Wie baut man einen Unterwassertunnel?

Trotzdem haben wir es in unserer Tunnelbaugeschichte größtenteils geschafft, mit Einfallsreichtum auszukommen. Menschen haben Tunnel gegraben, seit die ersten Höhlenbewohner beschlossen, ein leeres Schlafzimmer auszuheben, und die Grundlagen des Grabens, der Unterstützung und des Fortschritts waren zu der Zeit gut verfeinert, als die alten Griechen Tunnel benutzten, um ihr Ackerland zu bewässern und zu entwässern [Quellen: Lane ; Braun ].

Auch Unterwassertunnel sind überraschend alt. Irgendwann zwischen 2180 und 2160 v. Chr. bauten die Babylonier eines der ersten bekannten Beispiele, indem sie den Euphrat umleiteten. Der 3.000 Fuß (900 Meter) lange, mit Ziegeln ausgekleidete und bogengestützte Tunnel, der 12 Fuß hoch und 15 Fuß breit (4 Meter mal 5 Meter) maß, bot einen Fußgänger- und Wagendurchgang zwischen dem königlichen Palast und dem Tempel [Quellen : Spur ; Braun ].

Tunnel wurden jahrhundertelang hauptsächlich von Bergleuten und mittelalterlichen Pionieren genutzt, die unter Burgmauern gruben, um sie einzustürzen (daher der Begriff „untergraben“), aber das Aufkommen des Kanaltransports – und später der Eisenbahnen – gab den Arbeitern etwas Neues versenken ihre Schaufeln. Das 18., 19. und 20. Jahrhundert sah eine Reihe immer anspruchsvollerer Tunnelprojekte, die durch enorme Verbesserungen in der Vermessungs- und Lüftungstechnik ermöglicht wurden. Trotzdem verzögerten Gefahren und Kosten Versuche des Unterwassertunnelns bis Mitte des 19. Jahrhunderts [Quelle: Lane ].

Was die Frage aufwirft: Wenn Unterwasser-Tunnelbau riskiert, Ihr eigenes Grab zu schaufeln, buchstäblich oder finanziell, warum sich die Mühe machen? Viele Stadtplaner stimmen zu und wenden sich nur dann Tunneln zu, wenn überlastete Brücken ihre Kapazitätsgrenzen erreichen. Aber auch Brücken sind problematisch. Sie stören den Schiffsverkehr, beanspruchen wertvolles Ufergrundstück und versperren landschaftliche Ausblicke. Vom Standpunkt der Verteidigung aus sind Brücken leichte Ziele für Luftangriffe und können Gefahren darstellen, wenn sie einstürzen [Quelle: Hewett ].

Tunnel hingegen halten Gezeiten, Strömungen und Stürmen besser stand als Brücken, können größere Entfernungen erreichen und haben eine nahezu unbegrenzte Tragfähigkeit. Außerdem sinken die Kosten pro Länge eines Tunnels, wenn er länger wird, während für Brücken das Gegenteil gilt. Während Tunnel eine größere Anfangsinvestition erfordern, gleichen Brücken die Differenz der Wartungskosten aus [Quellen: Everglades Economics ; Hewett ].

Aber lassen Sie uns keinen Tunnelblick bekommen. Es steht außer Frage, dass Passagen unter Land und im Meer mit besonderen Sicherheitslücken und Sicherheitsproblemen konfrontiert sind. Brände und Unfälle stellen in Tunneln eine ernsthafte Bedrohung dar, weshalb Eisenbahntunnel auch Kreuzungspassagen enthalten, in denen Züge die Gleise wechseln können, sowie Servicetunnel, die als Fluchtwege dienen können [Quellen: Chan ; JR-Hokkaido ; WGBH ].

Sie klingen erschreckend, aber Unterwassertunnel sind so alltäglich, dass wir selten an die großen Gefahren – und extremen Bautechniken – denken, die diese modernen Wunder erfordern.

1. Brücke (unter) unruhigen Gewässern
2. Schiffswürmer von ungewöhnlicher Größe
3. Einsinken lassen

Wenn man sich mit einem außergewöhnlichen Bauprojekt beschäftigt, tauchen sofort ein paar Fragen aus dem Sand auf: Welcher Vorschlag gilt als der größte, der tiefste oder der gefährlichste zu bauen? Bei Unterwassertunneln lassen sich diese Fragen nicht einfach beantworten. Städte und Länder geben laufend neue Projekte in Auftrag. Was wichtige Statistiken angeht, steckt der Teufel zwischen den Details und dem tiefen, blauen Meer.

Beispielsweise hält der Seikan-Tunnel, der die japanischen Inseln Honshu und Hokkaido verbindet, derzeit den Rekord für den längsten und tiefsten Unterwasser-Eisenbahntunnel. Japan begann mit der Planung, nachdem ein Taifun von 1954 fünf Fähren in der gefährlichen Tsugaru-Straße versenkte und 1.430 Menschen tötete [Quellen: WGBH ].

Der 1988 fertiggestellte Seikan-Tunnel erstreckt sich über 54 Kilometer (33,5 Meilen) und erreicht eine Tiefe von 240 Metern (787 Fuß), aber sein 23,3 Kilometer (14,5 Meilen) langer Unterwasserabschnitt wird von dem Kanaltunnel oder Chunnel in den Schatten gestellt. zwischen Großbritannien und Frankreich. Der 1994 fertiggestellte Unterwasserteil des Chunnel macht 24 seiner insgesamt 31 Meilen (38,6 von 50 Kilometern) aus, taucht aber nur 246 Fuß (75 Meter) tief ein [Quellen: ASCE ; Chan ; Weise ].

Was die Türken betrifft, sind beide Tunnel völlig nass im Vergleich zu ihrem 3,3 Milliarden Dollar teuren Marmaray-Tunnel, der 2013 endlich für die Öffentlichkeit zugänglich gemacht wurde ) erstrecken sich über den Bosporus-Meeresboden – verbinden Istanbuls asiatische und europäische Hälfte und machen ihn zum ersten Eisenbahntunnel, der zwei Kontinente verbindet [Quellen: Sweeney ; Weise ].

Was ist so toll an einem Unterseetunnel unter einer Meile im Vergleich zu den mehrere Meilen langen Seikan- und Kanaltunneln? Es ist eine andere Herangehensweise: Während seine Vorgänger Passagen durch festen Fels gesprengt und gebohrt hatten, wurde der Marmaray-Tunnel Stück für Stück in einem Graben entlang des Grundes des Bosporus montiert und ist damit der längste und tiefste jemals gebaute Tauchtunnel . Die Ingenieure entschieden sich für diese Lösung, bei der vormontierte Abschnitte verwendet werden, die durch dicke, flexible, gummiverstärkte Stahlplatten verbunden sind, um der regionalen seismischen Aktivität besser standhalten zu können [Quellen: JR-Hokkaido ; Sweeney ; Weise ].

Eine Zeit lang verlangsamten kulturelle und historische Artefakte, die in der Altstadt von Istanbul gefunden wurden, den Fortschritt der Ausgrabung des Marmaray-Tunnels, sodass der 3,6 Kilometer lange Øresund-Tunnel, der Schweden und Dänemark verbindet, der größte jemals gebaute Absenkröhrentunnel blieb. Bauunternehmer bauten es aus 20 Elementen mit einer Länge von jeweils 176 Metern, die jeweils aus acht kleineren Abschnitten von 22 Metern Länge zusammengesetzt wurden [Quellen: Landler ; Marmaray-Projekt ; PERI GmbH ; Sweeney ].

Zwischen Absenktunneln wie Marmaray und Öresund und gebohrten Tunneln wie dem Chunnel haben wir die Uferpromenade gerade so abgedeckt. Aber lassen Sie uns ein wenig tiefer in jedes einzelne eintauchen und eine andere Tunnelbaumethode untersuchen, die seit dem frühen 19. Jahrhundert verwendet wird.

Das nennst du einen Tunnel?

Ein Tunnel ist technisch gesehen ein vollständig unterirdisch gegrabener Durchgang. Viele der unterirdischen Röhren, die wir als Tunnel betrachten – U-Bahnen, Abwasser- und Wasserleitungen – sind technisch gesehen Leitungen , weil sie das vorübergehende Entfernen von darüberliegendem Material beinhalten. Tunnel sind gefährlich, mühsam und teuer zu bauen, daher wählen Ingenieure bei der Arbeit mit losem Schmutz und relativ flachen Projekten oft diesen billigeren und effektiveren Cut-and-Cover - Ansatz [Quellen: Lane ; Hewitt ].

Der älteste Ansatz, um unter Wasser zu tunneln, ohne das Wasser umzuleiten, ist als Tunnelschild bekannt , und Ingenieure verwenden ihn noch heute.

Schilde lösen ein häufiges, aber ärgerliches Problem, nämlich wie man einen langen Tunnel durch weiche Erde gräbt, insbesondere unter Wasser, ohne dass seine Vorderkante zusammenbricht [Quellen: Assignment Discovery; Enzyklopädie Britannica ; Browne ; Hewitt ].

Um ein Gefühl dafür zu bekommen, wie ein Schild funktioniert, stellen Sie sich eine Kaffeedose ohne Deckel mit einem scharfen Boden vor, der mehrere große Löcher aufweist. Fassen Sie nun das offene Ende an, schieben Sie die Dose mit dem Boden voran in etwas weiche Erde und beobachten Sie, wie der Schmutz durch die Öffnungen quetscht. Auf der Skala eines echten Schildes standen mehrere Menschen (Spitznamen "Muckers" und "Sandhogs") in Abteilen innerhalb der "Dose" und entfernten den Lehm oder Sand, während der Schild vorrückte. Hydraulische Heber würden den Schild allmählich vorwärts bewegen, während Mannschaften dahinter Metallstützringe installierten und sie dann mit Beton oder Mauerwerk auskleideten [Quellen: Assignment Discovery]; Enzyklopädie Britannica ; Braun ].

Um das Eindringen von Wasser aus Tunnelwänden zurückzuhalten, wird die Vorderseite des Tunnels oder Schildes manchmal mit Druckluft unter Druck gesetzt. Arbeiter, die solchen Bedingungen nur kurze Zeit standhalten können, müssen eine oder mehrere Schleusen passieren und Vorkehrungen gegen druckbedingte Krankheiten treffen [Quellen: Hewitt ; Hafenbehörde ].

Abschirmungen werden immer noch verwendet, insbesondere bei der Installation von Versorgungsleitungen oder Wasser- und Abwasserrohren. Obwohl sie arbeitsintensiv sind, kosten sie nur einen Bruchteil so viel wie ihre riesigen Vettern, die Tunnelbohrmaschinen (TBMs) [Quellen: Assignment Discovery; Enzyklopädie Britannica ; WGBH ].

Eine TBM ist eine mehrere Stockwerke hohe Zerstörungsmaschine, die in der Lage ist, sich durch festes Gestein zu fressen. An seiner Vorderseite dreht sich ein Schneidkopf , ein riesiges Rad, das mit steinbrechenden Scheiben besetzt ist und ein Schaufelsystem enthält, um zertrümmertes Gestein anzuheben und auf ein abgehendes Förderband fallen zu lassen. Hinter dem Schneidkopf schwingt ein Erector , eine rotierende Baugruppe, die im Nachlauf der TBM die Tunnelauskleidung baut. Bei einigen großen Projekten, wie dem Chunnel, beginnen separate TBMs an gegenüberliegenden Enden und bohren auf einen zentralen Punkt zu, wobei ausgeklügelte Vermessungsmethoden verwendet werden, um sie auf Kurs zu halten [Quellen: Assignment Discovery; Colemanet al. ; WGBH ].

Beim Bohren durch festes Gestein entsteht ein weitgehend selbsttragender Tunnel, und TBMs treiben schnell und unerbittlich voran (einige Chunnel-Maschinen könnten 250 Fuß oder 76 Meter pro Tag bohren). Auf der anderen Seite fallen TBMs häufiger aus als ein gebrauchter Jaguar und kommen mit abgenutztem, abgeschertem oder stark zerklüftetem Gestein schlecht zurecht – daher sind sie nicht so schnell, wie sie angeblich sind [Quellen: WGBH ; WGBH ].

Glücklicherweise sind TBMs und Schilde nicht das einzige Spiel in der Stadt.

Brunels Durchbruch

Der Tunnelschild wurde von Ingenieur Marc Isambard Brunel erfunden, der sich inspirieren ließ, als er beobachtete, wie ein Schiffswurm (eine Meeresmuschel) seine Panzerplatten durch Holz trieb und dabei Sägemehl ausstieß. Mit seinem Gerät grub er von 1825 bis 1843 erfolgreich einen Tunnel unter der Londoner Themse und überstand zwei bahnbrechende Überschwemmungen und einen siebenjährigen Stillstand, als der Cashflow des Projekts versiegte. Brunel und sein Sohn verbrachten fast jede wache Stunde im Tunnel, oft gezwungen, von einem Boot aus zu arbeiten. Berichten zufolge führte die Belastung einige Jahre später zu seinem Tod [Quellen: Assignment Discovery; Enzyklopädie Britannica ; Browne ; Hewitt ].

Eine Stütze aus Stahl und Mauerwerk zu bauen und gleichzeitig durch weiche Erde oder festen Fels zu graben, ist kein Zuckerschlecken, aber der Versuch, ein Meer unter Wasser zurückzuhalten, ist etwas, was nicht einmal Moses versucht hätte. Glücklicherweise müssen wir dank des amerikanischen Ingenieurs WJ Wilgus und seiner Erfindung, des versunkenen oder immersierten Röhrentunnels ( ITT ), nicht [Quelle: Lane ].

ITTs bohren sich nicht durch Felsen oder Erde; Sie werden vor Ort aus fußballfeldgroßen, vorgefertigten Teilen zusammengebaut . Wilgus leistete Pionierarbeit bei dieser Technik, als er den Detroit River-Eisenbahntunnel (1906-10) baute, der Detroit, Michigan, mit Windsor, Ontario, verband, und seitdem sind sie die bevorzugte Technik für Fahrzeugtunnel. Tatsächlich wurden allein im 20. Jahrhundert mehr als 100 solcher Tunnel gebaut [Quellen: Lane ; Extreme Ingenieurskunst; Marmaray-Projekt ].

Um jedes Tunnelsegment herzustellen, montieren die Arbeiter 30.000 Tonnen Stahl und Beton – genug für ein 10-stöckiges Wohnhaus – in einer massiven Form und lassen den Beton dann fast einen Monat lang aushärten. Die Formen enthalten den Boden, die Wände und die Decke des Tunnels und werden zunächst an den Enden verschlossen, um sie beim Transport auf See wasserdicht zu halten. Tauchpontons , große Schiffe, die einer Kreuzung zwischen einem Portalkran und einem Pontonboot ähneln, übernehmen das Schleppen [Quellen: Lane ; Extreme Ingenieurskunst; Marmaray-Projekt ].

Sobald der vorgegrabene Meeresgraben überwunden ist, wird jeder Tunnelabschnitt so weit geflutet, dass er sinken kann. Ein Kran senkt den Abschnitt langsam in Position, während Taucher ihn genau zu seinen GPS-Koordinaten führen. Wenn jeder neue Abschnitt mit seinem Vorgänger verbunden wird, drückt und dehnt sich ein massives Gummistück an seinem Ende, um eine Abdichtung herzustellen. Die Besatzungen entfernen dann die Schottdichtungen und pumpen das restliche Wasser ab. Sobald der gesamte Tunnel gebaut ist, wird er unter Verfüllung begraben und möglicherweise mit Felspanzerung bedeckt [Quellen: Lane ; Extreme Ingenieurskunst; Marmaray-Projekt ].

Die Tauchrohrkonstruktion kann tiefer eintauchen als andere Ansätze, da die Technik keine Druckluft benötigt, um Wasser in Schach zu halten. Besatzungen können daher länger und unter erträglicheren Bedingungen darin arbeiten. Darüber hinaus kann ein ITT im Gegensatz zu einem gebohrten Tunnel, der der Form seines Schildes oder seiner TBM folgt, jede Form annehmen. Da ITTs jedoch nur den Meeresboden- oder Flussbettteil eines Tunnelsystems bilden, erfordern sie andere Tunnelbaumethoden, um ihre landgestützten Ein- und Ausgänge zu bohren [Quellen: Lane ; Marmaray-Projekt ; WGBH ]. Beim Unterwasser-Tunnelbau braucht es wie im Leben allerhand.

Ein transatlantischer Tunnel: Yippie oder Yikes?

Sollten wir den lang ersehnten transatlantischen Tunnel versuchen, wäre ein schwimmendes Tauchrohr, das in einer idealen Tiefe von 45,7 Metern (150 Fuß) durch spannungsregulierbare Kabel angebunden ist, der wahrscheinliche Ansatz. Natürlich würde ein solches Unterfangen schätzungsweise 54.000 Abschnitte in der Größe eines Fußballfeldes erfordern, was der weltweiten Stahlproduktion eines Jahres entspricht, und 225 Betonfabriken, die 20 Jahre lang rund um die Uhr ausgelastet sind. Das ist, bevor Sie zu den Billionen von Dollar, Tausenden von Arbeitern und zahlreichen Robotern und U-Booten kommen, die erforderlich wären, um unter gefährlichen Bedingungen auf offener See zu bauen, ganz zu schweigen von Sicherheitsproblemen, die durch Seeverkehr und seismische Ereignisse entstehen [Quellen: Extreme Engineering; Extreme Ingenieurskunst; Harrison].

Anmerkung des Autors: Wie baut man einen Unterwassertunnel?

Beim Schreiben dieses Artikels konnte ich nur die Grundlagen des Baus von Unterwassertunneln ansprechen, was eine Ungerechtigkeit ist, die vergleichbar ist mit der Gleichsetzung der Entschärfung einer Bombe mit der Programmierung eines DVR. In Wirklichkeit sind die damit verbundenen Gefahren und die erforderliche Präzision beim Bau eines Unterwassertunnels einfach überwältigend. Das Ausgraben und Bauen dieser modernen Wunder erfordert nichts weniger als ständige Wachsamkeit, scharfe Anpassungsfähigkeit und minutiöse Anpassungen an sich ändernde Bedingungen, ganz zu schweigen von der Sorgfalt, die Arbeiter und Taucher aufbringen müssen.

Es lohnt sich, darüber nachzudenken, wenn Sie das nächste Mal durch einen Unterwassertunnel reisen. Vielleicht lenkt es Sie von den Millionen Tonnen Erde oder Wasser ab, die nach unten drücken, oder, wenn Sie sich im japanischen Seikan-Tunnel befinden, vom Rauschen des Wassers, das durch die Wände plätschert, um von den Pumpen mit 20 Tonnen pro Minute abgelassen zu werden.

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