article1

Tunnelvisie

Tunnels zijn niet alleen vaak de kortste verbinding tussen twee punten, ze kunnen ook de verkeersdruk in het stadshart flink verlichten.

    Zo'n 2500 jaar geleden legde de Griekse architect Eupalinos een tunnel van een kilometer lengte aan om water vanaf de andere kant van de berg Kastron naar de stad Samos te leiden. De tunnelgravers begonnen aan weerszijden en kwamen elkaar halverwege tegen. Hoe Eupalinos kans zag om een waterplas in de berg te voorkomen, blijft een raadsel, maar de tunnel had de juiste helling en het water stroomde er goed doorheen.
    Water klimt niet graag. Net zomin trouwens als treinen en auto's. Daarom staan tunnels de laatste tijd weer meer in de belangstelling. Naarmate de snelheden toenemen, worden wegen vlakker en rechter, en dat vergt tunnels. Tunnels kunnen barrières wegnemen. Zo zal de nieuwe spoorlijn van Keulen naar Frankfurt, die in 2002 wordt opgeleverd, dwars door enkele bergen lopen. Passagiers zijn in minder dan een uur op de plaats van bestemming in plaats van de meer dan twee uur die de huidige slingerroute langs de Rijn kost.
    Maar snelheid is niet de enige overweging. Professor Rolf Katzenbach van de faculteit Geotechnologie van de technische hogeschool van Darmstadt noemt nog andere voordelen: "Sommige plaatsen op de wereld kreunen onder de verkeersdruk," zegt hij. "De steden langs de Alpenpassen in Zwitserland, Oostenrijk en Italië zijn de dagelijkse invasie van zware vrachtwagens meer dan beu. De enige manier om er wat aan te doen is het aanleggen van meer tunnels." Die tunnels komen er; de nieuwe Gotthard- en Löschberg-spoortunnels komen vlak te liggen. Voor treinen houden de bergen op te bestaan. Ook veel stadscentra zijn verzadigd met verkeersdrukte. Ondergronds uitbreiden is vaak de enige oplossing. Daarom komen er nieuwe metro's in steden als Brasilia en het Russische Cheljabinsk.

    Toen Eupalinos zijn tunnel aanlegde, hakten zijn mensen zich een weg door massief gesteente, dat sterk genoeg was voor de relatief nauwe doorgang. Al snel leerden tunnelbouwers echter om de plafonds van hun tunnels in zachtere materialen te stutten met houten balken en metselwerk. In de 19e eeuw bedacht de Britse ingenieur Marc Isambard Brunel een beschermende cilinder voor de tunnelbouwers met de diameter van de tunnel zelf. De cilinder werd tijdens het werk naar voren bewogen en stelde hen in staat om al doende de aarde af te voeren. Achter hen bouwden metselaars de tunnelwanden op. De techniek werd voor het eerst toegepast bij een tunnel onder de Thames die in 1843 voltooid werd.
    Nog steeds gaat men volgens hetzelfde principe te werk, maar Brunel zou de moderne machinerie die het werk opknapt, nauwelijks herkennen. Gigantische tunnelboormachines (TBM's) graven zich een weg door de grond. Vlak achter het beschermende schild worden wandsegmenten van gewapend beton geplaatst. Een oplossing van fijne kleideeltjes in water wordt gebruikt om het boorproces te "smeren" en het boorgruis weg te spoelen. Het kleiwater wordt van het steengruis gescheiden en opnieuw gebruikt, en het gesteente wordt via een lopende band afgevoerd naar wachtende trucks of spoorwagons.
    Zo'n ondergrondse fabriek kost wel wat: ongeveer 25 miljoen Amerikaanse dollar. Per project wordt een nieuwe TBM gebouwd volgens de eisen die de geologische omstandigheden stellen. Er moeten specifieke snijkoppen en vergruizers worden gebruikt en specifieke methoden moeten worden ontwikkeld voor het realiseren van het drukverschil bij de kop en het afvoeren van puin.

    TBM's zijn snel. Als het meezit, leggen ze een tunnel aan in een tempo van meer dan een meter per minuut. Ze zijn gebruikt bij tal van de spectaculairste tunnelprojecten uit de afgelopen jaren. Zo werd de vierde tunnel onder de Elbe in Hamburg bijvoorbeeld gebouwd met 's werelds grootste TBM, die in één keer een tunnel voor een tweebaansweg groef.
    Vanwege de kosten is zo'n machine echter alleen rendabel bij tunnels van meer dan twee kilometer lang. Daarom wordt slechts één van de dertig tunnels in het spoortracé tussen Keulen en Hamburg op die manier aangelegd. De andere worden merendeels gebouwd volgens de "shotcrete"-methode, waarbij de tunnelwand tijdens het graven met sneldrogend beton wordt opgetrokken.
    Ook water kan verrassingen opleveren. Het graafwerk van Brunel moest enkele malen onderbroken worden omdat er water in de tunnel drong, en vaak is het gesteente waardoorheen tegenwoordig een tunnel wordt geboord, verzadigd met water. Ooit werd dat water simpelweg weggepompt, maar dat verlaagt de waterstand en omwille van het milieu wordt dat nu zelden meer gedaan - alleen als tijdelijke maatregel tijdens het bouwen.
    Gewoonlijk wordt water van de boorlocatie geweerd met behulp van luchtdruk die groter is dan die van het water. De werknemers moeten dan de tunnel in via een luchtsluis. Bij TBM's wordt het probleem omzeild door de boorkop te isoleren van de rest van de machine en de tunnel meteen achter het schild te bekleden met betonnen segmenten. In shotcrete-tunnels moet een extra betonnen laag worden aangebracht bij wijze van waterkering, mede omdat het shotcrete zelf niet erg duurzaam is.

    Zorgvuldig voorbereidend onderzoek kan de risico's minimaal houden. Volgens Giovanni Barla, hoogleraar gesteentemechanica aan de technische universiteit van Turijn, moet per project 4 à 5 procent van het budget aan vooronderzoek worden besteed om nare verrassingen te voorkomen. Zo werd bij de Gotthard-basistunnel bijvoorbeeld een proeftunnel van 5,5 kilometer lang en 5 meter breed in het plooidal van de Piora gegraven. Dankzij die voorbereidingen kon een geologisch moeilijk gebied met een zeer hoge waterdruk worden omzeild. "Tunnels worden steeds langer en dus wordt de geologie ervan ook steeds gevarieerder," aldus Claus Erichsen van Prof. Wittke Adviseurs voor Geotechnische Constructies in Aken. "Dat vergt nieuwe methoden."
    Volgens Katzenbach is de belangrijkste les uit de afgelopen 30 jaar van tunnelbouw geweest dat de berg niet uit zichzelf instort. De shotcrete-bekleding of de tunnelringsegmenten dienen er alleen voor om de dichtstbijzijnde lagen te ondersteunen. "Je hoeft maar een steenlaag van zo'n drie meter dik te stutten," zegt Katzenbach. "De berg zelf draagt het grootste deel van de last."
    Met dit inzicht gewapend is de aanleg van holle ruimten ook veranderd. Gewoonlijk wordt bij de bouw daarvan eerst een tunnel gegraven, die vervolgens plaatselijk wordt verbreed. Het dak wordt gestut voordat de constructie naar beneden wordt uitgebreid. Barla: "Vroeger werd daarvoor een betonnen boog gebouwd. Nu gebruiken we bouten, muurankers en shotcrete." Zulke holle ruimtes worden vooral gebruikt voor opslag - Barla was onlangs betrokken bij de bouw van grote kerosinetanks in Israël - maar er bestaan ook andere soorten: de Gjøvik IJsgrot fungeerde als ijshockeystadion bij de Olympische Winterspelen in Lillehammer in 1994. In één opzicht hebben de grotbouwers het gemakkelijker, volgens Barla. "Ze kunnen hun grot vaak op de beste plaats aanleggen. Tunnelbouwers moeten door alles heen graven wat ze tegenkomen."

Tunnels behoren tot de meest veeleisende bouwprojecten, en met een prijs van soms 50.000 Amerikaanse dollar per meter ook tot de duurste. Maar de fascinatie van het overwinnen van obstakels als rivieren, bergen en zeeën garandeert dat ze gebouwd blijven worden. De 35 kilometer lange Kanaaltunnel moest 200 jaar op zijn voltooiing wachten.