Den 12 januari 1828 är ett arbetslag i full färd med att gräva ut tunneln under floden Themsen när en öppning plötsligt uppstår i taket.
Det mödosamma arbetet med att gräva den 396 meter långa tunneln, som ska binda samman norra och södra London, upphör omedelbart.
Ett stycke trä från den sköld som håller tunnelväggen på plats under utgrävningen har lossnat och klämmer nu fast civilingenjören Isambard Kingdom Brunels ben. Han är här för att bistå sin far, Marc Isambard Brunel, som är chefsingenjör för projektet. Tunneln fylls snabbt med vatten.
I det dånande mörkret kämpar cirka hundra man för livet medan flodvattnet forsar in. Till slut lyckas Brunel få loss sitt ben och ta sig bort från vattenmassorna. Trots ett benbrott och svåra inre skador lyckas den 21-årige ingenjören ta sig upp till ytan. Alla är emellertid inte lika lyckosamma.
Olyckan kostade sex arbetare livet.
Tunneln under Themsen var ursprungligen tänkt för trafik med häst och vagn, men år 1869 blev den en järnvägstunnel och år 2010 blev tunneln en del av Londons tunnelbana.
Themsentunneln invigdes år 1843. Utgrävningen var den första i världen under vatten och trots åtskilliga översvämningar räknas tunnelbygget under Themsen som en av 1800-talets stora ingenjörsbedrifter, som har inspirerat senare tunnelbyggare runtom i världen.
Ett exempel på det är ingenjörerna bakom den 57 kilometer långa tågtunneln Gotthardbastunneln, som kan tacka Brunel, en skyddande tunnelsköld och en 2 700 ton tung, stenkrossande monstermaskin för att de i dag har slagit alla tiders rekord och grävt sig igenom Alperna.
Tunnelsköld ökade säkerheten
Isambard Kingdom Brunel och hans far Marc Isambard Brunel räknas i dag som pionjärer i utvecklingen av ny teknik som gjorde det möjligt att gräva tunnlar i marken, under vattnet och tvärs igenom bergskedjor.
Marc Brunel insåg att uppgiften att gräva ut en tunnel bara några meter under flodens botten skulle kräva en exempellös teknisk lösning för att hålla ute vattenmassorna.
Tunneln nåddes via ett lodrätt schakt med en spiraltrappa på vardera sidan av floden.
För att gräva schakten konstruerade Brunel en järnring med en diameter på 15 meter, som hade en vass skärkant undertill.
Ringens kant var en meter bred, vilket gjorde att man kunde bygga en rund, en meter tjock mur ovanpå den.
När muren byggts upp till 13 meters höjd ovanför marken kunde arbetare börja gräva ut jorden innanför järnringen, varefter den 13 meter höga murens tyngd sakta fick hela konstruktionen att sjunka till 20 meters djup. Arbetet tog ett halvår att genomföra.
Fyra män hjälpte tunneln ner i djupet
1. Ingenjör uppfann tunnelskölden
Marc Isambard Brunel låg bakom utgrävningen under Themsen i London samt uppfinningen av tunnelskölden, som hindrade taket från att kollapsa. Det stabiliserande gjutjärnsskelettet gjorde det möjligt att gräva tunnlar i vattenbärande jordlager, till exempel under en flod.
2. Sommeiller satte fart på processen
Med en tryckluftsborr och dynamit gjorde den franske civilingenjören Germain Sommeiller utgrävningarna snabbare än någonsin förr. Han ledde arbetet med Fréjustunneln i Alperna, som invigdes år 1871. Med sina 13,7 kilometer var Fréjustunneln den första stora alptunneln.
3. Barlow började använda gjutjärn
År 1864 patenterade den engelske civilingenjören Peter W. Barlow en rund tunnelsköld i ett stycke, en vidareutveckling av Brunels metod. Det gick därmed snabbare att bygga tunnlar, eftersom man fodrade tunneln med gjutjärnselement i stället för med tegelkonstruktioner.
4. Holland uppfann ventilationen
Försök i en kolgruva inspirerade den amerikanske ingenjören Clifford Milburn Holland att förse tunnlarna med ventilationssystem. Principen användes under Hudsonfloden i New York, där fyra ventilationsschakt förde ner närmare 100 000 kubikmeter frisk luft i tunneln varje minut.
Nu hade ingenjörerna ett tillgångsschakt från marken. Nere i djupet kunde arbetarna påbörja det egentliga arbetet med att gräva tunneln till den motsatta flodbrädden.
Sonen Isambard Brunel monterade tunnelskölden, som bestod av tolv gjutjärnsramar placerade intill varandra. Ramarna höll flodbottnens mjuka jordlager på plats. Tunnelskölden hade patenterats av Isambard Brunels far Marc år 1818 och nu, tio år senare, skulle den testas.
Trettiosex arbetare i tre våningar var placerade på plattformar från vilka de kunde gräva ut tunneln meter för meter.
GENOMBROTTET: Järnsköld revolutionerade tunnelbyggnation
Utvecklingen av tunnelskölden som gjorde det möjligt att bygga Themsentunneln blev en vändpunkt i tunnelns historia. Nu kunde man bygga långa tunnlar under floder och hav, som tidigare bara kunde korsas med båt.
Sköld håller tak och väggar på plats
Tunnelskölden bestod av 36 gjutjärnsramar med en total yta av 12,5 x 6,8 meter. I varje ram finns det plats för en arbetare. Framför skölden, som är indelad i tre våningar med tolv järnramar vardera, hålls tunnelväggen på plats med träskivor som stabiliserats med järnstänger.
Arbetare gräver ut tunnelväggen
Inne i var och en av de 36 cellerna gräver männen mödosamt ut tunnelväggen. Det sker genom att träskivorna avlägsnas en i taget, varefter man snabbt gräver bort cirka 23 centimeter jord, sand eller lera. Därefter placeras träskivan återigen mot tunnelväggen, med stabiliseringen på plats.
Murare bygger upp tunneln
Efter hand som arbetarna gräver ut tunnelväggen framför sig flyttas tunnelskölden gradvis framåt. Samtidigt ser murare till att den redan utgrävda delen av tunneln bakom tunnelskölden säkras med en tegelfodring.
De tolv järnramarna, som gav en total arbetsyta av 12,5 x 6,8 meter, utjämnade trycket från marken och skyddade mot jordskred.
Bakom grävarna stod ett arbetslag av murare beredda att bygga tunnelväggarna från golv till tak. Till uppgiften använde de 16 750 tegelstenar per meter tunnel i de två parallella tunnelrören.
Cylindrisk form gjorde skölden starkare
Som olyckan år 1828 visade var Brunels tunnelsköld inte perfekt. I kombination med ekonomiska problem gjorde översvämningen att Themsentunneln försenades med flera år. År 1843 invigdes den slutligen för fotgängare och år 1865 köptes tunneln av East London Railway Company och gjordes om till järnvägstunnel.
Far och son Brunel hade visat att tunnlar kunde byggas under geologiska förhållanden som tidigare ansetts vara oöverstigliga för både ingenjörer och arbetare.
I slutet av 1860-talet vidareutvecklade den engelske ingenjören Peter William Barlow Brunels metod och patenterade en ny, cylindrisk tunnelsköld av gjutjärn, som år 1869 användes för att gräva den andra tunneln under Themsen, Tower Subway.
Fördelen med den cylindriska konstruktionen var att skölden kunde byggas med färre delar och därmed blev stabilare än Brunels mer uppdelade, rektangulära konstruktion.
Trots att man även här grävde för hand kan Barlows princip ses som ett steg i riktning mot de moderna tunnelborrarna, som likt mekaniska mullvadar gräver sig igenom bergsmassiv i Alperna och som med tiden har gjort det möjligt att konstruera rekordlånga tunnlar.
Dynamit satte fart på utgrävningen
Det är en sak att gräva genom mjuk lera, men något helt annat att ta sig igenom ett bergsmassiv, som man gjort vid bygget av Gotthardbastunneln.
I tunnelhistoriens början utgjorde hårt berg ett stort problem för ingenjörerna, men det bidrog den svenske vetenskapsmannen och uppfinnaren Alfred Nobel till att lösa.
År 1867 uppfann och patenterade han nämligen dynamiten, som skulle visa sig bli ett bra verktyg i tunnelingenjörernas kamp mot hårda klippformationer. Den franske ingenjören Germain Sommeiller, som snart insåg dynamitens slagkraft, tog till sig det nya sprängmedlet i kombination med tryckluftsborren.
Nu kunde arbetarna borra mindre hål i bergväggen, där dynamiten placerades och antändes. På så vis fick man ett betydligt effektivare alternativ till dåtidens svartkrut och handdrivna borrar.
De två nya teknikerna innebar att den 12,8 kilometer långa Fréjustunneln mellan Frankrike och Italien, vars byggnation Sommeiller ledde, invigdes i september 1871, flera år tidigare än planerat.
Fyra milstolpar i tunnelhistorien
Themsentunneln gick under en flod
Den första tunneln under en flod var 366 meter lång och gick under Themsen i London. Den invigdes för fotgängare år 1843 och som järnvägstunnel år 1869. Tunneln, som är 7 x 11 meter i genomskärning, utgör i dag en del av Londons tunnelbana.
Fréjustunneln underlättade för tågtrafiken
Med sina 13,7 kilometer var Fréjustunneln sin tids stora ingenjörsbedrift. Tågtunneln blev en viktig förbindelseled för tågtrafiken genom Alperna mellan Italien och Frankrike. Tunneln var dubbelt så lång som den tidigare rekordhållaren.
Kanaltunneln har två rör
Världens tredje längsta järnvägstunnel – och den längsta under vatten – är Kanaltunneln mellan Folkestone i England och Coquelles i Frankrike. Den är 51 kilometer lång och består av två rör med järnvägsspår, av vilka 37,9 kilometer befinner sig under havsbottnen.
Gotthardbastunneln innehar rekordet
Med sina 57 kilometer satte Gotthardbastunneln rekord som världens längsta när den stod klar år 2016. Den överträffade därmed den tidigare rekordhållaren, Seikantunneln i Japan. Gotthardbastunneln består av två parallella tunnelrör med var sitt järnvägsspår.
Än i dag används dynamit för att anlägga framför allt kortare tunnlar, där metoden är både billig och funktionell. Dynamit användes emellertid även vid konstruktionen av Gotthardbastunnelns nödstationer, där man behövde spränga för att få upp tillräckligt stora hålrum i berget.
Skärskivor tar över
Till världens längsta tunnlar, där Gotthardbastunneln utgör kronan på verket, är stora tunnelborrar det viktigaste redskapet i ingenjörernas verktygslåda.
En av de första tunnelborrarna, som även kallas mullvadar, användes under utgrävningen av Hoosactunneln i Massachusetts i USA. Maskinen, som gick under namnet Wilson’s Patented Stone-Cutting Machine, patenterades år 1847 av uppfinnaren Charles Wilson.
Tunnelborren gick emellertid sönder efter att ha grävt bara tre meter. Efter ett längre uppehåll tvingades arbetarna återgå till den något långsammare tryckluftsborren och svartkrutet.
Wilsons maskin var en föregångare till de moderna tunnelborrarna, eftersom dess huvud var försett med så kallade skärskivor, som var och en skär in i materialet framför sig, ungefär som en rundsåg.
Gotthardbastunneln grävdes ut med flera tunnelborrar med en diameter av cirka 9,5 meter.
Tre uppfinningar gjorde tunnlar möjliga
Moderna tunnelborrar gnager igenom, konstruerar och stabiliserar tunnelrör, medan datorteknik räknar ut vilket tryck skärhuvudet ska belasta bergväggen med för att stabiliteten i marken inte ska riskeras.
Skärskivor gnager sig fram
Borrhuvudet är 15 meter brett och roterar medan det pressas mot bergväggen. Mindre skärskivor bryter ner utgrävt material ytterligare innan de röda delarna för det nedbrutna materialet till ett transportband.
Borrsköld skyddar mot olyckor
Bakom skärhuvudet sitter en sköld som ger stöd, medan en bultpistol skjuter in bultar i tunnelväggen. Valv av trådnät och stål fästs i bultarna innan en robot stabiliserar väggen ytterligare genom att klä den med betong.
Jätteskivor skapar rörelse
Röda griparplattor pressar maskinen mot bergväggen, medan de grå, hydrauliska cylindrarna mellan griparplattorna för skärhuvudet framåt. På så vis når borren nya ytor nere i marken.
En sådan maskin, med smeknamnet Gabi 2, var 441 meter lång och drev skärhuvudet med över 5 000 hästkrafter. Under utgrävningen av det hårda alpmassivet utsattes var och en av de 60 skärskivorna på tunnelborrens roterande skärhuvud för ett tryck på upp till 27 ton.
Skärhuvudets yta är försedd med ett stort antal mindre och roterande skärskivor, som skrapar sönder berget medan skärhuvudet roterar.
Det avskrapade bergmaterialet faller ner på ett transportband, som flyttar materialet bakåt genom tunnelborren, så att det kan transporteras bort ur tunneln. Under skärprocessen motverkar vattenstrålar dammbildning och kyler samtidigt skärhuvudet.
Ett så kallat griparsystem håller fast borrmaskinen mot tunnelns sidoväggar med hjälp av hydrauliska domkrafter, som även för skärhuvudet framåt genom berget.
En milstolpe i bygget av Gotthardbastunneln nåddes när det för första gången gick att ta en bild av borrhuvudet från andra sidan tunneln. Nu var tunneln öppen hela vägen igenom.
Under tiden kan tunneln förses med antingen armering och betong eller betongelement, som täcker tunneln som ett långt betongrör. När borrmaskinerna var som mest effektiva grävde de ut och säkrade omkring 40 meter av Gotthardbastunneln om dagen.
Säkerheten är mycket hög
Liksom översvämningen vid bygget av Themsentunneln år 1828 har Gotthardbastunneln drabbats av olyckor.
Den 24 oktober 2001 uppstod det i Gotthardbastunnelns sektion för biltrafik en dödlig brand, som krävde elva offer. En lastbil fattade eld efter en kollision och lågorna bredde ut sig över 300 meter i tunneln.
VIDEO: Så fungerar tunnelborren
Borrhuvudet arbetar sig sakta framåt medan det lösa materialet skickas bakåt på transportband. Samtidigt stabiliseras tunneln med enorma rör.
I Gotthardbastunneln ser två åtskilda tunnelrör i vardera körriktningen till att det inte kan inträffa några kollisioner mellan mötande tåg.
Tunneln har dessutom två ventilationsstationer och 24 fläktar, som ventilerar luften i tunnelrören i händelse av en olycka, till exempel om det bildas rök i samband med en brand.
Varje tunnel har även försetts med ett vattencirkulationssystem, som samlar upp smuts och giftämnen som tågen släpper ut. Vattensystemet pumpar fem liter vatten i sekunden.
UNDERVERKET: Gotthardbastunneln vindlar sig fram 57 kilometer genom Alperna
Ingen annan tunnel i världen kan mäta sig med Gotthardbastunneln, som har minskat restiden med tåg från Zürich till Milano med en timme. Byggnationen tog 17 år. Omkring 50 passagerartåg och 260 godståg passerar dagligen genom Alperna.
1. Belägen 2 300 meter ner i berget
Gotthardbastunneln är 57 kilometer lång, har 308 kilometer spår och ligger på vissa ställen 2 300 meter ner i berget. Det gör tunneln till världens längsta tågtunnel och samtidigt den som ligger djupast i marken.
2. Parallella rör ökar säkerheten
De norr- och södergående tågrören är åtskilda för att minimera risken för kollisioner mellan mötande tåg. I nödsituationer leds tågen automatisk till nödstationer, där passagerarna kan evakueras till det motsatta tunnelröret.
3. Nödstationer räddar liv
På fyra nödstationer finns evakueringståg med plats för upp till 1 000 passagerare. Ett centralt kontrollsystem registrerar automatiskt rök med hjälp av sensorer i tunnelrören. Vid nödstationerna öppnas tågdörrarna och dörrarna till evakueringstunnlarna automatiskt.
4. Ventilation tillför frisk luft
Vid tunnlarnas ingångar sitter 24 jetmotorer som förser tunnlarna med frisk luft, eller suger ut luft vid olyckor för att bidra till brandsläckningsarbete. Tunnelns ventilationssystem renar också luften i tunnelrören.
I händelse av en brand i tunneln leds tåget automatisk till närmaste nödstation – det finns två sådana per tunnelrör – från vilken passagerarna kan evakueras till det motsatta tunnelröret. Inom fem minuter är släckningståg med fem mans besättning redo att rycka ut för att bekämpa branden.
Dessutom gör 178 tvärgående passager i tunneln, utplacerade var 325:e meter, att passagerarna kan ta sig i säkerhet till det andra tunnelröret.
Passagerarna kan med andra ord njuta av färden genom Gotthardbastunneln i full förvissning om att ingenjörerna noga har tänkt igenom säkerheten i världens längsta tågtunnel.