三大隧道见证现代工程学奇迹

2019-04-12 03:14:36 看世界2019年7期

锁象劈麋

如果指给一位登山家一条连绵不绝的山脉,他的眼光会落在最高的峰顶。如果给一位航海家指向一条海峡,他的眼光会停在对面最适合停靠的峡湾。如果把山脉和海峡指给一位隧道工程师,他会立刻做出一个关于穿越山海的隧道设计方案,还附送一摞预算表。

在现代,技术因素不再是阻止宏伟计划实施的最大壁垒。一批批隧道工程师们在山脚和海底孜孜不倦地指挥挖掘,他们的成果不仅使世界各地人们的生活更加安全、便利,也创造了一系列工程学上的奇观。

陆路贯通英吉利海峡

远在1802年,拿破仑即将当选法兰西共和国的终身执政时,意气风发的他手握攻无不克的世界最强陆军雄视欧洲,恨无对手。而长期与法国隔海相望的宿敌英国,是他的最大目标之一。

恰好,有一位法国青年阿尔伯特·马修献策,希望借着共和国的财力修建一条贯通英吉利海峡的海底隧道。拿破仑闻言大喜,作为著名的新技术拥护者,他敏锐地注意到这条隧道一旦建成,在军事上将大大有利于他的精锐陆军。于是,他于《亚眠和约》时期让自己的哥哥跟英国方面吹了吹风。

日本津轻海峡鸟瞰图

第二次反法同盟刚刚失败,对拿破仑的崛起无比警惕的英国人接收到这个消息后,哪会猜不出拿破仑推销这条号称“马车两小时跑过海峡”的隧道的醉翁之意?他们只是无可无不可地听取,这项工程自然连立项的机会都没有就胎死腹中了。

其实这项大计划即使真的破土动工,多半也不会有太好结果,因为它对于当时法国的工程技术水平而言,算是大大超前了。

隧道计划由人力挖掘,马车运载泥土,隧道内的照明靠油灯,解决空气问题要用木质换气塔伸出海面。如今,对现代科学稍有了解的中学生,都会发现这个计划里很多不合理处。不过,作为设计海峡隧道的先驱,马修这个名字依然铭刻在欧陆交通史上。

当人们乘坐“欧洲之星”号豪华列车穿越英吉利海峡时,恍若穿越了200年的时光。

30年后,一位叫作德加蒙德的法国工程师,又对海底隧道产生了浓厚的兴趣。他最早期的计划是把一些大铁管子用船沉到海底,然后派工人抽水并接合管子。可想而知,把管子拼起来的工程非常艰巨。而在同一时期,盾构法被法国人发明出来,在英国泰晤士河隧道项目上经过反复试验,最终获得了成功。

当时的盾构法比较原始,就是建造一个大型构架,通过多个工作面的工人挖掘,以及构架底部工人的加固,使得构架一点一点往前挤压,最终挖通隧道。这种盾构方式只适合在松软的泥土层作业,遇到岩石等问题基本上没有办法。为了证明英法海底隧道的可行性,德加蒙德甚至亲自潜水到海峡底部勘测土层,并证明土层适合挖掘隧道—计划上的最后一块拼图已经拼好。

德加蒙德是拿破仑三世的好友,拿破仑三世也一度对这个看起来可行性相当高的计划表示大力支持。但由于种种原因,直到拿破仑三世下台,海峡隧道依然没有破土动工,如今被称作“英法海底隧道之父”的德加蒙德,也因未遂其志而一生郁郁。

19世纪后期,英国人也曾经试图为海峡隧道立项,但是又一次出于国家安全考虑而放弃。虽然19世纪的几次尝试均以失败告终,但这些先驱们进行的计算和论证没有白费。

20世纪两次世界大战之后,美苏强势崛起,欧洲诸强国难以与之抗衡,只能抱团取暖。于是,英法均加入欧盟的前身欧洲共同体。以往的恩怨虽然难以彻底放下,但至少它们暂时认为对方是亲密盟友加重要贸易伙伴。英法海底隧道这一计划,因而再次被提上日程。

真正促成青函海底隧道建设的,是发生在1954年的一出惨剧。

当时的法国总统密特朗和英国首相“铁娘子”撒切尔夫人,都是实干型的政治家,同意私人募集资金开挖隧道。隧道计划在1981年被提上日程,1985年获正式提案,1988年开工。

这项工程由三条隧道和两个终点站组成。三条隧道均长51公里,由北向南平行排列,南北兩隧道相距30米,是单线单向的铁路隧道,隧道直径为7.6米;中间隧道为辅助隧道,用于上述两隧道的维修和救援工作,直径为4.8米。

在辅助隧道的1/3和2/3处,分别为两条铁路隧道修建了横向联接隧道。当铁路出现故障时,可把在一侧隧道内运行的列车转入另一隧道继续运行,而不中断整个隧道的运营业务。在辅助隧道线上,每隔375米,都有通道与两主隧道相连,以便维修人员工作和在紧急情况下疏散人员。

英吉利海峡

20世纪80年代,隧道掘进机已经成了隧道施工的主要设备。施工方准备了11台来自不同国家的掘进机,它们的总重量甚至超过了埃菲尔铁塔,可分别满足不同情况的施工要求。机器沿着三条隧道的两端开挖,一共有12个开挖面。由于每耽误一天工期,就要支付高达200万英镑的贷款利息,所以海峡隧道的施工速度非常迅速。但最终,整个施工的费用达到46.5亿英镑,远超预算。

1994年5月6日,英法海底隧道竣工,从拿破仑开始的陆路贯通英吉利海峡之梦,终于告一段落。一条隧道把孤悬海外的英吉利变成了欧洲大陆事实上的一部分,这不仅是欧洲交通史上的重要里程碑,也是人类工程史上的一桩伟业。如今,人们花35分钟就可以穿过海峡,而当人们乘坐“欧洲之星”号豪华列车穿越英吉利海峡时,恍若穿越了200年的时光。

青函隧道:笨蛋工程?

说起日本著名的青函隧道,可能很多日本的普通市民会报以会心一笑。因为这个隧道与“大和”号战列舰、伊势湾“排海造田”工程,并列为昭和时代三大“马鹿”(笨蛋)工程。

这个至今仍是世界第一长海底隧道的青函隧道,真的是笨蛋工程吗?这还要从它建设的初衷说起。

拿起日本地图,我们会看到位于最北端的北海道跟日本本州岛是分开的,中间那一条狭窄的缝隙就是风急浪高的津轻海峡。隧道开通前,从日本本州到达北海道只能靠船运或者空运。从青森到海峡对岸的函馆,海上航行要4.5小时,到了台风季节,每年至少要中断海运80次,而且青函隧道未建成时的空运还是非常昂贵的。

北海道北侧的北方四岛(南千岛群岛),是日俄(苏)均主张主权但由俄罗斯实际控制的岛屿。拥有北方四岛的俄罗斯(苏联)对北海道的觊觎,是日本最担心的事情。于是,建造可以由陆路迅速支援北海道的海底隧道,一直是日本政府筹划的计划。

2015年8月24日,瑞士政府在圣哥达基线隧道内召开新闻发布会,宣布隧道已基本完工

二战战败后,日本百废待兴,一批战前从事工程事业的士兵归国。1946年,一位叫作粕谷逸男的铁路工程师,争取到一笔小额经费和国家运输省少数赞助者的支持,对建设穿越津轻海峡的隧道的可行性进行论证,开始初步的勘探和取样。钻孔机钻至海床下90米的深度,取得了一些数据。但计划还是被搁置了。

真正促成青函海底隧道建设的,是发生在1954年的一出惨剧。津轻海峡渡轮“洞爷丸”在航行中途遇台风翻沉,1155人遇难。惨剧发生后,虽然隧道计划重新引起了政府的重视,但直到十年后的1964年,隧道项目才破土动工。

由于青函隧道的海底部分,存在不可预知的地质运动以及火山岩结构,比英法海底隧道复杂,因此,工程师无法使用大规模的掘进机械,有时还不得不爆破掘进。

青函隧道主要采用的掘进施工方法,是采用了当时十分先进的“下导坑先墙后拱法”和“侧壁导坑先墙后拱法”两个策略,利用千米级超长水平钻探,以水玻璃泥浆泵压软岩加固,以及喷射混凝土加固等具体施工方法,掘进后立刻加以支护,从而控制围岩的变形和松弛。

隧道由南北两支各1800名工程技术人员和工人组成的挖掘队同时凿進。由于挖掘条件十分艰苦,挖掘人员每4小时轮班,每小时挖掘的进度只以英寸计。施工中还出现了几次严重的隧道注水事故,其中一次让施工中断了半年之久,有33位技术人员在抢险过程中付出了生命的代价。

此后,在通行安全方面,青函隧道作了非常周密的准备。隧道内建有两座避难车站和8个热感应点,隧道内装有火灾探测器、烟雾报警器、自动喷淋装置、地震早期探测系统、漏水探测器等设备。一旦发生危险,列车可迅速就近驶入“龙飞”或者“吉冈”避难车站,乘坐避难列车离开,或者直接从车站中的竖井升上地面。

1988年3月13日,历经24年的施工建设,共耗资6890亿日元的青函隧道正式投入运营。两趟列车自函馆站与青森站对开,通过海峡的单程不到 30分钟,连通了日本本州与北海道。

之所以有人会把它称作“笨蛋工程”,是因为在建设隧道的24年中,空运事业有了长足的发展,飞往北海道的航班变成了普通人享受得起的服务。所以,花费大量公款建成的青函隧道,显得相当鸡肋。

但是,火车和飞机这么横向对比似乎不是特别公平,更何况隧道还有军事上的用途,所以到底是不是“马鹿”工程?还是仁者见仁、智者见智吧。

至今,圣哥达基线隧道仍是世界上最长与最深的隧道。

穿越阿尔卑斯:愚公移山

数百年来,瑞士南部阿尔卑斯山脉圣哥达峰的山口,一直是意大利通往德国和北欧的一条重要通道。这个山口早在古罗马时代就为人们所知晓,但直到14世纪才被频繁使用。圣哥达山口一向是兵家必争之地:无论是作为反抗哈布斯堡王朝的义军根据地,还是在近现代战争中令瑞士作为永久中立国闭关自守的重要基地,圣哥达都是战略要地。

二战结束,来之不易的欧洲和平基本降临后,被德法意奥拱卫的瑞士,地理位置愈发重要。在圣哥达基线隧道开工之前,圣哥达峰下已经开通了一条重要的圣哥达公路隧道。圣哥达线路是瑞士公路系统中连接南北干线的重要环节,甚至是连通欧洲南北的一条轴线中的重要部分。公路通车时,北面从巴塞尔经当时的联邦德国通往法国;南面从洛迦诺经意大利与当时的南斯拉夫相连,堪称欧洲的大动脉之一。

由于人民的富裕程度随现代化进程提高,圣哥达线路的交通量暴增十几倍之多。瑞士政府从运输、环保等多方面考量,决定再修建一条贯通圣哥达峰的隧道。与本文前两条海底隧道不同,圣哥达基线隧道是在充塞岩石的山脉里开凿,虽然遇到的困难不同,但在工程实施的难度上,毫不逊色于海底隧道。

1947年,虽然圣哥达基线隧道的设计图已经基本完成,但正式破土动工的日子是在50多年后的1999年。在圣哥达山的南北侧,施工队在离地面几千米的覆盖层下共同开工。

隧道工程中的绝对主力—撑靴式硬岩掘进机,约长410米。它的先进之处在于,切割岩块后还能将碎岩抛向后方,同时将预先塑好的水泥块铺到周围,以形成隧道。灌浆贴合水泥隧道壁的工作,也由其他机器完成。24小时掘进56米的成绩,也是当时该尺寸掘进机的掘进世界纪录。纵使有如此强大的机器,隧道工程投入的工人也达到了2000名以上,整个工程亦持续17年之久。

隧道施工的最深处,离地面有2300米左右,温度最高可达46摄氏度,工作环境相当恶劣。许多头发茂密时加入施工的青年工人,经过17年的磨砺,完工后已是谢顶的大叔了。隧道采取双孔单线式设计,在安全性方面,每隔325米就有一条横向的联络通道将两条隧道连接到一起。若有紧急情况,乘客在第一时间便可疏散到安全区,列车也会驶入两座紧急停靠站,让乘客从竖井撤离。

由于圣哥达基线隧道极高的施工难度,其建设过程吸引了全世界的关注。这条瑞士花费103亿美元建设的隧道,也被称作欧洲奇迹以及欧洲团结的象征。2016年6月1日,圣哥达基线隧道开通典礼上,瑞士、德国、法国、意大利等欧洲多国领导人亲临现场,见证穿越阿尔卑斯山心脏地带只需17分钟的科技魔法。至今,圣哥达基线隧道仍是世界上最长与最深的隧道。

以上三大隧道只是现代工程学奇迹的一小部分。和平时代,人类的智慧不再全力为战争服务时,科学家和工程师们就可以在增进人们生活便利、促进全球一体化的科技参天大树上,催发出更加绚丽的花朵。