Op 12 januari 1828 is een ploeg werklui de tunnel onder de Theems aan het uitgraven wanneer het dak plotseling breekt.
Abrupt wordt het moeizame werk aan de 396 meter lange tunnel, die Noord- en Zuid-Londen zal verbinden, gestaakt.
Een stuk hout van het schild dat de tunnelwand tijdens de uitgraving op zijn plaats houdt, komt los, waarna het been van ingenieur Isambard Kingdom Brunel klem komt te zitten. Hij assisteert zijn vader Marc Isambard Brunel, hoofdingenieur van het project. De tunnel vult zich pijlsnel met water.
In het pikkedonker strijden circa 100 man om te overleven, terwijl het rivierwater naar binnen gutst. Zoon Brunel weet ternauwernood zijn been vrij te wurmen en aan het water te ontsnappen. Ondanks een beenbreuk en ernstige inwendige verwondingen komt de 21-jarige ingenieur weer boven. Maar niet iedereen heeft zoveel geluk.
Bij het ongeval komen zes arbeiders om.
De tunnel onder de Theems was oorspronkelijk bedoeld voor paardenkoetsen, maar in 1869 werd het een spoorwegtunnel. In 2010 werd de tunnel onderdeel van de Londense metro, The Tube.
De tunnel onder de Theems werd in 1843 geopend en geldt als een van de grote kunststukjes van de 19e eeuw. De uitgraving was de eerste onder water, en ondanks talrijke overstromingen heeft de passage onder de Theems tunnelbouwers over de hele wereld geïnspireerd.
Onder hen zijn ook de ingenieurs die aan de 57 kilometer lange Gotthard-basistunnel werken. Ze graven zich een wereldrecord door de Alpen, en hebben dat te danken aan Brunel, een tunnelschild en een 2700 ton zwaar bakbeest van een vergruizer.
Tunnelschild biedt veiligheid
Isambard Kingdom Brunel en zijn vader Marc worden vandaag de dag beschouwd als pioniers in de ontwikkeling van nieuwe technologieën die het mogelijk maakten tunnels te graven in de grond, onder water en dwars door bergketens heen.
Om een tunnel te graven op slechts enkele meters onder de rivierbedding was er een ongekende technologische oplossing nodig om het water buiten te houden, realiseerde Marc Brunel zich.
De toegang tot de tunnel verliep via een schacht met een wenteltrap aan weerszijden van de rivier.
Om de schacht te graven, construeerde vader Brunel een ijzeren ring met een diameter van 15 meter en aan de onderkant een scherpe snijkant.
De rand van de ring was een meter dik, waardoor het mogelijk was er een ronde muur van dezelfde dikte op te bouwen.
Zodra de muur 13 meter hoog kwam, konden de arbeiders beginnen met het uitgraven van de aarde binnen de ijzeren ring, waarna het enorme gewicht van de ronde muur ervoor zou zorgen dat het gehele bouwwerk langzaam naar beneden zou zakken tot op 20 meter diepte. Dit proces duurde zes maanden.
4 mannen hielpen de tunnel de diepte in
1. Ingenieur vond het tunnelschild uit
Marc Isambard Brunel leidde de uitgraving onder de Theems in Londen en vond het tunnelschild uit, dat voorkwam dat het plafond instortte. Het gietijzeren frame maakte het mogelijk tunnels te graven in waterhoudende grondlagen, zoals onder een rivier.
2. Sommeiller zette er vaart achter
Met een pneumatische boor en dynamiet groef de Franse civiel ingenieur Germain Sommeiller sneller dan ooit. Hij leidde de bouw van de spoorwegtunnel van Fréjus in de Alpen, die in 1871 werd geopend en met 12,8 kilometer de eerste van de grote Alpentunnels was.
3. Barlow gebruikte gietijzer
In 1864 patenteerde de Engelse civiel ingenieur Peter W. Barlow een cirkelvormig tunnelschild uit één stuk, gebaseerd op Brunels methode. Het uitgraven van de tunnel kon worden versneld door hem niet met bakstenen te schoren, maar met gietijzeren elementen.
4. Holland vond de ventilatie uit
Experimenten in een kolenmijn inspireerden de Amerikaanse ingenieur Clifford Milburn Holland om ventilatie in de tunnels aan te brengen. Het principe werd toegepast onder de rivier de Hudson in New York, waar vier ventilatieschachten elke minuut bijna 100.000 m3 verse lucht de tunnel in lieten.
Nu hadden de ingenieurs een toegangsschacht vanaf de oppervlakte, en op diepte konden de arbeiders beginnen met het echte werk, het uitgraven van de tunnel naar de overkant van de rivier.
Zoon Brunel installeerde vervolgens het tunnelschild, dat bestond uit 12 naast elkaar geplaatste gietijzeren frames. Die hielden de zachte grond van de rivierbedding op zijn plaats. Vader Brunel had er in 1818 al patent op aangevraagd, en nu, tien jaar later, zou het worden getest.
36 arbeiders op drie niveaus namen plaats op platforms om de tunnel meter voor meter uit te graven.
DE DOORBRAAK: IJzeren schild gooit de tunnelbouw om
Het tunnelschild maakte de bouw van de Theems-tunnel mogelijk en was een doorbraak in de bouw. Lange tunnels konden nu worden aangelegd onder rivieren en zeeën die vroeger per schip moesten worden overgestoken.
Schild houdt plafond en wand op hun plaats
Het tunnelschild bestond uit 36 gietijzeren frames met een totale oppervlakte van 12,5 bij 6,8 meter. Elk frame bood plaats aan één werknemer. Vóór het schild, dat was verdeeld in drie niveaus met elk 12 ijzeren frames, werd de tunnelwand op zijn plaats gehouden met houten platen geschoord met ijzeren staven.
Arbeiders groeven de tunnelwand uit
In elk van de 36 cellen groeven de mannen nauwgezet de tunnelmuur uit. Ze haalden de houten platen een voor een weg en groeven vervolgens snel circa 23 centimeter bodemmateriaal af. Ten slotte werd de houten plaat teruggeplaatst tegen de tunnelwand en weer voorzien van schoren.
Metselaars bouwden de tunnel op
Terwijl de arbeiders de tunnelwand uitgroeven, werd het tunnelschild geleidelijk naar voren geduwd. De metselaars zorgden ervoor dat de reeds uitgegraven tunnel achter het tunnelschild tegen instorting werd beveiligd met bakstenen.
De 12 ijzeren frames zorgden voor een totaal werkoppervlak van 12,5 bij 6,8 meter, waardoor de druk van de bodem constant werd gestabiliseerd en aardverschuivingen werden voorkomen.
Achter de graafmachines stond een team van metselaars klaar om de tunnelwanden op te metselen. In de twee parallelle tunnelbuizen gingen 16.750 bakstenen zitten – per meter.
Cilindrische vorm versterkt schild
Zoals het ongeval van 1828 aantoonde, was Brunels tunnelschild niet perfect, en samen met financiële problemen zorgden overstromingen ervoor dat de Theems-tunnel jaren vertraging opliep. In 1843 ging hij eindelijk open voor voetgangers, en in 1865 werd hij overgenomen door de East London Railway Company en omgebouwd tot spoorwegtunnel.
Vader en zoon Brunel hadden bewezen dat tunnels konden worden gebouwd in geologische omstandigheden die voordien als onmogelijk golden.
Eind jaren 1860 bouwde de Engelse ingenieur Peter William Barlow voort op Brunels methode. Hij nam patent op een gietijzeren kokerschild, waarmee in 1869 de tweede tunnel onder de Theems werd gegraven, de Tower Subway.
Het voordeel van de koker was dat het schild met minder onderdelen kon worden gebouwd en beter kon worden geschoord dan Brunels rechthoekige ontwerp met compartimenten.
Hoewel het graven ook met de hand gebeurde, is Barlows principe een stap in de richting van de moderne tunnelboormachines (TBM’s). Die hebben zich als mechanische bulldozers door het bergmassief in de Alpen heen geboord, waardoor het mogelijk werd om tunnels van recordlengte aan te leggen.
Dynamiet versnelt de opgraving
Door zachte modder graven ging wel, maar het bergmassief waar de Gotthard-basistunnel zich doorheen snijdt, was van een andere orde.
In de begindagen van de tunnelbouw vormde hard gesteente een groot probleem voor ingenieurs, maar de Zweedse wetenschapper en uitvinder Alfred Nobel hielp onbewust bij het oplossen ervan.
In 1867 vond hij het dynamiet uit en vroeg er patent op aan. Het zou een geweldig hulpmiddel blijken te zijn voor tunnelbouwers. De Franse ingenieur Germain Sommeiller realiseerde zich al snel wat het potentieel van dynamiet was en combineerde het nieuwe explosief met pneumatische boren.
De arbeiders boorden nu kleinere gaten in de rotswand om staven dynamiet in aan te brengen. Dit was een veel doeltreffender alternatief voor het zwartkruit en de handboren van die tijd.
Dankzij deze twee nieuwe technologieën kon de 12,8 kilometer lange spoorwegtunnel van Fréjus tussen Frankrijk en Italië, waarvan Sommeiller het bouwtoezicht had, in september 1871 worden geopend, enkele jaren eerder dan gepland.
4 mijlpalen in de tunnelgeschiedenis
Theems-tunnel liep onder een rivier door
De eerste tunnel onder een rivier was 396 meter lang en liep onder de Theems in Londen. Hij werd in 1843 opengesteld voor voetgangers en in 1869 voor treinverkeer. De tunnel is 7 bij 11 meter in doorsnede en maakt nu deel uit van de Londense metro.
Fréjus verbond treinverkeer
Met zijn 12,8 kilometer was de spoorwegtunnel van Fréjus de grootste technische prestatie van zijn tijd, en hij werd een belangrijke verbinding voor het treinvervoer door de Alpen tussen Italië en Frankrijk. De tunnel was twee keer zo lang als de vorige recordhouder.
Kanaaltunnel had twee buizen
De op twee na langste spoorwegtunnel ter wereld – en de langste onder water – is de Kanaaltunnel tussen Folkestone in Engeland en Coquelles in Frankrijk. De tunnel is 51 kilometer lang en bestaat uit twee buizen met treinrails, waarvan 37,9 kilometer onder de zeebodem.
Gotthard-basistunnel vestigde record
De Gotthard-basistunnel werd in 2016 voltooid en streefde de vorige recordhouder, de Seikan-tunnel in Japan, voorbij met zijn 57 kilometer – een nieuw record. De uitgraving bestaat uit twee parallelle tunnelbuizen, elk met één spoor.
Dynamiet wordt nog steeds gebruikt voor de bouw van tunnels, vooral kortere, waarbij de methode functioneel en goedkoop is. Maar ook bij de bouw van de noodstations voor de Gotthard-basistunnel werd gebruikgemaakt van explosieven om grote holten in de berg te creëren.
Snijschijven nemen het over
Voor de allerlangste tunnels ter wereld, waarvan de Gotthard-basistunnel het voorlopige hoogtepunt is, zijn de grote tunnelboormachines het belangrijkste werktuig dat ingenieurs tot hun beschikking hebben.
Een van de eerste TBM’s werd in gebruik genomen bij de uitgraving van de Hoosac Tunnel in Massachusetts, VS. De uitvinder Charles Wilson vroeg er in 1847 patent op aan, en de machine heette dan ook Wilson’s Patented Stone-Cutting Machine.
De TBM ging echter stuk na slechts 3 meter tunnel te hebben uitgegraven, waarna de arbeiders weer waren aangewezen op de wat tragere pneumatische boormachine en het zwarte kruit.
Maar Wilsons machine was een voorloper van de moderne TBM in die zin dat de kop was voorzien van zogeheten snijschijven, die als een cirkelzaag het materiaal te lijf gingen.
De Gotthard-basistunnel werd uitgegraven met verschillende TBM’s, elk met een diameter van ongeveer 9,5 meter.
3 uitvindingen maakten tunnels mogelijk
Moderne tunnelboormachines hakken tunnelbuizen uit en stabiliseren die, terwijl computertechnologie berekent welke druk de snijkop op de rotswand moet uitoefenen om te kunnen graven zonder de bodem te ondermijnen.
Snijschijven vreten zich vooruit
De boorkop van 15 meter doorsnede draait terwijl hij tegen de rotswand drukt. Kleinere snijschijven breken het uitgegraven materiaal verder af, waarna de rode stukken het gruis naar een transportband voeren.
Boorschild beschermt tegen ongelukken
Achter de snijkop staat een ondersteunend schild, en een boltgun schiet bouten in de tunnelwand. Bogen van gaas en staal worden aangebracht, waarna een robot de muur verder stabiliseert door deze met beton te besproeien.
Reuzenplaten creëren beweging
Rode grijperplaten drukken de machine tegen de rotswand, terwijl de grijze hydraulische cilinders met tegendruk van de grijperplaat de snijkop naar voren duwen. Zo duwt de boor zichzelf naar nieuwe oppervlakken onder de grond.
Een ervan, bijgenaamd Gabi 2, was 441 meter lang en dreef de snijkop aan met 5000 pk. Tijdens het uitgraven van het harde Alpenmassief werd elk van de 60 snijschijven op de roterende snijkop van de tunnelboormachine blootgesteld aan een druk tot 27 ton.
Het oppervlak van de snijkop is voorzien van allerlei kleinere roterende snijschijven, die het gesteente afschaven terwijl de snijkop ronddraait.
Het schaafsel valt op een transportband, die het achteruit verplaatst door de tunnelboormachine, zodat het materiaal verder uit de tunnel kan worden getransporteerd. Tijdens het schaven wordt stofvorming voorkomen met waterstralen, die ook zorgen voor de koeling van de snijkop.
Een zogeheten grijpersysteem zet de tunnelboormachine vast tegen de zijwanden van de tunnel via hydraulische krikken, die ook de snijkop door de berg naar voren duwen.
Een mijlpaal bij de Gotthard-basistunnel, toen het voor het eerst mogelijk was een foto te maken van de boorkop vanaf de andere kant van de tunnel. De verbinding liep nu helemaal door.
Tijdens de bouw kan de tunnel worden bekleed met wapening en spuitbeton, of geheel worden voorzien van betonnen elementen. Toen de TBM’s op hun efficiëntst waren, groeven en stutten zij ongeveer 40 meter van de Gotthard-basistunnel per dag.
Veiligheid staat voorop
Net als de overstroming bij de bouw van de tunnel onder de Theems in 1828 heeft ook de Gotthardtunnel rampen gekend.
Op 24 oktober 2001 woedde er een fatale brand in het gedeelte van de Gotthardtunnel dat bestemd is voor het autoverkeer, waarbij 11 slachtoffers vielen. Een vrachtwagen vloog in brand na een botsing en de vlammen verspreidden zich 300 meter door de tunnel.
VIDEO: Zo werkt een tunnelboormachine
De boorkop rukt langzaam op terwijl het gruis op schuivers naar achteren wordt vervoerd en de tunnel wordt gestabiliseerd door enorme buizen.
In de Gotthard-basistunnel zorgen twee afzonderlijke tunnelbuizen in elke rijrichting ervoor dat treinen die elkaar passeren niet met elkaar in botsing kunnen komen.
Bovendien is de tunnel uitgerust met twee ventilatiestations en 24 ventilatoren om de lucht in de buizen te verversen bij een ongeval, zoals bij rookontwikkeling na een brand.
Elke tunnel heeft verder een watercirculatiesysteem dat vuil en giftige stoffen die door de treinen worden geloosd, opvangt. Het watersysteem pompt 5 liter water per seconde rond.
HET WONDER: Gotthard slingert zich 57 km door de Alpen
Geen enkele tunnel kan tippen aan de Gotthard-basistunnel, die de reistijd per trein van Zürich naar Milaan met een uur verkort. Het duurde 17 jaar om hem te bouwen. Dagelijks gaan er circa 50 passagierstreinen en 260 goederentreinen door de Alpen.
1. 2300 meter onder de oppervlakte van de berg
De Gotthard-basistunnel is 57 kilometer lang, heeft 308 kilometer spoor en ligt op sommige plaatsen 2300 meter onder het oppervlak van de berg. Daarmee is het de langste spoorwegtunnel ter wereld en de tunnel die zich het diepst onder de grond bevindt.
2. Parallelle sporen bieden veiligheid
De treinbuizen in noordelijke en zuidelijke richting zijn van elkaar gescheiden om treinbotsingen te voorkomen. In geval van nood worden de treinen automatisch naar een noodstation geleid, waar de reizigers naar de andere tunnelbuis worden geëvacueerd.
3. Noodstations laten mensen eruit
Evacuatietreinen kunnen tot 1000 passagiers oppikken op in totaal vier noodstations. Een centraal controlesysteem registreert automatisch rook met behulp van sensoren in de tunnelbuizen. In noodstations gaan de treindeuren en de deuren naar evacuatietunnels automatisch open.
4. Ventilatie zorgt voor frisse lucht
24 straalmotoren aan de tunnelingangen voorzien de tunnels van frisse lucht – of zuigen bij een ongeval lucht af, wat helpt om branden te blussen. Ook laat het ventilatiesysteem gebruikte lucht uit de tunnelbuizen.
Bij brand wordt een trein in de tunnel automatisch naar het dichtstbijzijnde noodstation geleid (er zijn er twee per tunnelbuis) van waaruit de reizigers naar de tegenoverliggende tunnelbuis kunnen worden geëvacueerd. Brandbestrijdingstreinen met een bemanning van vijf man kunnen binnen vijf minuten gereed zijn om uit te rukken om het vuur te doven.
178 dwarspassages in de tunnel zorgen ervoor dat passagiers om de 325 meter veilig kunnen oversteken naar de tegenoverliggende tunnelbuis.
Passagiers kunnen dus genieten van de reis door de Gotthard-basistunnel in de wetenschap dat de ingenieurs ook hebben gedacht aan de veiligheid op de reis door ’s werelds langste treintunnel.