Sustainability in tunnel projects
Karlsson, Liisa-Maija (2024)
Karlsson, Liisa-Maija
2024
Rakennustekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Civil Engineering
Rakennetun ympäristön tiedekunta - Faculty of Built Environment
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2024-04-26
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202404043297
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202404043297
Tiivistelmä
The United Nations published the Sustainable Development Goals (SDGs), which aim to guide global development to ensure that present and future generations can live well within the limits of the earth's natural resources and natural capacity. These goals are divided into social, economic and environmental dimensions. In transport infrastructure, sustainable design aims to balance these three dimensions. To meet this goal, it is essential to measure and evaluate the effectiveness of design solutions with Multi-criteria decision-making (MCDM) techniques. However, such sustainability assessment tools are not commonly applied to transport systems, including tunnelling.
This thesis examines the concept of sustainable tunnel design, with a specific focus on road and train tunnels in Switzerland and Finland. The work is divided into four research questions:
1. What is sustainable tunnel design?
2. How can sustainable development be measured in tunnel construction?
3. How well is the SNBS tool suited to assess sustainability in tunnel construction and what are the bottlenecks in the assessment?
4. How can sustainability be seamlessly integrated into the tunnel design process?
Literature review, interviews with tunnel construction experts and case studies were used as research methods. The case studies tested the use of the sustainability assessment tool Swiss Standards for Sustainable Building - Infrastructure 1.0 (SNBS) by the Sustainable Building Network Switzerland (NNBS).
Based on a literature review, the study comprehensively identifies the impact of tunnelling on development. In addition, the theoretical section sought to list design solutions that promote sustainability. The results of the interviews revealed that, in general, there are no common practices and objectives for sustainability assessment in the tunnelling sector and, as a result, legislators play a key role in promoting sustainability. The case studies found that the tool is useful in the design phases of a tunnel project for sustainability assessment. However, its full use requires a considerable effort from several stakeholders and its implementation depends on the willingness of the client.
Key conclusions include the idea that the designer should seek to balance the three dimensions of sustainability through a methodical analysis of the impact of solutions. The SNBS tool, among others, guides these analyses by recommending methods such as carbon calculation and life cycle assessment (LCA).
In Switzerland and in Finland, sustainable development in the building sector is pursued through legislation and industry-specific Green Deals. At present, these policies and agreements do not oblige companies to implement sustainable development, but there is a clear trend in this direction, particularly in terms of reducing GHG emissions. The successful integration of sustainable development into the planning process will, therefore, become an established criterion for the tunnel sector in the coming years.
Sustainability assessment should already be considered at the earliest design stage, where the designer's task is to identify and promote sustainable solutions. These solutions can be identified by assessing the project against the SNBS indicators, which can be used to analyse the impact of different design options at social, economic, and environmental levels. In addition to the analysis, it would be important to set targets for quantitatively measurable indicators, particularly life cycle electricity consumption, resource efficiency, and global greenhouse gas (GHG) emissions, to ensure that sustainable development is achieved. Yhdistyneet kansakunnat julkaisivat kestävän kehityksen tavoitteet, jotka pyrkivät ohjaamaan globaalin kehityksen turvaamaan nykyisille ja tuleville sukupolville hyvät elämisen mahdollisuudet maapallon luonnonvarojen ja luonnon kestokyvyn rajoissa. Nämä tavoitteet jaetaan sosiaalisiin, taloudellisiin ja ympäristöön liittyviin ulottuvuuksiin. Liikenneinfrastruktuurissa kestävän suunnittelun tavoitteena on näiden kolmen ulottuvuuden tasapainottaminen. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi on ratkaisevaa mitata ja arvioida suunnitteluratkaisujen tehokkuutta. Monikriteeristä päätösanalyysia käytetään yhä useammin rakentamisen kestävyyden arviointiin. Tällaisia kestävän kehityksen arviointivälineitä ei kuitenkaan yleisesti sovelleta liikennejärjestelmiin, kuten tunneleihin.
Tässä diplomityössä käsitellään kestävää tunnelisuunnittelua ja keskitytään erityisesti Sveitsin ja Suomen tie- ja rautatietunneleihin. Työ jakautuu neljään tutkimuskysymykseen:
1. Mitä kestävä tunnelirakentaminen on?
2. Miten kestävää kehitystä voidaan mitata tunnelirakentamisessa?
3. Miten hyvin SNBS-työkalu soveltuu arvioimaan kestävyyttä tunnelirakentamisessa ja mitkä ovat arvioinnin pullonkaulat?
4. Miten kestävä kehitys voidaan integroida saumattomasti tunnelin rakentamisen suunnitteluprosessiin?
Vastauksia haettiin kirjallisuustutkimuksen, tunnelirakentamisalan asiantuntijoiden haastatteluilla ja esimerkkitapauksien. Esimerkkitapauksissa käytettiin Sustainable Building Network Switzerland (NNBS) -verkoston julkaisemaa kestävän kehityksen arviointityökalua Standards for Sustainable Building Switzerland Infrastructure 1.0 (SNBS).
Kirjallisuustutkimuksen perusteella työ määrittää kattavasti tunnelirakentamisen vaikutuksen kestävän kehityksen sosiaalisiin, taloudellisiin ja ympäristön ulottuvuuksiin. Lisäksi teoriaosuus pyrki listaamaan kestävyyttä edistäviä suunnitteluratkaisuja. Haastattelujen tuloksista kävi ilmi, että yleensä tunnelinrakennusalalla ei ole yhteisiä käytäntöjä ja tavoitteita kestävän kehityksen arviointia varten ja sitä kautta lainsäätäjillä on keskeinen rooli kestävän kehityksen edistämisessä. Esimerkkitapauksissa havaittiin, että työkalu on suunnittelussa hyödyllinen tunnelihankkeen eri vaiheissa kestävyyden arvioinnissa. Sen kokonaisvaltainen hyödyntäminen edellyttää kuitenkin huomattavaa työpanosta useilta sidosryhmiltä, joten sen käyttöönotto on riippuvainen asiakkaan halukkuudesta.
Keskeinen johtopäätös on, että suunnittelijan tulisi pyrkiä tasapainottamaan kolme kestävyyden ulottuvuutta ratkaisujen vaikutusten metodologisen analyysin avulla. Muun muassa SNBStyökalu ohjaa näiden analyysien tekoa suosittelemalla indikaattorien arviointiin esimerkiksi hiilijalanjälki- ja elinkaarilaskentaa.
Sveitsissä ja Suomessa kestävää kehitystä rakennusaloilla pyritään edistämään lainsäädännöllä ja alakohtaisten Green Deal -sopimusten avulla. Tällä hetkellä nämä ohjauskeinot eivät vielä velvoita yrityksiä toteuttamaan kestävää kehitystä. Trendi on kuittenkin oikeaan suuntaan keskittyen erityisesti kasvihuonekaasujen rajoittamiseen. Näin ollen kestävän kehityksen integroiminen vahvistuu myös suunnittelualalla.
Kestävän kehityksen arvioiminen tulee huomioida jo suunnitteluvaiheessa ja suunnittelijan tehtävä on tuoda esiin kestävää kehitystä edistäviä ratkaisuja. Näitä ratkaisuja voidaan tunnistaa arvioimalla eri suunnitteluvaihtoehtojen vaikutusta kestävyyteen SNBS-indikaattoreilla. Vertailun lisäksi oleellista olisi asettaa tavoitteita erityisesti mitattaville indikaattoreille, kuten sähkön kulutus, louhitun kalliomurskeen hyötykäyttö ja kasvihuonekaasut, jotta voidaan varmistua kestävän kehityksen toteutumisesta. Die Verkehrsinfrastruktur beeinflusst die soziale, wirtschaftliche und ökologische Nachhaltigkeit. Eine nachhaltige Gestaltung zielt darauf ab, diese drei Dimensionen in Einklang zu bringen. Um dieses Ziel zu erreichen, ist es unerlässlich, die Wirksamkeit von Designlösungen zu messen und zu bewerten. Zur Bewertung der Nachhaltigkeit im Bauwesen werden zunehmend Techniken der multikriteriellen Entscheidungsfindung (MCDM) eingesetzt. Solche Instrumente zur Bewertung der Nachhaltigkeit werden jedoch in der Regel nicht auf Verkehrssysteme, einschließlich des Tunnelbaus, angewandt.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der nachhaltigen Gestaltung von Tunneln und konzentriert sich dabei auf Straßen- und Eisenbahntunneln in der Schweiz und in Finnland. Die Arbeit ist in vier Forschungsfragen gegliedert:
1. Was ist nachhaltiges Tunneldesign?
2. Wie kann nachhaltige Entwicklung im Tunnelbau gemessen werden?
3. Wie gut eignet sich das SNBS-Tool zur Bewertung der Nachhaltigkeit im Tunnelbau und wo liegen die Engpässe bei der Bewertung?
4. Wie kann Nachhaltigkeit nahtlos in den Planungsprozess im Tunnelbau integriert werden?
Antworten wurden durch Literaturstudie, Interviews mit Tunnelbauexperten und Fallstudien gesucht. In den Fallstudien wurde die Anwendung des Nachhaltigkeitsbewertungsinstruments Standard Nachhaltiges Bauen Schweiz - Infrastruktur 1.0 (SNBS) des Netzwerk Nachhaltiges Bauen Schweiz (NNBS) getestet.
Auf der Grundlage einer Literaturstudie werden in der Studie die Auswirkungen des Tunnelbaus auf die Entwicklung umfassend dargestellt. Darüber hinaus wurde im theoretischen Teil versucht, Lösungsansätze zur Förderung der Nachhaltigkeit aufzuzeigen. Die Ergebnisse der Interviews haben gezeigt, dass es im Allgemeinen keine gemeinsamen Praktiken und Ziele für die Nachhaltigkeitsbewertung im Tunnelbau gibt und dass daher der Gesetzgeber eine Schlüsselrolle bei der Förderung der Nachhaltigkeit spielt. Die Fallstudien haben gezeigt, dass das Instrument für die Nachhaltigkeitsbewertung in der Planungsphase eines Tunnelprojekts nützlich ist. Seine vollständige Anwendung erfordert jedoch beträchtliche Anstrengungen seitens mehrerer Beteiligter und hängt von der Bereitschaft des Auftraggebers ab.
Eine wichtige Schlussfolgerung ist, dass der Planer versuchen sollte, die drei Dimensionen der Nachhaltigkeit durch eine methodische Analyse der Auswirkungen von Lösungen auszugleichen. Das SNBS-Tool unterstützt diese Analysen unter anderem durch die Empfehlung von Methoden wie CO2-Emissionsberechnung und Lebenszyklusanalyse (LCA).
In der Schweiz und in Finnland wird die nachhaltige Entwicklung im Bausektor durch die Gesetzgebung und durch branchenspezifische Green Deals gefördert. Gegenwärtig zwingen diese Politiken und Vereinbarungen nicht zur Umsetzung einer nachhaltigen Entwicklung. Es gibt jedoch einen klaren Trend in diese Richtung, insbesondere im Hinblick auf die Reduzierung der Treibhausgasemissionen. Die Integration der nachhaltigen Entwicklung in den Planungsprozess wird in den kommenden Jahren zu einem etablierten Kriterium für den Tunnelsektor.
Die Nachhaltigkeitsbewertung sollte bereits in der Ausschreibungsphase berücksichtigt werden. Es ist die Aufgabe des Planers, nachhaltige Lösungen zu ermitteln und zu fördern. Die Bewertung kann anhand der SNBS-Indikatoren erfolgen, um die Auswirkungen der verschiedenen Planungsoptionen auf sozialer, wirtschaftlicher und ökologischer Ebene zu analysieren. Um eine nachhaltige Entwicklung sicherzustellen, sollten Ziele für quantitativ messbare Indikatoren festgelegt werden. Dazu gehören Aspekte wie der Stromverbrauch über den gesamten Lebenszyklus, die Wiederverwendung von Aushubmaterial und die globalen Treibhausgasemissionen.
This thesis examines the concept of sustainable tunnel design, with a specific focus on road and train tunnels in Switzerland and Finland. The work is divided into four research questions:
1. What is sustainable tunnel design?
2. How can sustainable development be measured in tunnel construction?
3. How well is the SNBS tool suited to assess sustainability in tunnel construction and what are the bottlenecks in the assessment?
4. How can sustainability be seamlessly integrated into the tunnel design process?
Literature review, interviews with tunnel construction experts and case studies were used as research methods. The case studies tested the use of the sustainability assessment tool Swiss Standards for Sustainable Building - Infrastructure 1.0 (SNBS) by the Sustainable Building Network Switzerland (NNBS).
Based on a literature review, the study comprehensively identifies the impact of tunnelling on development. In addition, the theoretical section sought to list design solutions that promote sustainability. The results of the interviews revealed that, in general, there are no common practices and objectives for sustainability assessment in the tunnelling sector and, as a result, legislators play a key role in promoting sustainability. The case studies found that the tool is useful in the design phases of a tunnel project for sustainability assessment. However, its full use requires a considerable effort from several stakeholders and its implementation depends on the willingness of the client.
Key conclusions include the idea that the designer should seek to balance the three dimensions of sustainability through a methodical analysis of the impact of solutions. The SNBS tool, among others, guides these analyses by recommending methods such as carbon calculation and life cycle assessment (LCA).
In Switzerland and in Finland, sustainable development in the building sector is pursued through legislation and industry-specific Green Deals. At present, these policies and agreements do not oblige companies to implement sustainable development, but there is a clear trend in this direction, particularly in terms of reducing GHG emissions. The successful integration of sustainable development into the planning process will, therefore, become an established criterion for the tunnel sector in the coming years.
Sustainability assessment should already be considered at the earliest design stage, where the designer's task is to identify and promote sustainable solutions. These solutions can be identified by assessing the project against the SNBS indicators, which can be used to analyse the impact of different design options at social, economic, and environmental levels. In addition to the analysis, it would be important to set targets for quantitatively measurable indicators, particularly life cycle electricity consumption, resource efficiency, and global greenhouse gas (GHG) emissions, to ensure that sustainable development is achieved.
Tässä diplomityössä käsitellään kestävää tunnelisuunnittelua ja keskitytään erityisesti Sveitsin ja Suomen tie- ja rautatietunneleihin. Työ jakautuu neljään tutkimuskysymykseen:
1. Mitä kestävä tunnelirakentaminen on?
2. Miten kestävää kehitystä voidaan mitata tunnelirakentamisessa?
3. Miten hyvin SNBS-työkalu soveltuu arvioimaan kestävyyttä tunnelirakentamisessa ja mitkä ovat arvioinnin pullonkaulat?
4. Miten kestävä kehitys voidaan integroida saumattomasti tunnelin rakentamisen suunnitteluprosessiin?
Vastauksia haettiin kirjallisuustutkimuksen, tunnelirakentamisalan asiantuntijoiden haastatteluilla ja esimerkkitapauksien. Esimerkkitapauksissa käytettiin Sustainable Building Network Switzerland (NNBS) -verkoston julkaisemaa kestävän kehityksen arviointityökalua Standards for Sustainable Building Switzerland Infrastructure 1.0 (SNBS).
Kirjallisuustutkimuksen perusteella työ määrittää kattavasti tunnelirakentamisen vaikutuksen kestävän kehityksen sosiaalisiin, taloudellisiin ja ympäristön ulottuvuuksiin. Lisäksi teoriaosuus pyrki listaamaan kestävyyttä edistäviä suunnitteluratkaisuja. Haastattelujen tuloksista kävi ilmi, että yleensä tunnelinrakennusalalla ei ole yhteisiä käytäntöjä ja tavoitteita kestävän kehityksen arviointia varten ja sitä kautta lainsäätäjillä on keskeinen rooli kestävän kehityksen edistämisessä. Esimerkkitapauksissa havaittiin, että työkalu on suunnittelussa hyödyllinen tunnelihankkeen eri vaiheissa kestävyyden arvioinnissa. Sen kokonaisvaltainen hyödyntäminen edellyttää kuitenkin huomattavaa työpanosta useilta sidosryhmiltä, joten sen käyttöönotto on riippuvainen asiakkaan halukkuudesta.
Keskeinen johtopäätös on, että suunnittelijan tulisi pyrkiä tasapainottamaan kolme kestävyyden ulottuvuutta ratkaisujen vaikutusten metodologisen analyysin avulla. Muun muassa SNBStyökalu ohjaa näiden analyysien tekoa suosittelemalla indikaattorien arviointiin esimerkiksi hiilijalanjälki- ja elinkaarilaskentaa.
Sveitsissä ja Suomessa kestävää kehitystä rakennusaloilla pyritään edistämään lainsäädännöllä ja alakohtaisten Green Deal -sopimusten avulla. Tällä hetkellä nämä ohjauskeinot eivät vielä velvoita yrityksiä toteuttamaan kestävää kehitystä. Trendi on kuittenkin oikeaan suuntaan keskittyen erityisesti kasvihuonekaasujen rajoittamiseen. Näin ollen kestävän kehityksen integroiminen vahvistuu myös suunnittelualalla.
Kestävän kehityksen arvioiminen tulee huomioida jo suunnitteluvaiheessa ja suunnittelijan tehtävä on tuoda esiin kestävää kehitystä edistäviä ratkaisuja. Näitä ratkaisuja voidaan tunnistaa arvioimalla eri suunnitteluvaihtoehtojen vaikutusta kestävyyteen SNBS-indikaattoreilla. Vertailun lisäksi oleellista olisi asettaa tavoitteita erityisesti mitattaville indikaattoreille, kuten sähkön kulutus, louhitun kalliomurskeen hyötykäyttö ja kasvihuonekaasut, jotta voidaan varmistua kestävän kehityksen toteutumisesta.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der nachhaltigen Gestaltung von Tunneln und konzentriert sich dabei auf Straßen- und Eisenbahntunneln in der Schweiz und in Finnland. Die Arbeit ist in vier Forschungsfragen gegliedert:
1. Was ist nachhaltiges Tunneldesign?
2. Wie kann nachhaltige Entwicklung im Tunnelbau gemessen werden?
3. Wie gut eignet sich das SNBS-Tool zur Bewertung der Nachhaltigkeit im Tunnelbau und wo liegen die Engpässe bei der Bewertung?
4. Wie kann Nachhaltigkeit nahtlos in den Planungsprozess im Tunnelbau integriert werden?
Antworten wurden durch Literaturstudie, Interviews mit Tunnelbauexperten und Fallstudien gesucht. In den Fallstudien wurde die Anwendung des Nachhaltigkeitsbewertungsinstruments Standard Nachhaltiges Bauen Schweiz - Infrastruktur 1.0 (SNBS) des Netzwerk Nachhaltiges Bauen Schweiz (NNBS) getestet.
Auf der Grundlage einer Literaturstudie werden in der Studie die Auswirkungen des Tunnelbaus auf die Entwicklung umfassend dargestellt. Darüber hinaus wurde im theoretischen Teil versucht, Lösungsansätze zur Förderung der Nachhaltigkeit aufzuzeigen. Die Ergebnisse der Interviews haben gezeigt, dass es im Allgemeinen keine gemeinsamen Praktiken und Ziele für die Nachhaltigkeitsbewertung im Tunnelbau gibt und dass daher der Gesetzgeber eine Schlüsselrolle bei der Förderung der Nachhaltigkeit spielt. Die Fallstudien haben gezeigt, dass das Instrument für die Nachhaltigkeitsbewertung in der Planungsphase eines Tunnelprojekts nützlich ist. Seine vollständige Anwendung erfordert jedoch beträchtliche Anstrengungen seitens mehrerer Beteiligter und hängt von der Bereitschaft des Auftraggebers ab.
Eine wichtige Schlussfolgerung ist, dass der Planer versuchen sollte, die drei Dimensionen der Nachhaltigkeit durch eine methodische Analyse der Auswirkungen von Lösungen auszugleichen. Das SNBS-Tool unterstützt diese Analysen unter anderem durch die Empfehlung von Methoden wie CO2-Emissionsberechnung und Lebenszyklusanalyse (LCA).
In der Schweiz und in Finnland wird die nachhaltige Entwicklung im Bausektor durch die Gesetzgebung und durch branchenspezifische Green Deals gefördert. Gegenwärtig zwingen diese Politiken und Vereinbarungen nicht zur Umsetzung einer nachhaltigen Entwicklung. Es gibt jedoch einen klaren Trend in diese Richtung, insbesondere im Hinblick auf die Reduzierung der Treibhausgasemissionen. Die Integration der nachhaltigen Entwicklung in den Planungsprozess wird in den kommenden Jahren zu einem etablierten Kriterium für den Tunnelsektor.
Die Nachhaltigkeitsbewertung sollte bereits in der Ausschreibungsphase berücksichtigt werden. Es ist die Aufgabe des Planers, nachhaltige Lösungen zu ermitteln und zu fördern. Die Bewertung kann anhand der SNBS-Indikatoren erfolgen, um die Auswirkungen der verschiedenen Planungsoptionen auf sozialer, wirtschaftlicher und ökologischer Ebene zu analysieren. Um eine nachhaltige Entwicklung sicherzustellen, sollten Ziele für quantitativ messbare Indikatoren festgelegt werden. Dazu gehören Aspekte wie der Stromverbrauch über den gesamten Lebenszyklus, die Wiederverwendung von Aushubmaterial und die globalen Treibhausgasemissionen.