia.

  Kolmas vaihtoehto on ruiskuttaa tunnelin seiniin useita tuumia (70 mm tai enemmän) paksu ruiskubetonikerros. Ensin saatetaan asentaa yksi tai kaksi kerrosta lankaverkkoa ruiskubetonin vahvistamiseksi, tai betoniseokseen voidaan lisätä lujuutta lisääviä lujitekuituja.

Sivutuotteet/jäte

Joskus tunnelista poistettu maa-aines heitetään yksinkertaisesti kaatopaikalle. Toisissa tapauksissa siitä tulee kuitenkin raaka-ainetta muihin hankkeisiin. Sitä voidaan esimerkiksi käyttää lähestymisväylän pohjakerroksen muodostamiseen tai tien penkereiden luomiseen leveämpiä kaistaleita tai eroosiosuojausta varten.

Laadunvalvonta

Sen lisäksi, että tunnelin ympärillä ylläpidetään maaperän vakautta ja varmistetaan tunnelin vuorauksen rakenteellinen eheys, louhintareitti on kohdistettava oikein. Kaksi arvokasta välinettä ovat maailmanlaajuisen paikannusjärjestelmän (GPS) anturit, jotka vastaanottavat tarkkoja sijaintitietoja satelliittisignaalien välityksellä, ja ohjausjärjestelmät, jotka heijastavat ja havaitsevat lasersäteen tunnelin sisällä.

Tulevaisuus

Tutkimusmenetelmät, materiaalit ja koneet ovat mahdollisia parannuskohteita. Maan läpi lähetettävät ääniaallot voivat nyt tuottaa virtuaalisen CAT-skannauksen tunnelireitistä, mikä vähentää tarvetta porata ydinnäytteitä ja koetunneleita. Esimerkkejä materiaalitutkimuksesta ovat tehokkaammat ja kestävämmät leikkaustyökalut, betoni, jonka kovettumisnopeus on tarkemmin säädetty, ja paremmat prosessit maaperän muokkaamiseksi siten, että sitä on helpompi leikata, kaivaa tai poistaa. Konetekniikan viimeaikaiseen kehitykseen kuuluvat muun muassa monipäiset TBM:t, joilla voidaan porata samanaikaisesti kahta tai kolmea rinnakkaista tunnelia, ja TBM, joka voi kääntää kulman jopa 90 astetta leikatessaan. Kaivukoneiden paremmat kauko-ohjausmahdollisuudet parantaisivat turvallisuutta vähentämällä aikaa, jonka ihmisten on oltava maan alla kaivuprosessin aikana.