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30000座隧道的诞生

发布者: x-kai | 发布时间: 2020-10-27 14:30| 查看数: 72| 评论数: 0|



来源:星球研究所(ID:xingqiuyanjiusuo)



当我们站在秦岭

7座超过10km的隧道

在我们脚下

贯穿群山

其中

最长的公路隧道长达18km

如果以70km/h的限速行驶

需要在地下穿行15分钟才能通过

(请横屏观看,三座隧道组成的秦岭隧道群,摄影师@魏炜)





当我们站在贵州

超过1400座隧道

在我们脚下

几乎将贵州全省打穿

其中

从贵州通往广州的贵广高铁

857km的里程中

有一半以上都在地下穿行

这已经不是一条传统认知中的铁路

分明是一条跨省“地铁”

(贵广高铁沿线隧道,摄影师@刘慎库)





而当我们放眼全中国

你可能更是无法想象

在960万平方千米的大地之下

超过35000座、总长约37000km

接近赤道长度的隧道

正在日夜通行

为南来北往、东西穿梭的客货洪流

构建起一个极为便捷的超级通道网

而且

这些隧道的绝大部分

都集中建成于

改革开放后的短短40多年

目前总里程高居世界第一

(本文仅讨论山区中的铁路和公路隧道,未涉及城市隧道和水下隧道。下图为全国公路隧道分布热力图,制图@陈志浩&王申雯/星球研究所)





从黄土高原

到太行山区

(京原线上的货运列车正在通过十渡二号隧道,摄影师@王伟光)





从青藏高原

到天山山脉

(请横屏观看,独库公路哈希勒根隧道,摄影师@沈龙泉)





隧道

正在改变着

这个山峦遍布的国家

中国人

究竟是如何挖穿

这一条条山岭的?

01

隧道的诞生

中国的隧道

样式多种多样

它们或傍山而过

上方构筑顶棚

形成“明洞”

(棚洞是一种特殊的隧道,下图为成昆铁路沿线的棚洞,摄影师@张普超)





或挂于峭壁

每隔一段开出“天窗”

形成挂壁公路

(南太行郭亮挂壁公路,摄影师@石耀臣)





或顺着山坡盘旋

时而隐没,钻入山中

时而出露

形成天梯一般的盘山道

(请横屏观看,河南焦作云台山叠彩洞隧道,考眼力:图中有多少个隧道洞口?摄影师@沈龙泉)





但是更多时候

它们都隐伏于山体之中

只露出窄窄的出入口

洞门

一般的洞门

墙体直立、造型粗犷

(一堵直立的墙体便是洞门,称为端墙式洞门,也是最常见的洞门,下图为成昆铁路沿线隧道,摄影师@李昌华)





“豪华”的洞门

则在两侧增设立柱

形成柱式洞门

美观且稳定性更强

(八达岭隧道口的柱式洞门,摄影师@赵斌)





与环境融合最好的则是

削竹式洞门

好似一段竹竿

被沿着山坡顺势切削

造型干净利落

(新疆赛里木湖公路隧道,摄影师@沈龙泉)





还有一种更为特别的造型

它们分布在高铁隧道的洞口

呈向外敞开的喇叭口状

当列车高速通过时

被推挤的气流会产生强烈的冲击压

会引发噪声、造成乘客身体不适等问题

而喇叭口状洞门

则可以起到缓冲作用

(穿越太行山的高铁隧道,摄影师@田卓然)





当我们经由洞门

进入隧道内部时

则是畅通无阻的通道

无论它是漆黑一片

(列车穿越铁路隧道,摄影师@李昌华)





抑或灯火通明

(汽车穿越公路隧道,摄影师@沈噌噌)





这些隧道畅通的背后

实则经历了数次“变身”

首先

人们通过凿孔爆破和挖掘

掏空山体

凿出一条通道

拥有数条“手臂”的凿岩台车

如“三头六臂”般在洞内钻凿孔眼

以便安放炸药

(爆破施工是目前山岭隧道中应用最广、也是最成熟的方式,下图为拥有3条钻臂的凿岩台车,位于郑万高铁的罗家山隧道,图片来源@视觉中国)





精密控制的“爆破”

可以按照预设的轮廓炸开岩体

炸后的岩壁可谓是相当平整

(爆破后平整的岩壁,其中炮痕即为预先设计的隧道轮廓,摄影师@李锦勇)





爆破开挖之后

岩体出现空洞

地层容易进入不稳定状态

随时可能垮塌

于是第二次变身立即开启

即安全支护

在过去

人们使用木材或者钢材

直接支撑起挖空的隧道

后来发明了巧妙的新工艺

工人们先在隧道岩体中打入锚杆

再布设一圈钢筋网

最后喷射一层混凝土

这样便可以控制四周岩体的变形

从而起到支护作用

(这种隧道施工办法由奥地利学者拉布塞维奇首次提出,后来被国际土力学会议正式命名为新奥地利隧道修建方法,简称新奥法。下图为隧道内的工人正在喷射混凝土,图片来源@视觉中国)





1970年代

这种方法开始传入中国

并在中国隧道建设中广泛使用

(请横屏观看,白罗山隧道中的梯架式凿岩台车,考眼力:图中有几位工人?摄影师@牛荣健)





当然

除了稳定岩石结构

隧道内还需要布设一道隔水层

用于防水

(银百高速庆阳段宁县隧道内的隔水层,摄影师@靳晰)





最后

第三次变身登场

人们在隧道内架起一座“模板车”

再在壁面与“模板车”之间灌注混凝土

有如在模具中浇铸金属一般

加固支护的同时

还能保证壁面整齐平顺

这便是“二次衬砌”

(郑万高铁罗家山隧道中的模板台车和已经完成二次衬砌的平整隧道,图片来源@视觉中国)





再辅以通风和照明等必要设施

一座完整的隧道

才得以诞生

(牡佳客专七星峰隧道贯通后的庆祝仪式,摄影师@王利)





隧道

连通起大山两侧的世界

促进了彼此的沟通和交流

以1950年代修建的宝成铁路为例

北接陕西宝鸡,南连天府成都

是沟通西北与西南的第一条铁路干线

全线80%都是崇山峻岭

借着304座隧道

这条铁路通道才得以穿越秦岭山区

改变了蜀道难的局面

(宝成铁路上的客车正在驶出隧道,摄影师@武嘉旭)





但是

受限于当时的技术水平

宝成铁路沿线的隧道长度大都小于1000米

最长的隧道也不过2300米

一座接一座的短小隧道组成了壮观的隧道群

而列车只能在隧道与展线组成的

“盘山铁路”上缓慢爬升

运行速度和运输效率都远远不够

(列车为了爬升预定高程,常通过延长线路以实现缓慢爬坡的目的,这样的铁路便称为“展线”。下图为宝成铁路沿线观音山附近的隧道示意,请横屏观看,制图@陈志浩/星球研究所)





所以

我们需要更长

甚至超长的隧道

02

长、更长、超长

1950年代

当时中国最长的铁路隧道是

凉风垭隧道

全长4270米

(渝黔铁路中段的凉风垭隧道,位于贵州省桐梓县,摄影师@张普超)





到了1960年代

驿马岭隧道突破7000米

1988年

14295米的大瑶山隧道正式通车

成为中国第一条超过万米的铁路隧道

而且曾是

最长的已建成双线电气化隧道

(驿马岭隧道位于北京至原平的铁路线上,大瑶山隧道位于京广铁路衡阳至广州段,摄影师@管俊鸿)





进入新世纪

乌鞘岭隧道的长度

直接突破20000米

(下图为乌鞘岭隧道,全长20050米,位于兰州至武威的铁路上,兰武铁路是中国铁路“八纵八横”中欧亚大陆桥的重要组成部分,是内地通往新疆等西部地区的重要通道,摄影师@张一飞)





截至2019年

中国铁路隧道达到16084座

总里程超过18041千米

同时单座隧道的长度

已经突破32000米

(根据《铁路隧道设计规范(2016)》,铁路隧道按照长度可以分为:≤500m的隧道为短隧道,500-3000m的隧道为中长隧道,3000-10000m的隧道为长隧道,>10000m的隧道为特长隧道。下图为目前中国已经投入运营的20km以上铁路隧道分布,制图@陈志浩&王申雯/星球研究所)





而公路隧道

也已经达到19067座

总里程超过18966千米

其中秦岭终南山隧道

长达18020米

是目前最长的公路隧道

(根据《公路工程技术标准(2014)》,公路隧道按照长度可以分为:≤500m的隧道为短隧道,500-1000m的隧道为中长隧道,1000-3000m的隧道为长隧道,>3000m的隧道为特长隧道。下图为秦岭终南山隧道,摄影师@魏炜)





长隧道乃至特长隧道的出现

让原本弯弯绕绕的山路

得以“拉直”

人们不再需要大量盘山、展线

而是直接从山脚一洞贯穿

以青藏铁路为例

1970年代

为了翻越关角山

列车需要先通过展线爬升600米

才能通过4200米的老关角隧道

再盘山而下

用时需要2小时

(请横屏观看,气势恢宏的关角展线,摄影师@王璐)





2014年

一条全长32千米的特长隧道

贯通关角山

列车仅需20分钟便可以穿越

并且避开了暴风雪等恶劣天气

(请横屏观看,青藏铁路新老关角隧道与展线对比,制图@陈志浩/星球研究所)





这些长隧道、特长隧道

又是如何修建的呢?

一般的隧道

会从两端向中间同时掘进

但对于长隧道

继续采用这样的方式

效率就会变得非常低下

(宜万铁路龙鳞宫隧道内的施工场景,摄影师@文林)





于是

人们将长隧道分割为若干个短隧道

在多个点位同时施工

这便是“长隧短打”

例如

在山谷的一侧

寻找距离隧道较近的地表位置

横向开挖一个施工洞

即横洞

施工人员及设备

便可以通过横洞进入主洞施工

(长隧道施工中的横洞结构示意,制图@王申雯/星球研究所)





当隧道的埋深较大时

则可以在隧道上方的地层较薄处

开挖与地面连通的坑道

若坑道沿着侧上方延伸

是为斜井

若坑道沿着竖直方向

则为竖井

(长隧道施工中的竖井结构示意,制图@王申雯/星球研究所)





有了横洞、斜井、竖井

隧道施工面的数量大大增加

效率也得以快速提高

但是当出现更加复杂的情况

我们还需要一个更加高明的帮手

平行导坑

顾名思义

这是一条与主洞平行的先导洞

先于主洞开挖

既可以为主洞提前探路

探明前方的地质情况

还能利用横向通道与主洞连接

每个通道可以增辟两个工作面

极大地加快施工进度

(长隧道施工中的平行导坑结构示意,制图@王申雯/星球研究所)





在个别情况下

一些平行导坑也会成功“转正”

通过拓宽和砌筑

成为一条真正的隧道

比如连接西安与安康的西康铁路上的

秦岭Ⅱ线隧道

便是由平行导坑“转正”而来

(雀儿山隧道,摄影师@熊可)





通过以上种种方式

成千上万座长隧道

终于有了建设的可能

但是

中国的地质条件如此多样

地下工作环境又极为复杂

隧道建设者们必须想尽办法

破除前方的一切障碍

03

难关

2008年8月8日

举世瞩目的北京奥运会正式开幕

千里之外的澜沧江畔

名不见经传的大柱山隧道

恰巧也在同一天开工

它全长14.5千米

位于云南大理至瑞丽的铁路线上

原定工期5年半

但工程的难度远远超出预期

工期只能一延再延

直到2020年4月28日

隧道才得以贯通

(建设者们坚守12年终于将大柱山隧道打通,摄影师@牛荣健)





挖掘一条隧道

为何会历时12年之久?

想回答这个问题

需要放眼整个中国

这里地形地貌多样、地质成因复杂

在这样的土地上修建隧道

建设者们将遭遇各种难题

(中国地形图,制图@星球研究所)





在黄土高原

这里地表残破、沟谷纵横

而且黄土质地松软、极易垮塌

受水浸湿后

还会发生下沉

(沟壑纵横的黄土高原,摄影师@李楷行)





2005年

连接郑州和西安的郑西高铁动工

沿线必须多次穿越黄土地层

按照线路规划

位于河南三门峡的张茅隧道

是全线最长的隧道

预计最大开挖断面超过160平方米

是全球横断面最大的黄土隧道

(张茅隧道全长8483米,下图为兰新铁路沿线的穿越黄土地层的隧道,摄影师@张一飞)





想要在松软黄土中

进行大断面隧道施工

必须想尽办法减轻扰动

避免隧道垮塌

为此

建设者们采用了一种独特方式

将断面自上而下分为三个台阶

按七个施工面进行有序开挖

(上述的开挖方式即为三台阶七步开挖法,制图@王申雯/星球研究所)





在南方喀斯特地区

广泛分布着碳酸盐岩地层

在长年累月的溶蚀下

大地变得支离破碎

(广西桂林的喀斯特地貌,摄影师@黄一骏)





而峰峦起伏的地下

溶洞丛生、暗河交错

这些壮美的景观

同样是隧道工程的大敌

(贵州双河溶洞内的奇异景观,摄影师@无影)





所以钻遇溶洞、暗河时

涌水、涌泥屡见不鲜

以位于湖南郴州的南岭隧道为例

隧道沿线的溶洞密集成网

施工中涌水涌泥多达24次

其中一处溶洞内涌出的泥浆

超过8000立方米

堵塞隧道长达177米

(隧道内的涌水场景,摄影师@史飞龙)





有时

隧道还遇有大溶洞

此时需要进行跨越处理

以川黔铁路的瞎子河隧道为例

为了通过一个巨大的溶洞

建设者们只好在溶洞内

建设起一座长达27.7米的桥梁

“洞中建桥”可谓超越想象

(下图为正在穿越溶洞的隧道,图片来源@视觉中国)





在青藏高原

这里平均海拔超过4000米

高寒缺氧,气候恶劣

(冰雪覆盖的青藏高原,摄影师@刘珠明)





隧道结构中的水分

在低温时固结成冰,体积膨胀

随着气温升高

冰化成水,地层坍缩

这便是冻融作用

循环往复的冻融作用

增加了隧道结构开裂的风险

(冻融作用示意,制图@王申雯/星球研究所)





因此

防水措施尤为重要

同时为了减小环境温度对隧道的影响

在隧道结构中

还会增设保温层

2002年贯通的

青藏铁路昆仑山隧道

地处海拔4600多米的多年冻土区

为了建造适应高寒区的隧道结构

专家和建设者们不断进行试验

全长仅有1686米的隧道

历时一年才终于贯通

(昆仑山隧道,图片来源@视觉中国)





而且

在缺氧的高海拔地区

他们还需要配备供氧设备

(雀儿山隧道的建设者正在吸氧,摄影师@牛荣健)





相较于分布集中的

黄土、岩溶、冻土等地质条件

各种规模的断层

才是隧道施工中最常见的难题

尤其是地下水丰富地区的断层

岩层破碎、极易透水

施工难度极大

人称“烂洞子”

以大柱山隧道为例

隧道全线需要穿越6条主要断层

其中一处燕子窝断层

仅仅156米的距离

却耗费了26个月之久

平均每天仅能掘进20厘米

(大柱山隧道涌水场景,摄影师@史飞龙)





而且整个隧道的施工期间

抽水工作从未间断

源源不断的水流从洞口流出

硬是在半山腰造出了

一条人工瀑布

(大柱山洞口的瀑布,摄影师@赵子忠)





复杂的地质条件

不光带来工程技术的挑战

洞内恶劣的工作环境

同样考验着每一位建设者

比如在煤层、油页岩等

含瓦斯地层施工时

必须借助通风设备

稀释隧道内的瓦斯浓度

(新平隧道内的通风管道,摄影师@陈畅)





当然

隧道越掘越深

空间也越发隐蔽

再加上施工、运输等产生的粉尘

严重污染了洞内的空气

此时通风设备同样必不可少

(新平隧道内恶劣的空气环境,摄影师@陈畅)





还有

川藏铁路的桑珠岭隧道

洞内温度可以达到89.3℃

建设者们必须用冰块来降温

(隧道内堆放的冰块,摄影师@牛荣健)





总而言之

想要在中国的山地修建隧道

凡此种种都不可避免

而人们唯一能做的便是

“神来杀神,佛挡杀佛”

(笑对镜头的建设者们,摄影师@牛荣健)





为了冲破重重难关

工程师们不断革新技术

同时也研发了各种新型设备

其中最值得一提的当属

隧道掘进机

它们如同巨型怪兽

可以长达数百米

一个标准足球场都无法安放

作业时旋转坚固的爪子(刀盘)

将前方岩石挖掘下来(旋转)

相较于其他机械

其挖掘速度大幅提升

可谓是目前机械化程度最高的

隧道挖掘设备

目前

中国已经自主研发了

“月城凉山号”

“彩云号”等隧道掘进机

而且越来越多的自主化设备

正在成为中国隧道机械化施工的有力武器

(“月城凉山号”隧道掘进机,摄影师@贺锐)





这就是

中国人的穿山之路

凝聚着无数工程师的智慧

也凝结了无数建设者的辛劳

无论是青藏高原

(阿尼玛卿山高速公路隧道,摄影师@在远方的阿伦)





还是云贵高原

(318国道朝东岩隧道,摄影师@谭江弘)





它们与太行山同框

(请横屏观看,侯月铁路穿越太行山,摄影师@邓国晖)





与江河为伴

(请横屏观看,大渡河特大桥附近的隧道,摄影师@姜曦)





与长城共舞

(请横屏观看,京张铁路沿线隧道,摄影师@姚金辉)





隧道

正在帮助我们突破地形限制

快速连接中国的各个角落

2010年

隧道穿越嘎隆拉雪山

3年后墨脱公路通车

中国最后一个不通公路的墨脱县

终于成为了历史

(嘎隆拉隧道,摄影师@李贞泰)





目前在建中的亚洲第一长隧

高黎贡山隧道

全长34.5千米

建成后大理至瑞丽的通行时间

将缩短一半以上

(高黎贡山隧道示意,制图@王申雯/星球研究所)





2020年9月底

川藏铁路全线获批

21座4000米以上的雪山沿线坐落

其中雅安至林芝段

规划隧道72座,总长838千米

占到全长的83%

有如穿越横断山区和青藏高原的“地铁”

未来将成为继青藏铁路后

第二条进藏天路

(请横屏观看,川藏铁路沿线10km以上隧道分布[雅安-拉萨段],制图@陈志浩&王申雯/星球研究所)





就这样

超过37000千米长的隧道

正在穿越这片土地

未来隧道的长度

还将继续增长

若干年后

我们回顾历史

一定会记起这一段

中国隧道建设的黄金时代

数十年如火如荼的隧道建设

连接了这个国家

连接了14亿人民

连接了现在与未来!

本文创作团队

撰文:艾蓝星

图片:隧觉觉

设计:王申雯

地图:陈志浩

审校:黄超、云舞空城、王长春

专家审核

中南大学土木工程学院 王树英 教授

重庆大学土木工程学院 周小涵 博士

参考文献:

[1] 《中国铁路隧道史》编纂委员会. 中国铁路隧道史[M]. 中国铁道出版社, 2004.

[2] 吕康成. 特殊隧道工程[M]. 人民交通出版社, 2013.

[3] 朱永全. 隧道工程[M]. 中国铁道出版社, 2015.

[4] 2019年交通运输行业发展统计公报.

[5] 田四明. 截至2019年底中国铁路隧道情况统计[J]. 隧道建设, 2020.

[6] 《中国公路学报》编辑部. 中国隧道工程学术研究综述[J]. 中国公路学报, 2015.


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