Historiska lärdomar ger nycklar till framtidens tunnlar

Tunnlar har varit en stor del av världens infrastruktur i många år. Har de förändrats mycket? Använder vi fortfarande samma teknik när vi bygger tunnlar? Behöver vi ens tunnlar längre, eller kommer annan infrastruktur att ta över bland framtidens ingenjörer? Här möter du vår expert Tommy Olsen som menar att vi måste titta tillbaka för att förstå tunnlarnas framtid.

VAD ÄR EN TUNNEL?

I sin mest grundläggande form är en tunnel en konstruktion som skapar ett underjordiskt utrymme som kan användas för att få tillgång till naturresurser, för lagring eller som en passage under något (till exempel ett berg eller en stad), under markytan eller under vatten. Till skillnad från broar kategoriseras de inte utifrån strukturell form eller funktion utan baserat på konstruktionsmetod: gruvtunnlar (orter) eller utgrävda tunnlar, borr- och sprängtunnlar, ”cut-and-cover”-tunnlar, borrade och nedsänkta tunnlar (se faktarutan nedan för mer information).

TUNNLAR HAR ALLTID VARIT VIKTIGA

Visste du att den första tunneln som dokumenterats i världen är Eufrat-tunneln i Mesopotamien (nutida Irak)? Tunneln, som byggdes omkring 2170 f.Kr., gjordes vattentät med asfalt och förband de två sidorna av staden Babylon under floden Eufrat. Ruinerna av undervattenstunneln har aldrig hittats, men grekiska historiker har beskrivit den i forntida krönikor.

Historiens första tunnlar med syfte att främja samhället i stort grävdes för gruvdrift, till exempel för att hitta koppar eller andra metaller, men de dokumenterades inte alltid.

När moderna avloppssystem infördes i större europeiska städer för cirka 200 år sedan förbättrades befolkningens sanitära förhållanden och hälsa avsevärt. Virus- och bakteriesjukdomar spreds inte lika lätt, trots att människor kom närmare varandra i städerna på grund av den industriella revolutionen som ledde till att befolkningen växte. Att flytta mer av avloppsvattnet ned under marken var ett sätt att skydda människor och göra det möjligt för dem att bo närmare varandra.

Med dagens urbaniseringstakt behövs tunnlar fortfarande – inte bara för avloppssystem.

Themsentunneln under floden Themsen i London byggdes år 1843. Den var den första tunneln som gick under vatten, och den används än i dag. Den konstruerades med den så kallade sköldmetoden (av I.K. Brunel), med en ram som stöd för utgrävningen när tunnelns främre öppning rörde sig framåt medan utgrävningen fortskred. Sköldmetoden uppfanns för att förbättra arbetarnas säkerhet och öka produktionstakten. Denna metod användes för de flesta av Storbritanniens långa järnvägstunnlar under den viktorianska eran och banade väg för de moderna tunnelborrmaskinerna (TBM).

När människor kommer i kontakt med varandra frodas idéer, kunskap delas, marknaderna blomstrar, tekniken utvecklas och människan får fler möjligheter. Det innebär att ekonomin som helhet förbättras. En växande stadsekonomi behöver mer energi, mer vatten, mer mat och ett bättre utbud av produkter. Utvecklade ekonomier medför ofta investeringar i innovation och miljöförbättringar i samband med att man bygger stora infrastrukturprojekt. Väginfrastruktur, allmän kollektivtrafik, vattenförsörjning, avlopp, kraftverk, kraftledningar och så vidare behövs såväl i utvecklingsländer som i redan utvecklade länder. Tunnlar är ofta en lösning på de här behoven, med hänsyn till planeten och framtida generationer.

För att hushålla bättre med våra naturresurser är det viktigt att befintlig infrastruktur håller länge innan ny infrastruktur behöver byggas.

TRANSPORTTUNNLAR SKYDDAR UTRYMMET PÅ YTAN

De första underjordiska tunnelbanorna byggdes i storstäder som London, Paris, Budapest och New York för över 150 år sedan och används fortfarande idag. Användningen av underjordiska tunnlar är ett mycket effektivt transportsätt och de underjordiska nätverkssystemen för transport expanderar runt om i världen. De påverkar eller blockerar inte det som pågår på ytan och är särskilt attraktiva när det finns en växande efterfrågan på utrymme i städerna på grund av den snabba urbaniseringen och bristen på mark. Dessutom påverkas trafiken i tunneln inte av trängsel i trafiksystemen ovan jord.

Och det är inte bara i städerna som man överväger att bygga tunnlar för transportändamål – även på landsbygden finns det ett växande behov av att skydda den naturliga miljön. Med ett stort behov av att transportera människor och varor, ibland förbi svåra hinder som berg och vattendrag, är det ofta ett krav att infrastrukturen tar mindre yta i anspråk, både i städer och på landsbygden. Och vi får inte glömma att det ofta är en fördel om infrastrukturen är ”osynlig” …

VARFÖR EN TUNNEL? VARFÖR INTE EN BRO?

Samhällen investerar i infrastruktur för allas bästa. Infrastrukturen ska inte bara stödja ekonomin i regionen utan också skydda sociala grupper, miljön och klimatet. Samtidigt!

När det gäller stora infrastrukturprojekt måste man ofta hitta en balans mellan den planerade byggkostnaden och de identifierade fördelarna (eller nackdelarna). Andra lösningar som byggs på marknivå, till exempel en bro, kan ofta fylla samma funktion och kostar vanligtvis mindre. Man väljer dock ofta tunnlar på grund av de långsiktiga fördelarna med att frigöra utrymme på ytan.

När ny infrastruktur planeras måste man överväga lösningar där de största fördelarna identifieras till lägsta möjliga kostnad. Lösningen som kostar minst är dock inte alltid den som ger flest fördelar. Därför krävs ett logiskt och systematiskt beslutsfattande för att hitta en hållbar lösning med en acceptabel balans mellan för- och nackdelar. De detaljerade lösningarna kommer att skilja sig åt beroende på flera faktorer – till exempel platsen.

Undervattenstunnlar byggs som fasta länkar mellan floder, inlopp, sund, fjordar och hamnar, där tunnlar ibland är utmärkta alternativ till broar. Till exempel i en hamn där en tunnel kan ha mindre påverkan på sjötrafiken. Eller där en hög bro kan kräva långa påfartssträckor eller påverka flygvägarna till och från en närliggande flygplats. I allmänhet kan en tunnel vara ett bättre alternativ än en bro när det gäller att skydda det befintliga naturliga landskapet eller bevara en plats identitet.

VARFÖR SPELAR PLATSEN ROLL?

Tunnlar byggs för att passera naturliga hinder som berg eller vatten. Ibland är det själva markförhållandena som styr infrastrukturens form – till exempel i grävda tunnlar där gynnsamma markförhållanden ofta definierar tunnelns riktning. De viktigaste faktorerna att tänka på när man överväger nyttan och byggandet av en tunnel är de människor som får nytta av tunneln och de naturliga förutsättningarna: geologi, miljö, klimat, växtlighet, tillgång till resurser, energi och vatten.

Samhällen som skulle gynnas av en tunnel skulle fortfarande vara beroende av de naturliga miljöer de lever i och närliggande miljöer. Man bör fråga sig hur bra tillgången till naturresurser är. Vilka lokala energibehov finns? Vilka är de befintliga fysiska förbindelserna och barriärerna mellan platser, och hur kommer den nya infrastrukturen att påverka de människor som bor där? Består dessa förbindelser och hinder av berg, stora skogar, stadsmiljöer, vatten eller öknar?

Naturen styrde hur människor levde förr i tiden – hur de fick tag på resurser, hur de hade kontakt med sina grannar, vilka de handlade med och hur tekniken infördes på nya platser. Det syns i den historiska utvecklingen av ett visst samhälle. Tunnelbyggandet påverkas i hög grad av hur den lokala naturen ser ut. Men vi vet också att det finns många element i tunnelkonstruktionen som kan användas överallt i världen när man förstår de lokala förhållandena. Detta gäller särskilt för unika och banbrytande tunnelprojekt.

I takt med samhällets och teknikens utveckling förändras även efterfrågan på underjordiska utrymmen och tunnlar. Gruvor som tidigare användes för att få tillgång till naturtillgångar kan under rätt förhållanden användas för förvaring, industrikomplex eller bostäder i dag. Vissa tunnlar byggdes som skyddsrum i krigstid och därför kan funktionen som flexibelt och hållbart underjordiskt utrymme förändras många gånger under en konstruktions livstid.

HUR PLATSER OCH NATURLIGA MILJÖER HAR PÅVERKAT TUNNELTEKNIKEN

Den teknik för bergtunnlar som utvecklats inom gruvindustrin har skalats upp och används nu i stor utsträckning för berg- och stadstunnlar för väg- och kollektivtrafiken. Teknik som ursprungligen utvecklades för byggnader, broar och marina konstruktioner används för djupa utgrävningar för underjordiska utrymmen och fasta förbindelser.

Markförhållandena har en direkt och betydande inverkan på byggkostnaderna. Därför bör tunnlar placeras i lämpliga marktyper (till exempel i berg eller styv lera), eftersom det innebär lägre byggkostnader och risker. I städer med mycket varierande marknivåer är det ofta en utmaning att placera tunnelbanans sträckning så att den passar ytan. Därför måste vissa tunnelbanestationer byggas mycket djupt under jord för att passa in i topografin och labyrinterna i den befintliga stadsbebyggelsen.

Läget och tillgången till naturresurser, som definieras av geologin, avgör ofta kostnaden för byggmaterial och vilka byggmetoder som är att föredra. På platser med fast berggrund byggs tunnlar i själva berget med liten användning av material som krävs för att stödja bergmassan och, om möjligt, med hjälp av bergets förmåga att stödja sig självt. I områden med mycket sprucket och svagt berg, sand eller grus måste tunneln stödjas av betong och stål. Tillgången till byggmaterial styr byggkostnaden och vilken byggmetod som är att föredra på en viss plats.

ALLT BÖRJAR MED NATURRESURSER, ENERGI OCH VATTEN

Kol har varit en viktig energikälla sedan industrialiseringen. Det har varit bränsle för att driva transportlösningar som tåg och fartyg och det har använts i fabriker för att såga trä till möbler, tillverka tyg, järn och stål med mera, och förbränns fortfarande för att producera elektricitet. På många platser runtom i världen har kol ersatts av olja och gas under de senaste 50 åren och kommer under de kommande åren att ersättas av annan hållbar teknik, till exempel vattenkraft – där kraften från rörligt vatten används för att generera elektricitet.

Men vad har det med tunnlar att göra?

Jo, vattenkraftverk är vanligtvis belägna i bergsområden, där tunnlar ofta används för att leda vatten från en högre höjd till en elgenerator på lägre höjd, vilken i sin tur driver en turbin för att generera elektricitet för transport, industrier och hushåll. Tunnlar kan också användas för att pumpa vatten fram och tillbaka i ett vattenkraftverk – en typ av vattenkraftslagring som används av elkraftverk för lastbalansering. Metoden lagrar energi i form av potentiell gravitationsenergi hos vatten som pumpas från en reservoar på lägre höjd till en högre höjd. Denna teknik används i bergsområden över hela världen.

Lagringssystem för vattenkraft kan anslutas till andra typer av förnybara energikällor, till exempel vindkraft eller solenergi. Energi från vindkraftparker (landbaserad och havsbaserad beroende på plats och utrymme) måste överföras till användarna eller lagras tillfälligt när vindkraftverkens energiproduktion är hög och efterfrågan på energi låg. Infrastruktur för kraftkablar kan placeras i tunnlar, där utrymmet på ytan är för värdefullt för att ha kraftledningar i högspänningsmaster eller där till exempel avståndet för hängande kraftledningar över en flod är för långt.

Energi används inte bara för transporter och uppvärmning. Stora mängder energi behövs också inom industrin för att tillverka byggmaterial för tunnlar. Mellan 50–75 % av koldioxidavtrycket från tunnelbyggandet kommer från betong och stål, och det mesta av detta koldioxidavtryck kommer från uppvärmningen i samband med tillverkningen av materialet.

Utöver tunnlar för vattenkraft byggs liknande typer av tunnlar för att flytta vatten från en källa, till exempel i ett bergsområde, till slutanvändaren, till exempel i en torr, ökenliknande stad eller region.

Det finns ökenliknande storstäder runt Medelhavet, i Mellanöstern, i sydvästra USA, Mexiko, vissa regioner i Indien och Kina och i Andesbergen i Sydamerika. 

Utan tunnlar skulle människorna i dessa områden bara ha tillgång till vatten genom öppna kanaler som måste skyddas.

HUR SER FRAMTIDEN UT?

Utrustning och material för tunnelbygge kommer i framtiden att vara effektivare, snabbare, mer korrekt, mer tillförlitligt, större, mindre förorenande, mindre bullriga, ge ett mindre koldioxidavtryck och drivas med elektricitet. Längre livslängd för icke utbytbara komponenter, större flexibilitet i funktionen under livslängden, mer och mer teknik i installationer med utbyten under livslängden och mer datainsamling för prestanda- och resurshantering. Mer förtillverkning, mindre avfall, mer återvinning, mer automatisering och fler digitala processer för att koppla samman leveranskedjan från källa till användare. Resultatbaserad design, optimerad design för konstruktion och drift, minimering av användningen av naturresurser (inklusive digitala processer i leveranskedjan). Framtiden handlar om hållbara processer och hållbara resultat. Som vi sett tidigare, till exempel när armering infördes i nedsänkta tunnlar (under en period med stålbrist), kommer de mest anpassningsbara lösningarna, som är anpassade till efterfrågan, att utvecklas som föredragen teknik tills en annan teknik tar över.

FÖRDELARNA MED TUNNLAR ÄR UPPENBARA

I korthet kan man säga att tunnlar ger förbättrade levnadsförhållanden i många olika avseenden.

De stöder samhället genom att upprätthålla sanitära förhållanden genom avloppssystem och dagvattensystem för skydd mot översvämningar.

Gruvtunnlar tillhandahåller naturresurser för en växande befolkning i stadsområden och ekonomier, med ett ständigt ökande fokus på hållbar användning av gruvdrift. Genom att hushålla med och återanvända byggmaterial (kallas ”urban mining” eller ”städernas metallförråd”) minskar behovet av att utvinna mer av våra begränsade naturresurser.

Tunnlar används för att utnyttja vattenkraft och för att inhysa underjordisk infrastruktur som vatten- och elförsörjning.

Transportsystem förbinder människor och hjälper företag att leverera varor och tjänster.

Tunnlar är värdefulla i samhällen med hög ekonomisk produktion, i samhällen där människor kräver att infrastrukturen inte ska synas. Men när användare eller grannar upplever infrastrukturens inverkan måste den vara felfri och skräddarsydd för dessa samhällens behov, inte tvärtom.

Tunnlar behövs när utrymmet på ytan är upptaget av annat.

Tunnlar kostar ofta mer än andra typer av infrastruktur som fyller en liknande funktion, till exempel en väg på marknivå jämfört med en väg i en tunnel. Tunnlar kan ge mer omfattande fördelar för samhället, vilket kan uppväga den extra kostnaden för en tunnel jämfört med ett billigare alternativ. Fördelarna är ofta att skapa värdefullt utrymme på ytan.

För att hitta hållbara infrastrukturlösningar rekommenderas alltid att man överväger flera alternativ, ibland även tunnlar. Välj inte det första alternativet som uppfyller en begränsad funktion eller har den lägsta kostnaden, utan identifiera alternativ som kan ge långsiktiga fördelar för framtida generationer. Det bör understrykas att ett tunnelalternativ ibland är så kostsamt att det är bättre för samhället att inte bygga något alls, utan hellre spara pengarna till annan infrastruktur där avkastningen på investeringen är högre.

Tunnlar är värdefulla. Och jag är säker på att tunnlar i framtiden kommer att utvecklas på samma sätt som användningen och tekniken har utvecklats tidigare. Medan tidigare tunnlar uppfyllde ett specifikt behov (vatten eller transport) måste framtidens tunnlar fortfarande uppfylla grundläggande funktioner och utformas och byggas så att de ger största möjliga nytta för samhället med minsta möjliga negativa miljöpåverkan. Det handlar bara om flera framgångskriterier.