Gotthardin pohjatunneli sisältä

Valurauta ja dynamiitti vievät liikenteen maan alle

Nykyisin junaliikenne kulkee turvallisesti maailman pisimmässä rautatietunnelissa, Gotthardin pohjatunnelissa. Rakennushanke ei olisi koskaan toteutunut ilman lähes hukkunutta rakennuttajaa ja valurautakehikkoa.

Nykyisin junaliikenne kulkee turvallisesti maailman pisimmässä rautatietunnelissa, Gotthardin pohjatunnelissa. Rakennushanke ei olisi koskaan toteutunut ilman lähes hukkunutta rakennuttajaa ja valurautakehikkoa.

Getty Images

Ryhmä työmiehiä oli 12. tammikuuta 1828 täyttä vauhtia kaivamassa tunnelia Thamesjoen alle, kun tunnelin kattoon äkkiä tuli reikä.

Työt keskeytyivät äkillisesti 396 metrin mittaiseksi aiotussa tunnelissa, jonka oli määrä yhdistää Pohjois- ja Etelä-Lontoo.

Tunnelin kattoa kaivamisen aikana tukeneesta rakenteesta irtosi tukki, joka kiilasi insinööri Isambard Kingdom Brunelin jalan kiinni. Hän oli avustamassa isäänsä Marc Isambard Brunelia, joka toimi hankkeen pääinsinöörinä. Tunneli alkoi täyttyä nopeasti vedellä.

Sysipimeässä tunnelissa, jonne koko ajan tulvi sisään enemmän jokivettä, noin sata miestä taisteli hengestään. Brunelin onnistui suurin ponnistuksin irrottaa jalkansa ja päästä pakoon vesimassoja. Murtuneesta jalasta ja vakavista sisäistä vammoista huolimatta 21-vuotias insinööri pääsi lopulta pinnalle. Kaikki eivät olleet yhtä onnekkaita.

Onnettomuudessa kuoli kuusi työmiestä.

Piirros Thamesin tunnelista

Thamesjoen alittava tunneli rakennettiin alun perin hevosvaunuille, mutta vuonna 1869 siitä tehtiin rautatietunneli, ja 2010 siitä tuli osa Lontoon maanalaisverkostoa, The Tubea.

© MEPL/Ritzau Scanpix

Thamesjoen alittava tunneli avattiin vuonna 1843, ja sitä pidetään yhtenä 1800-luvun suurista insinöörityön taidonnäytteistä. Kyse oli maailman ensimmäisestä veden alla tehdyistä kaivaustöistä, ja huolimatta siitä, että tunneli täyttyi useasti vedellä, Thamesin alittava tunneli on toiminut lukuisten tunnelihankkeiden innoittajana eri puolilla maailmaa.

Yksi hankkeista on 57 kilometrin mittainen Gotthardin pohjatunnelina tunnettu rautatietunneli, jossa tunnelointikilven ja 2 700 tonnia painavan kalliota rouhivan jättikoneen ansiosta pystyttiin tekemään kaikkien aikojen ennätyksiä ja porautumaan Alppien ali.

Kilpi toi turvaa

Isambard Kingdom Brunelia ja hänen isäänsä Marc Isambard Brunelia pidetään nykyisin uranuurtajina, joiden kehittämän tekniikan ansiosta nykyisin voidaan kaivaa tunneleita maan ja veden alle ja vuoriketjujen ali.

Marc Brunel tajusi, että tunnelin kaivaminen vain muutama metri joenpohjan alapuolelle ja vesimassojen pitäminen tunnelin ulkopuolella vaatisi teknisen ratkaisun, jollaista ei ollut aiemmin ollut.

Kulku tunneliin tapahtui töiden aikana pystysuoraa kuilua ja kierreportaita pitkin joen kummaltakin puolelta.

Kuilun kaivamiseksi Brunel suunnitteli rautarenkaan, jonka halkaisija oli 15 metriä ja jonka alareuna oli muotoiltu teräväksi.

Renkaan reunat olivat metrin paksuiset, minkä ansiosta sen päälle voitiin rakentaa pyöreä, metrin paksuinen muuri.

Kun maan päälle oli saatu rakennettua 13 metrin korkuinen muuri, työnmiehet alkoivat kaivaa maata renkaan sisältä, minkä jälkeen korkean muurin paino sai koko rakennelman vajoamaan alaspäin, kunnes päästiin 20 metirn syvyyteen. Vajoamisvaihe kesti kuusi kuukautta.

© National Portrait Gallery

1. Insinööri keksi tunnelointikilven

Marc Isambard Brunel vastasi Thamesjoen alla Lontoossa tehtävistä kaivauksista ja keksi tunnelointikilven, tuen, joka esti kattoa romahtamasta. Valuraudasta tehty ristikko auttoi kaivamaan tunnelia joen alla yllä olevista vesimassoista huolimatta.

Germain Sommeiller
© Ritzau Scanpix

2. Sommeiller nopeutti hankkeita

Ranskalainen insinööri Germain Sommeiller vauhditti kaivamista paineilmaporakoneilla ja dynamiitilla. Hän johti Fréjusin rautatietunnelin rakentamista Alpeilla. Tunneli avattiin vuonna 1871, ja 13,7 kilometrin mittaisena se oli ensimmäinen pitkistä alppitunneleista.

© Ritzau Scanpix

3. Barlow käytti valurautaa

Vuonna 1864 englantilainen insinööri Peter W. Barlow patentoi yhdestä kappaleesta koostuvan pyöreän tunnelointituen, joka perustui Brunelin idealle. Tunnelin louhiminen nopeutui, kun tiilien sijaan tunnelin tukemiseen käytettiin valurautaelementtejä.

Clifford Holland
© Getty Images

4. Holland kehitti ilmanvaihtoa

Hiilikaivoskokeet inspiroivat yhdysvaltalaista insinööriä Clifford Milburn Hollandia lisäämään tunneleihin ilmanvaihdon. Ideaa käytettiin New Yorkissa Hudsonjoen alla, missä neljä ilmastointikuilua toimittivat tunneliin joka minuutti lähes 100 000 m3 raikasta ilmaa.

Nyt kulku pinnalle oli järjestetty ja työmiehet pystyivät aloittamaan kaivamisen kohti joen toista rantaa.

Poika Isambard Brunel asennutti tämän jälkeen tunneliin tukirakenteen, joka koostui 36 vierekkäisestä ja päällekkäisestä valurautakehyksestä. Kehykset pitivät pehmeän maan paikoillaan kaivamisen aikana. Tämän "suojakilven" oli patentoinut Isambard Brunelin isä Marc vuonna 1818, ja nyt, kymmenen vuotta myöhemmin, se pääsi käytännön testiin.

Kehyksen sisään asettui kolmeen kerrokseen 36 työmiestä, jotka kaivoivat tunnelia tuuma tuumalta ja metri metriltä.

Brunelin tunnelointikilpi
© Science Photo Library

LÄPIMURTO: Rautatuki mullisti tunnelien rakentamisen

Tunnelointituen keksiminen teki mahdolliseksi Thamesin tunnelin rakentamisen ja merkitsi käännekohtaa tunnelien historiassa. Sen jälkeen jokien ja merien alle pystyttiin rakentamaan pitkiä tunneleita, kun ne oli aiemmin ylitetty laivoilla.

Kilpi kannattelee kattoa ja pitää seinät paikoillaan

Tunnelointikilpi koostui 36 valurautakehyksestä, joiden yhteispinta-ala oli 12,5 kertaa 6,8 metriä. Kussakin kehyksessä oli tilaa yhdelle kaivajalle. Kolmen 12 kehystä käsittävän kerroksen edessä tunnelin seinämää pitivät paikoillaan rautatangoilla tuetut lankut.

Työmiehet kaiversivat tunnelin seinää

Kussakin 36 solussa yksi mies kaivoi tunnelin seinää. Päätyä vasten kiilatuista lankuista irrotettiin yksi kerrallaan, minkä jälkeen kohdasta poistettiin nopeasti noin 23 senttiä maata, hiekkaa ja mutaa. Lopuksi lankku pantiin taas paikoilleen ja pönkättiin kiinni.

Muurarit muurasivat seinät

Sitä mukaa kuin kaivajat saivat lisää tunnelia kaivettua, tunnelointikilpeä eli rautakehikkoa työnnettiin eteenpäin. Muurarit taas huolehtivat siitä, että jo kaivettua tunnelia kilven takana estettiin romahtamasta muuraamalla seiniin tiilikerros.

36 rautakehyksen yhteenlaskettu työskentelypinta-ala oli 12,5 kertaa 6,8 metriä, ja ne vastustivat päällä olevien maamassojen painoa ja estivät maanvyörymät tunnelissa.

Kaivajien takana muurarit olivat valmiina muuraamaan seinät lattiasta kattoon. Kahteen rinnakkaiseen tunneliin kului joka metrille 16 750 tiiltä.

Lieriömuoto vahvisti kilpeä

Kuten vuoden 1828 onnettomuus osoitti, Brunelin tunnelointikilpi ei ollut täydellinen, ja yhdessä taloudellisten ongelmien kanssa veden tulviminen tunneleihin viivytti Thamesin tunnelin valmistumista vuosilla. Se avautui vihdoin vuonna 1843 jalankulkijoille, ja vuonna 1865 sen osti Itä-Lontoon rautatieyhtiö muuntaakseen sen raideliikenteelle sopivaksi.

Isä ja poika Brunel olivat todistaneet, että tunneleita pystyttiin rakentamaan paikkoihin, joita oltiin aiemmin pidetty geologisesti mahdottomina.

1860-luvun lopulla englantilainen insinööri Peter William Barlow kehitti edelleen Brunelin tekniikkaa ja patentoi uuden, lieriön muotoisen tunnelointikilven, joka valmistettiin valuraudasta ja jonka avulla kaivettiin Thamesin alle toinen tunneli, Tower Subway.

Tukilieriö voitiin rakentaa vähemmistä osista ja tehdä jäykemmäksi kuin Brunelin moniosainen ja suorakaiteen muotoinen tuki.

Vaikka kaivaminen nytkin tehtiin lihasvoimalla, Barlowin uudistus voidaan nähdä askelena oikeaan suuntaan kohti nykyaikaisia täysprofiiliporia eli tunnelin porauskoneita (TBM, tunnel boring machine), jotka mekaanisten myyrien tavoin ovat nakertaneet teitä Alppien läpi ja vuosien varrella tuottaneet ennätyspitkiä tunneleita.

Dynamiitti vauhditti kaivamista

On aivan eri asia kaivaa pehmeää mutaa ja toinen asia murtautua sellaisen massiivisen kallion läpi, johon Gotthardin pohjatunneli on porattu.

Tunnelien historiassa kallio muodosti ison ongelman, mutta siitä päästiin eroon ruotsalaisen tieteilijän ja keksijän Alfred Nobelin ansiosta.

Nobel keksi ja patentoi vuonna 1867 dynamiitin, joka ajan mittaan osoittautui hyödylliseksi apuvälineeksi tunnelinrakentajien kamppailuissa kallioita vastaan. Ranskalainen insinööri Germain Sommeiller tajusi nopeasti dynamiitin mahdollisuudet ja yhdisti sen räjähdysvoiman ja paineilmaporat.

Työläiset porasivat kallioon pieniä reikiä, joihin dynamiitti tungettiin. Lopuksi dynamiitti sytytettiin. Näin kallio saatiin murenemaan paljon tehokkaammin kuin ruudilla ja käsikäyttöisillä porilla.

Uudet tekniikat merkitsivät, että Ranskan ja Italian välille saatiin rakennettua Sommeillerin johdolla 12,8 kilometriä pitkä Fréjusin rautatietunneli. Tunnelin avajaisia vietettiin syyskuussa 1871 – useita vuosia suunniteltua aikaisemmin.

Ennen Gotthardin pohjatunnelin toteutumista valmistui kolme muuta ennätyksellistä tunnelia. Yksi niistä on yhä käytössä Lontoon maanalaisessa.

Thamesin tunneli
© Ritzau Scanpix

Thamesin tunneli pureutui joen alle

Ensimmäinen joen alittava tunneli oli 366 metriä pitkä ja se kiersi alakautta Thamesjoen Lontoossa. Se avautui jalankulkijoille vuonna 1843 ja muutettiin rautatietunneliksi 1869. Tunnelin koko oli seitsemän kertaa 11 metriä, ja nykyisin se on osa Lontoon maanalaista.

Frejusin tunneli
© K. Weise

Fréjus yhdisti rautatieverkot

13,7 kilometriä pitkä Fréjusin rautatietunneli oli aikansa suuri insinööritaidon näyte, ja siitä tuli tärkeä yhdysside Italian ja Ranskan väliselle junaliikenteelle. Tunneli oli kaksi kertaa niin pitkä kuin aiempi ennätystunneli.

Eurotunneli yläilmoista katsottuna
© Ritzau Scanpix

Kanaalin tunnelissa oli kaksi putkea

Maailman kolmanneksi pisin rautatietunneli – ja pisin veden alla kulkeva – on Kanaalin tunneli Englannin Folkestonesin ja Ranskan Coquellesin välillä. Se on 51 kilometriä pitkä ja koostuu kahdesta raiteilla varustetusta putkesta, jotka kulkevat 37,9 kilometrin matkan merenpohjan alla.

Gotthardin pohjatunneli
© AlpTransit Gotthard AG

Gotthardin pohjatunneli rikkoi ennätyksiä

57 kilometriä pitkästä Gotthardin pohjatunnelista tuli maailman pisin, kun se valmistui vuonna 2016. Edellinen ennätyksenhaltija oli Seikan-tunneli Japanissa. Pohjatunnelissa on kaksi rinnakkaista tunnelia, joissa kussakin kulkee raiteet.

Nykyisin dynamiittia käytetään edelleen etenkin lyhyiden tunnelien louhimisessa, sillä menetelmä on sekä käytännöllinen että edullinen, ja myös Gotthardin pohjatunnelin pelastusasemia varten sillä on räjäytetty kalliota kyllin isojen onkaloiden luomiseksi kallioon.

Leikkuulevyt tulivat käyttöön

Maailman kaikkein pisimpien tunnelien, kuten nykyisin pisimmän Gotthardin pohjatunnelin, tekemisessä tärkeimmät työvälineet ovat isot tunnelinporauskoneet, TBM:t.

Tunnelinporauskoneita kutsutaan joskus myös myyriksi, ja yksi ensimmäisistä pääsi tosi toimiin louhittaessa Hoosacin tunnelia Massachusettussa Yhdysvalloissa. Käytetty kone oli nimeltään Wilson’s Patented Stone-Cutting Machine, ja sen patentoi keksijä Charles Wilson vuonna 1847.

Tuolla kertaa porauskone hajosi kuitenkin jo kolme metriä louhittuaan, ja työläisten oli pakko pitkän keskeytyksen jälkeen palata hitaampaan menetelmään eli paineilmaporiin ja ruutiin.

Wilsonin kone oli nykyaikaisten tunneli porauskoneiden edeltäjä, sillä sen päässä oli niin sanottuja leikkuulevyjä, joista kukin rouhi edessä olevaa materiaalia kuin pyörösaha.

Gotthardin pohjatunneli porattiin useilla porauskoneilla, joista kunkin läpimitta oli noin 9,5 metriä.

Piirros tunnelin porauskoneen päästä
© Herrenknecht AG

3 keksintöä teki tunneleista totta

Nykyaikaiset tunnelin porauskoneet jyrsivät, vuoraavat ja vakauttavat tunnelin, kun tietotekniikka huolehtii siitä, kuinka kovaa leikkuupää painetaan kalliota vasten, jotta se pystyy jyrsimään mutta ei tee maaperää epävakaaksi.

Leikkuulevyt jyrsivät maaperää

Porauspää on 15 metriä leveä, ja se pyörii kallioseinämää vasten. Pienemmät leikkuulevyt murskaavat irronnutta materiaalia hienommaksi, ennen kuin punaiset osat johtavat murskeen kuljetushihnalle.

Suojakilpi ehkäisee onnettomuudet

Porauspään takana on kilpi, josta pulttipistoolit ampuvat tunnelin seinämiin pultteja. Pulteilla seinään kiinnitetään teräsverkko, minkä jälkeen robotti vakauttaa seinän vielä ruiskuttamalla sen betonilla.

Jättilevyt liikuttavat konetta

Punaiset tartuntalevyt painavat koneen tämän jälkeen tunnelin seinämiin kiinni ja harmaat hydraulisylinterit työntyvät tartuntalevyistä ulos ja puskevat porauspäätä eteenpäin. Näin pora mönkii eteenpäin syntyvässä tunnelissa.

Yksi niistä, joka tunnetaan lempinimellä Gabi 2, oli 441 metriä pitkä ja pyöritti porauspäätä yli 5 000 hevosvoimalla. Kun porauspäällä murskattiin Alppien kovaa kalliota, kukin 60 leikkuulevystä altistui jopa 27 tonnin paineelle.

Jokaisessa porauspäässä on useita pieniä pyöriviä leikkuulevyjä, jotka jyrsivät kalliota palasiksi porauspään pyöriessä.

Murskaantunut kalliomassa putoaa kuljetushihnalle, joka siirtää sitä kohti porauskoneen takapäätä, mistä se voidaan kuljettaa ulos tunnelista. Poraamisen aikana pölyn muodostuminen estetään vesisuihkuilla, jotka myös jäähdyttävät porauspäätä.

Tartuntajärjestelmä pitää porauskoneen kiinni tunnelin sivuseinämissä hydraulisilla sylintereillä, jotka myös pystyvät työntämään porauspäätä eteenpäin tunnelissa.

Pora puhkaisee kallion Gotthardin pohjatunnelissa

Gotthardin pohjatunnelin rakennustöissä saavutettiin tärkeä merkkipaalu, kun ensimmäistä kertaa saatiin otettua kuva porauspäästä tunnelin toisessa päässä. Nyt yhteys oli auki.

© Ritzau Scanpix

Matkan aikana tunnelin seinämät tuetaan raudoilla ja ruiskubetonilla tai tunneli vuorataan betonielementeillä niin, että siitä muodostuu putki. Kun Gotthardtin pohjatunnelin porauskoneet toimivat täydellä teholla, ne jyrsivät ja tukivat päivässä noin 40 metriä tunnelia.

Turvallisuus huipussaan

Aivan samoin kuin Thamesjoen tunneli kärsi tuhoisasta tulvasta vuonna 1828, Gotthardin tunnelikaan ei ole säästynyt katastrofeilta.

Lokakuun 24. päivänä 2001 Gotthardin maantietunnelissa tapahtui tuhoisa tulipalo, joka vaati 11 uhria. Kuorma-auto syttyi palamaan törmättyään toiseen kuorma-autoon, ja liekit levisivät yli 300 metrin matkalle.

VIDEO: Näin tunnelin porauskone toimii

Gotthardin pohjatunnelissa on kaksi erillistä tunnelia eri ajosuunnille, joten kohtaavat junat eivät voi törmätä toisiinsa.

Lisäksi tunnelit on varustettu kahdella tuuletusasemalla ja 24 ilmanvaihtokoneella, jotka pitävät huolen ilman vaihtumisesta mahdollisissa onnettomuustilanteissa, esimerkiksi jos tulipalossa muodostuu savua.

Kummassakin tunnelissa on lisäksi vettä kierrättävä järjestelmä, joka kerää junien erittämää likaa ja myrkyllisiä yhdisteitä. Vesijärjestelmä pumppaa viisi litraa vettä sekunnissa.

Tunnelipalon sattuessa tunnelissa oleva juna ohjataan automaattisesti lähimmälle pelastusasemalle, joita on kaksi kummassakin tunnelissa. Niistä matkustajat voidaan evakuoida viereiseen tunneliin. Viiden hengen miehistöllä varustettu palonsammutusjuna on viidessä minuutissa valmis lähtemään sammuttamaan paloa.

Lisäksi rinnakkaiset tunnelit ovat yhteydessä toisiinsa 178 yhdystunnelilla, joten matkustajilla on 352 metrin välein mahdollisuus päästä turvaan viereiseen tunneliin.

Matkustajat voivatkin nauttia matkastaan Gotthardin pohjatunnelissa tietoisina siitä, että maailman pisimmän rautatietunnelin suunnittelijat ovat ottaneet turvallisuusseikat tarkkaan huomioon.