Et kvart århundre med undersjøiske vegtunneler

Pionér-prosjektet ved Vardø

Arne W Grønhaug

Behovet for kryssing av fjorder

Etter at bilen ble allemannseie i våre kystdistrikter mistet sjøverts samferdsel mye av sin betydning. Kravene om fastlandsforbindelser steg etter hvert som bilpark og vegnett økte. Fergeforbindelser ble erstattet med bruer, og Vegvesenet utviklet seg til å bli en  brubygger i stor skala. Inntil  slutten av 1970-årene var det bygd  7500 bruer. Den lengste var en hengebru på 525 meters lengde, og ellers var det bygd betongbruer på opptil 160 meters lengde. På riksvegnettet gjensto det likevel 200 fergeforbindelser, som krevde store subsidier. Mange fergestrekninger hadde stor trafikk, eller vanskelige værforhold. Problemet var at de passerte for brede sund til at bruer var realiserbare. Muligheten for at undersjøiske vegtunneler kunne være en løsning ble snart nevnt for slike forbindelser.  

Lang erfaring med tunnelbygging

Utbygging i undergrunnen har en lang historie i Norge, mest i forbindelse med utvinning av malmer. Den eldste kjente er gruven under Gamle Aker kirke i Oslo fra 1100-tallet.

Tunnelbygging for samferdsel er derimot av nyere dato. Tunnelen på Eidsvoll-banen, ferdig i 1854, er antagelig den første i Norge. Den gikk til overmål gjennom leirgrunn, der det er betydelig vanskeligere å drive tunnel i enn berggrunn. Norges Statsbaner fortsatte med økende tunneldrift på forbindelsen mellom Bergen og Voss , fullført i 1883. Høye kostnader, mindre krav til stigning og kurvatur var årsaken til at tunneler for veger kom senere.

Undersjøisk tunnelbygging i nyere tid

Tanken om undersjøisk forbindelse var ikke ny. I 1843 sto Brunel’s tunnel i mudderet under Themsen ved Rothertite ferdig. Noe senere, i 1886, ble den 7 km lange jernbane-tunnelen under Severen i Syd-England åpnet. Tunneldrift under sjø startet også først som gruvedrift, og i England ble det drevet kullgruver under havet allerede på 1800-tallet. I Norge ble det også drevet gruver under havnivå. Allerede Aker gruve ble drevet til under havnivå. I nyere tid er Fosdalen og Vigsnes gruver er drevet ned til  h.h.v. 750 og 730 m under havbunnen. I vannkraft-utbyggingens tid på 1960-80 tallet drev Vassdragsvesenet ikke bare tunneler under vann, men utførte også gjennomslag på stort vanndyp.

Muligheter for undersjøisk fjordkryssing i Norge

Norsk kystlandskap er skåret inn av dype og lange fjorder med bratte fjell som stiger opp fra vannlinjen. Mange steder ut mot havet finnes det en strandflate som skråner opp fra marbakken til der fjellene reiser seg lengre inne og stiger bratt mot vidda. Fjordene er meget dype og hele landskapet har en utforming som er typisk for istidens erosjon. Det U-formete tverrsnitt er typisk for daler og fjorder formet av dalbreer. Den betydelige overfordypning som er vanlig i fjordene er vanskeligere å forstå.

Typisk for fjordene er også at det finnes terskler i de ytre delene og spesielt ved fjordmunningene. Et godt eksempel på dette finnes i Sognefjorden utenfor Lavik der overfordypningen er på 1200 m, mens dybden minker til fjordterskelen på bare 200 m dybde noen kilometer lengre ut i fjorden. Det er disse tersklene som gir muligheter for å kunne krysse fjordene med undersjøiske tunneler.

Lokalisering av kryssings-steder går derfor ut på å finne tersklene i fjordene. Dette gjøres på grunn­lag av sjøkartverk og geologiske oversiktsstudier.  Imidlertid gjenstår vurderingen av om terskelen er en endemorene bestående av løsmasser eller en berggrunnsterskel. De viktigste endemorene kan bestå av meget tykke bre‑avleiringer med stor utbredelse som kan gi inntrykk av at overdekningen er tynn. Oftest finnes endemorenene der det allerede forekommer en bergterskel, men tykkelsen her kan være meget variabel.

Vardø-forbindelsen et pionérprosjekt

Vardø ligger på en liten øy på Vest-Europas nord-østre hjørne, i arktisk sone på  ganske nøyaktig 70 grader nord. Et artig poeng er at den ligger østenfor Istanbul. Vardøya har utsikt over Varangerfjorden og innseilingen til Murmansk, som kan sees på klare dager. Øya ble isfri for ca 12 000 år siden, og en strandlinje på den høyeste toppen viser at havet da sto 80 m høyere enn nå. En strandlinje 52 m.o.h. svarer til den høyeste som finnes på landsiden og viser at øya ble isfri 2000 år før fastlandet. Funn på øya viser at den har vært besøkt av mennesker allerede for 6000 år siden.

Den eldste kjente historiske begivenhet er fra 1307, da erkebiskopen av Trondheim signet en kirke på øya. Samtidig bygde kong Håkon V Magnusson en festning der for å forsterke sin myndighet over nordområdene. I tidens løp øket Vardø’s betydning som fiskevær. Øya ble tidlig senter for Pomorhandelen, der fisk ble byttet mot korn fra Russland. Også på slutten av 1970-årene var de fleste av byens innbyggere beskjeftiget innen fiske og fiskeindustri.

Da tyskerne trakk seg ut av Vardø 31.10.1944, sto det 48 uskadde hus igjen på øya. De ble bombet av russerne. Mesteparten av innbyggerne ble evakuert under krigen (1941-44). I 1939 bodde det over 3700 mennesker på øya. 28 oktober 1944, da Hitler ga ordre om å brenne Finnmark og evakuere innbyggerne, var det bare 2-300 nordmenn igjen i Vardø.
Da byen skulle gjenreises forutså myndighetene problemene med  fastlands-forbindelsen. Det ble derfor bestemt at bebyggelsen skulle anlegges  på sydsiden av Bussesundet som skiller øya fra fastlandet.

En havn på Svartnes ble prosjektert og  materialer til gjenoppbyggingen ble losset her. Befolkningen motsatte seg dette, og fryktet at bygging av molo ville ta tid, i mellomtiden forutså de vanskeligheten med forbindelsen til Vardø’s beskyttede havn. De valgte å ro materialene med lettbåter over sundet for bygging på gamle tomter. Men etter en avstemning i 1947 ble det et overveldende flertall for å flytte byen og havnen til Svartnes.  Etter hvert kom det uunngåelige kravet om fastlandsforbindelse på dagsordenen og en lang politisk prosess fulgte.

Skissen viser de to alternativene for kryssing av Bussesundet;
bruprosjekt i vest og tunnel i øst. Fra Vegdirektoratet.

Valg av  tunnel for fastlandsforbindelse

Planleggingen av fastlandsforbindelsen startet allerede i 1951, og både  tunnel og bru ble vurdert. I 1959 ble det vedtatt å bygge en tunnel i berggrunnen under Bussesund, men bare for militært bruk. Høye kostnader og uenighet om finansiering medførte stadige utsettelser. Allerede tidlig på 1960-tallet vurderte Vegdirektoratet  en undersjøisk tunnel. Denne løsningen ble fremhevet fordi en bruforbindelse var utsatt ved arktiske vinterstormer, og til hinder for skipstrafikken. Således var veien over høyden  til Vadsø og vegnettet videre stengt i gjennomsnitt 12 døgn i året, og fergeforbindelsen enda oftere.

Geologisk kartlegging av berggrunnen  for tunnelprosjektet ble utført sommeren 1964.

Konklusjonen i rapport fra Veglaboratoriet av 22 mars 1965 ble at berggrunnen ikke var av den beste kvalitet for tunnelbygging, og det var fare for store vannlekkasjer. Dessuten ble teknikken for å hindre vanninnbrudd under driften vurdert til å være for usikker. Videreføring av grunnundersøkelser for brualternativene ble utført ved seismiske målinger i 1973 og 1974.

I mellomtiden var japanerne i gang med Seikan-tunnelen, en 54 km lang jernbaneforbindelse mellom øyene Honshu og Hokkaido. Her bestod grunnen av svake, bløte og permeable vulkanske bergmasser. Til tross for betydelige vanninnbrudd drev japanerne  tunnelen frem ved hjelp av såkalt forinjeksjon. De hadde gjort store fremskritt i å utvikle injeksjonsmaterialer som ble pumpet inn på borhull foran tunnelen for å forsterke og tette grunnen der tunnelen skulle føres frem.

Kaare Flaate og Arne Grønhaug får orientering av en japansk
guide ved stuffen på Seikan pilottunnel, 240 m under Stillehavet.
Foto: Egil Lundebrekke.

Men erfaringene fra Seikan og Severen tunnelene viste at uforutsette forhold førte til betydelige kostnadsoverskridelser. I Sverige ble byggingen av undersjøisk tunnel til Muskø fulgt med interesse fra sakkyndig hold. Tunnelen ble åpnet i 1964, og kostnadene her var meget gunstige. Som følge av dette gjennomførte Veglaboratoriet samme år en geologisk kartlegging av området  ved Bussesundet. I et notat til teknisk direktør fremhevet Veglaboratoriet at problemene under Bussesund var av betydelig mindre omfang enn i Japan, og ”det var realistisk å regne med at en med den teknologi som finnes vil være mulig å mestre lekkasjene i en tunnel under Bussesund” (1).

Teknisk direktør Olav A. B. Torpp, som hadde innsikt i tunneldrift fra sin tid som vegsjef  i Hordaland, bestemte i samråd med Samferdselsdepartementet å sende en liten arbeidsgruppe til Seikan-tunnelen for å studere driften og rapportere om erfaringer relevante for Vardø-prosjektet. Høsten 1976 ble befaringen gjennomført, med stor velvillighet fra japanske jernbane- og vegmyndigheter. Ved anleggsleiren på Hokkaido var det bygd et stort servicesenter der prosjektet ble demonstrert på en meget instruktiv måte, noe som var en nyhet og senere er fulgt opp ved flere store prosjekter.

Under befaringen var driften stoppet fordi hovedtunnelen var fylt med rør av store dimensjoner for utpumping av lekkasjevann. Dette var et av de tre store vanninnbruddene som oppsto under driften. Omfattende  injeksjonsarbeider var i gang, og dette ble demonstrert i den tørre pilottunnelen, der arbeidsgruppen fikk tilgang helt frem til stuffen. Rapport fra befaringen ble ferdigstilt i november og på grunnlag av rapporten ble det avgjort at de videre undersøkelser i Vardø skulle konsentreres om tunnelprosjektet.

Fergens siste tur over Freifjorden? Foto: Veglaboratoriet.

Diskusjon om geologiske forundersøkelser

Ved Muskø tunnel ble det utført omfattende undersøkelser ved at en sjakt ble drevet  fra et skjær midt i traseen og undersøkelsesstoller drevet i tunnelnivå til begge sider til de dypeste partiene av sundet var passert. Denne fremgangsmåten var hverken mulig eller aktuell ved Vardø.  

Det ble forutsatt at en fremdrift av undersøkelser med  geologisk kartlegging, seismiske målinger og boringer ville gi tilfredsstillende sikkerhet. Vegdirektoratet planla umiddelbart en forsert undersøkelse av berggrunnen under Bussesundet. Den mest rasjonelle fremgangmåte for  undersøkelse av grunnforholdene er trinnvis, slik at hver undersøkelse planlegges ut fra resultatene av den foregående. Men den er også tidkrevende, og det ble derfor nødvendig å utføre parallelle undersøkelser ut fra antagelsen av at en valgt trace var gjennomførbar. Kartleggingen ble derfor konsentrert om korteste trase, dvs fra Svartnes og rett over sundet. Sundet ligger i strandflaten, som vanligvis består av et utjevnet flatt terreng med få bratte partier Således skulle bunnforholdene være gunstig ved at tunnelen ble liggende forholdsvis grunt og  kunne bli kortest mulig.  

Siden denne løsningen inneholdt risiki i tillegg til dem som eksisterer ved vanlig tunnelbygging, var det nødvendig å innføre spesielle opplegg for planlegging og forundersøkelser. Dersom Vardøprosj­ektet ble vellykket, var det rimelig å regne med at dette ville initiere en ny epoke i utbyggingen av vegforbindelser. Vi hadde kort sagt ikke råd til å mislykkes. Med erfaring for vanlig planleggingspraksis, for å få ideer til muligheter, og for å få støtte for nødvendige geologiske undersøkelser presenterte jeg et foredrag på Geomechanik‑konferansen i Salzburg i1977 (2). Her skisserte jeg hvilke utfordringer et slikt prosjekt ville møte og hvilke krav som bør stilles til den geologiske prosjektering av undersjøiske tunneler.  

Sommeren 1977 ble det utført mer detaljert kartlegging av berggrunnen i området. Samtidig ble det igangsatt et program med vertikale boringer over den valgte traseen i Bussesund. Rapport fra undersøkelsene ble lagt frem vinteren 1978. Den konkluderte med at tunnelprosjektet var fullt ut gjennomførbart, men berggrunnen var ikke den beste, slik at videre undersøkelser for bedre driftsplanlegging var nødvendig.

Undersøkelsene baserte seg på seismiske profiler over traseen, samt vertikale boringer fra lekter. Disse undersøkelsene ga en god indikasjon på grunnforholdene, men var ikke tilstrekkelig til å registrere avgjørende forhold som:

1) Trange og steile, løsmassefylte kløfter i berggrunnen.

2) Løsmassefylte kløfter med liten vinkel til profilet.

4) Bruddsoner som stryker med liten vinkel til profilet.

5) Bruddsoner med flattliggende eller svevende lagstilling.

6) Bruddsoner som inneholder store blokker med god kontakt til sideberget.

7) Bruddsoner beliggende under lag med høyere hastighet (blindsonelag).

8) Øvrige geometriske forhold som ikke registreres.

For å avklare disse forholdene ble Norges geologiske undersøkelse (NGU) bedt om å utrede mulighetene for å utføre lange, styrte horisontale kjerneboringer. NGU leverte et forslag om hvorledes dette skulle gjennomføres, og var selv interessert i å ta del i utvikling av metoden.

Dette fikk ingen støtte og supplerende undersøkelser ble begrenset til korte kjerneboringer fra strandsonene, samt til kontinuerlig kjerneboringer fra tunnelen under drift.

Miljøvennlig forbindelse stuper ned under Fannefjorden fra Bolsøy til Molde.
Foto: Veglaboratoriet

Vedtak om fastlandsforbindelsen.

I mellomtiden økte trafikken over sundet, og i 1977 fraktet fergen  160 000 passasjerer og 6400 kjøretøyer. Bru-alternativet ble kostnadsberegnet til 120 millioner kroner, mens tunnelalternativet var beregnet til mellom  70 og 110 millioner, avhengig av  de geologiske forholdene. Tunnelen skulle bli 2892 m langt, inkludert ca 300 m snøoverbygg. Tunnelprosjektet besto i en tunnel med et fall på 8%, en maksimal dybde på 88 meter under havnivå og en gjennomsnittlig bergoverdekning på ca 50 m.
Før prosjektet uttrykte mange angst for å bruke tunnelen, men erfaring fra våre tunnelfylker viste at dette ville avta etter hvert som tunnelen ble tatt i bruk. Tunnel-alternativet ble vedtatt i Stortinget etter samferdselsminister Ragnar Christiansens hadde gitt det sin sterke støtte.

Gjennomføring  av  tunneldriften

Entreprenørbedriften ing.Thor Furuholmen vant i 1978 anbudet på bygging, til en anbudssum på 63 mill kr, som  var lavere enn kostnadsoverslaget. Byggingen startet tre uker forsinket  sommeren 1979. På grunn av liten fremdrift i begynnelsen ble ikke betongoverbygg for snøbeskyttelse etablert på Vardøya, slik at dette ble et år forsinket. På Svartnes ble det imidlertid støpt et 100 meter langt snøoverbygg.

Driftsopplegget var vanlig tunnelsprengning, men forutsatte kontinuerlige boringer foran tunnelen  for registrering av vannlekkasjer, samt kjerneboringer for varsel om rasfarlig berggrunn. På Svartnes var det store problemer med hensyn til dårlig berggrunn og behov for omfattende drifts-sikring, noe som førte til forsinkelser av driften. En meget dramatisk situasjon fant sted et stykke lengre ut ved at det raste ut et spir på syv meters høyde(4). Situasjonen ble løst ved umiddelbar midlertidig sikring med sprøytebetong, montering av stålskjold for oppfylling av betong og støping av hvelv. Samme hendelser, men ikke med like stor dramatikk oppsto også senere.

På Vardøya gikk driften i gjennomsnitt raskere, men her oppstod det et betydelig vanninnbrudd like etter at strandlinjen var passert. Også her ble det nødvendig med utstøping til stuff før fremdriften kunne fortsette. Fremdriften varierte derfor mye, fra 30 m tunnel pr. uke ved normal drift til bare 3 m der det var nødvendig med utstøping med stålskjold for arbeidssikring. Vannlekkasjene viste seg å være betydelig større enn ved normal tunneldrift, noe som skyltes den oppsprukne berggrunnen. Bare i fire tilfelle ble det benyttet forinjeksjon, og dette førte til lekkasjer i hele tunnellengden. Kjerneboringene ble utført fra nisjer bak stuffen, og var til hinder for driften. Dette førte til at boringen ikke alltid lå foran stuffen slik at varsel om stabilitetsproblemer ikke ble registrert slik som forutsatt.

I alt ble tunnelen sikret med 630 m betonghvelv, hvorav 70 m var vannsikret med membran. Til sikringen forøvrig gikk det med  18000 bergbolter og 2300 kubikkmeter sprøytebetong.  I tillegg var 2000 m vannsikret med frostisolerte aluminiumshvelv. Dette var betydelig mer enn vanlig ved vegtunneler i Norge, og også mer enn opprinnelig forventet. Blant annet var det forutsatt maksimalt 500 m utstøpning. Det ble en betydelig overskridelse av kostnadene på prosjektet, noe som også hadde andre årsaker. Mer detaljerte forundersøkelser ville gitt et riktigere kostnadsoverslag og kostnadsreduserende planlegging av driften.

Åpning av tunnelen

Tunnelen ble offisielt åpnet av kong Olav  16 august 1983 med store festligheter og fulltallig fremmøte av Vardø’s 3000 innbyggere. Samtidig ble et relieff av den utrettelige forkjemper for fastlandsforbindelsen, ordfører Hjalmar Halvorsen, avduket av fylkesmann  Anders Aune. Men tunnelen ble åpnet for trafikk allerede 22 desember 1982, samtidig som fergetrafikken ble innstilt. Dette medførte periodevis stengning av forbindelsen på grunn av kompletteringsarbeider, men folk var vante med faste fergetider, så dette gikk greit.

En god stund etter den offisielle åpningen fikk Vegdirektoratet en regning ført på Vegdirektoratets konto for festligheter i forbindelse med generalprøve på åpningen. Ifølge  vegdirektør Eskild Jensen kunne noe slikt bare skje i Vardø.( 2)

Et av de største vegprosjektene, Trekantsambandet, binder Bømlo og Stord sammen med fastlandet
og E39. Foto: Veglaboratoriet  

Oppsving i undersjøiske vegforbindelser

Men erfaringene fra Vardø skremte ikke forkjemperne for undersjøiske fastlands-forbindelser. Et argument var at Vardøforbindelsen ble bygd på et sted med spesielt ugunstige geologiske forhold. Prosjektet satte derfor i gang en flom av krav om tilsvarende løsninger, og viste at behovet for fastlandsforbindelser føltes meget sterkt i kystområdene                    

En liste utarbeidet av Vegdirektoratet i 1987 inneholder 38 prosjekter, og bare fra Møre og Romsdal inneholdt listen 22 prosjekter. I den tid som er gått er, det bygd 25 slike forbindelser, og pr. i dag er det tre under bygging. Det vil si at det i gjennomsnitt er åpnet en forbindelse pr. år. I tillegg satte lanseringen av tunnel som alternativ til bru  i gang en nytenkning som har ført til utredning av flytebru‑ og rørbrukonsepter. Listen over forbindelsene er vist i tabell 1.

Tabell 1

Erfaringer og fremtidsperspektiver

Erfaringer fra tidligere prosjekter, spesielt Muskøtunnelen  tydet på, at vannlekkasjene ville øke med tiden, men det har stort sett ikke slått til for de undersjøiske tunnelene i Norge. Men det er et spørsmål om ikke en mer omfattende vannsikring ved forinjeksjon hadde lønnet seg i det lange løp. Spesielt gjelder dette Vardøtunnelen med sin betydelige vannlekkasje på 1000 liter pr. minutt. Lekkasjene av saltvann har ført til omfattende korrosjon av innsatallasjoner og sikringsmidler. Vannsikring med frostisolerte aluminiumshvelv har imidlertid vist seg vellykket, idet de fremdeles er i god stand. Dette viser at slike hvelv utført med forskriftsmessig montering og sjøvannsbestandig Al-legering har vært en god investering.  

Behovet for grundigere geologiske undersøkelser er forsterket etter flere overraskelser med hensyn til  grunnforholdene. Erfaringene fra tunnelen under Bømlafjorden viser dette. Der ble det i siste liten ble utført en kjerneboring som førte til at tunnelen måtte senkes for å unngå å komme ut i løsmasser på det dypeste partiet. Kostnader og konsekvenser er så betydelige ved slike hendelser at kostnadene til en fullført kvalitetssikret grunnundersøkelse er ubetydelige i forhold.

Angsten for å kjøre i tunneler er et tema som for tiden er aktualisert ved enkelthendelser av ras og nedfall av stein. I Vardø var mange av innbyggerne skeptisk til en tunnelløsning før prosjektet ble realisert. Som erfaringene fra våre tunnelfylker viser, avtar denne frykten raskt etter at prosjektet var satt i trafikk. I Vardø ble tunnelen til og med til glede for befolkningen ved at den var den eneste farbare turvei når stormene herjet og vegforbindelsene var stengt.

Analysene av ulykker viser at tunneler er til dels betydelig sikrere å kjøre i enn tilstøtende veg. Et unntak er inngangspartiene, som har en mer normal ulykkesfrekvens. Dette gjelder også de undersjøiske tunnelene, som i tillegg har en spesiell utforming med meget bratte strekninger i hver ende.

Erfaringene fra bygging av Vardøtunnelen stimulerte en optimisme som i noen tilfelle har vært noe overopphetet. . Således gikk det svært galt da Ålesund og Giske Bruselskap A/S,  med Sunnmørsbanken som garantist, finansierte undersjøiske forbindelser til Giske og Godøy. Utilstrekkelig økonomi i prosjektet førte til konkurs, og tunnelforbindelsen ble et gedigent  underskuddsforetagende som til sist måtte berges av offentlige midler.  

Stort sett har imidlertid utbyggingen av undersjøiske vegtunneler vært meget vellykket, og skapt faste vegforbindelser til folkerike områder viktige for næringsliv og industri. Utsiktene for løsningen fremover er kanskje ikke like optimistisk. Nye krav til sikkerhet i vegtunneler som blir introdusert vil føre til sterkt økte kostnader både til bygging og drift. Hvordan dette skal løses for våre i internasjonal sammenheng lavtrafikk forbindelser gjenstår å se.

Referanser

(1) Notat til Tek fra Lab 30.9.76. ved A. Grønhaug.

(2) Arne Grønhaug. Requirements for Geological Studies for Undersea Tunnels. Rock Mechanics Supplement 7, 1978

(3) Sverre Knutsen og Knut Boge. Norsk vegpolitikk etter 1960. Cappelen 2005

(4) Arne Grønhaug, Tor Erik Lynneberg. The Vardø undersea tunnel. A low cost project? International symposium on low cost tunnels, Tapir 1984.

(5) Jose Antonio Junca Umbierna. The amazing Norwegian sub-sea road tunnels. Norwegian Road Research Laboratory, Publication no 63.