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一群國家地理控,專注于探索極致世界
當(dāng)我們站在秦嶺
7座超過10km的隧道
在我們腳下
貫穿群山
其中
最長的公路隧道長達(dá)18km
如果以70km/h的限速行駛
需要在地下穿行15分鐘才能通過
(請橫屏觀看,三座隧道組成的秦嶺隧道群,攝影師@魏煒)
當(dāng)我們站在貴州
超過1400座隧道
在我們腳下
幾乎將貴州全省打穿
其中
從貴州通往廣州的貴廣高鐵
857km的里程中
有一半以上都在地下穿行
這已經(jīng)不是一條傳統(tǒng)認(rèn)知中的鐵路
分明是一條跨省“地鐵”
(貴廣高鐵沿線隧道,攝影師@劉慎庫)
而當(dāng)我們放眼全中國
你可能更是無法想象
在960萬平方千米的大地之下
超過35000座、總長約37000km
接近赤道長度的隧道
正在日夜通行
為南來北往、東西穿梭的客貨洪流
構(gòu)建起一個極為便捷的超級通道網(wǎng)
而且
這些隧道的絕大部分
都集中建成于
改革開放后的短短40多年
目前總里程高居世界第一
(本文僅討論山區(qū)中的鐵路和公路隧道,未涉及城市隧道和水下隧道。下圖為全國公路隧道分布熱力圖,港澳臺數(shù)據(jù)暫缺,制圖@陳志浩&王申雯/星球研究所)
從黃土高原
到太行山區(qū)
(京原線上的貨運列車正在通過十渡二號隧道,攝影師@王偉光)
從青藏高原
到天山山脈
(請橫屏觀看,獨庫公路哈希勒根隧道,攝影師@沈龍泉)
隧道
正在改變著
這個山巒遍布的國家
中國人
究竟是如何挖穿
這一條條山嶺的?
?01?
隧道的誕生
中國的隧道
樣式多種多樣
它們或傍山而過
上方構(gòu)筑頂棚?
形成“明洞”
(棚洞是一種特殊的隧道,下圖為成昆鐵路沿線的棚洞,攝影師@張普超)
或掛于峭壁
每隔一段開出“天窗”
形成掛壁公路
(南太行郭亮掛壁公路,攝影師@石耀臣)
或順著山坡盤旋
時而隱沒,鉆入山中
時而出露
形成天梯一般的盤山道
(請橫屏觀看,河南焦作云臺山疊彩洞隧道,考眼力:圖中有多少個隧道洞口?攝影師@沈龍泉)
但是更多時候
它們都隱伏于山體之中
只露出窄窄的出入口
洞門
一般的洞門
墻體直立、造型粗獷
(一堵直立的墻體便是洞門,稱為端墻式洞門,也是最常見的洞門,下圖為成昆鐵路沿線隧道,攝影師@李昌華)
“豪華”的洞門
則在兩側(cè)增設(shè)立柱
形成柱式洞門
美觀且穩(wěn)定性更強
(八達(dá)嶺隧道口的柱式洞門,攝影師@趙斌)
與環(huán)境融合最好的則是
削竹式洞門
好似一段竹竿
被沿著山坡順勢切削
造型干凈利落
(新疆賽里木湖公路隧道,攝影師@沈龍泉)
還有一種更為特別的造型
它們分布在高鐵隧道的洞口
呈向外敞開的喇叭口狀
當(dāng)列車高速通過時
被推擠的氣流會產(chǎn)生強烈的沖擊壓
會引發(fā)噪聲、造成乘客身體不適等問題
而喇叭口狀洞門
則可以起到緩沖作用
(穿越太行山的高鐵隧道,攝影師@田卓然)
當(dāng)我們經(jīng)由洞門
進(jìn)入隧道內(nèi)部時
則是暢通無阻的通道
無論它是漆黑一片
(列車穿越鐵路隧道,攝影師@李昌華)
抑或燈火通明
(汽車穿越公路隧道,攝影師@沈噌噌)
這些隧道暢通的背后
實則經(jīng)歷了數(shù)次“變身”
首先
人們通過鑿孔爆破和挖掘
掏空山體
鑿出一條通道
擁有數(shù)條“手臂”的鑿巖臺車
如“三頭六臂”般在洞內(nèi)鉆鑿孔眼
以便安放炸藥
(爆破施工是目前山嶺隧道中應(yīng)用最廣、也是最成熟的方式,下圖為擁有3條鉆臂的鑿巖臺車,位于鄭萬高鐵的羅家山隧道,圖片來源@視覺中國)
精密控制的“爆破”
可以按照預(yù)設(shè)的輪廓炸開巖體
炸后的巖壁可謂是相當(dāng)平整
(爆破后平整的巖壁,其中炮痕即為預(yù)先設(shè)計的隧道輪廓,攝影師@李錦勇)
爆破開挖之后
巖體出現(xiàn)空洞
地層容易進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)
隨時可能垮塌
于是第二次變身立即開啟
即安全支護(hù)
在過去
人們使用木材或者鋼材
直接支撐起挖空的隧道
后來發(fā)明了巧妙的新工藝
工人們先在隧道巖體中打入錨桿
再布設(shè)一圈鋼筋網(wǎng)
最后噴射一層混凝土
這樣便可以控制四周巖體的變形
從而起到支護(hù)作用
(這種隧道施工辦法由奧地利學(xué)者拉布塞維奇首次提出,后來被國際土力學(xué)會議正式命名為新奧地利隧道修建方法,簡稱新奧法。下圖為隧道內(nèi)的工人正在噴射混凝土,圖片來源@視覺中國)
1970年代
這種方法開始傳入中國
并在中國隧道建設(shè)中廣泛使用
(請橫屏觀看,白羅山隧道中的梯架式鑿巖臺車,考眼力:圖中有幾位工人?攝影師@牛榮健)
當(dāng)然
除了穩(wěn)定巖石結(jié)構(gòu)
隧道內(nèi)還需要布設(shè)一道隔水層
用于防水
(銀百高速慶陽段寧縣隧道內(nèi)的隔水層,攝影師@靳晰)
最后
第三次變身登場
人們在隧道內(nèi)架起一座“模板車”
再在壁面與“模板車”之間灌注混凝土
有如在模具中澆鑄金屬一般
加固支護(hù)的同時
還能保證壁面整齊平順
這便是“二次襯砌”
(鄭萬高鐵羅家山隧道中的模板臺車和已經(jīng)完成二次襯砌的平整隧道,圖片來源@視覺中國)
再輔以通風(fēng)和照明等必要設(shè)施
一座完整的隧道
才得以誕生
(牡佳客專七星峰隧道貫通后的慶祝儀式,攝影師@王利)
隧道
連通起大山兩側(cè)的世界
促進(jìn)了彼此的溝通和交流
以1950年代修建的寶成鐵路為例
北接陜西寶雞,南連天府成都
是溝通西北與西南的第一條鐵路干線
全線80%都是崇山峻嶺
借著304座隧道
這條鐵路通道才得以穿越秦嶺山區(qū)
改變了蜀道難的局面
(寶成鐵路上的客車正在駛出隧道,攝影師@武嘉旭)
但是
受限于當(dāng)時的技術(shù)水平
寶成鐵路沿線的隧道長度大都小于1000米
最長的隧道也不過2300米
一座接一座的短小隧道組成了壯觀的隧道群
而列車只能在隧道與展線組成的
“盤山鐵路”上緩慢爬升
運行速度和運輸效率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠
(列車為了爬升預(yù)定高程,常通過延長線路以實現(xiàn)緩慢爬坡的目的,這樣的鐵路便稱為“展線”。下圖為寶成鐵路沿線觀音山附近的隧道示意,請橫屏觀看,制圖@陳志浩/星球研究所)
所以
我們需要更長
甚至超長的隧道
?02?
長、更長、超長
1950年代
當(dāng)時中國最長的鐵路隧道是
涼風(fēng)埡隧道
全長4270米
(渝黔鐵路中段的涼風(fēng)埡隧道,位于貴州省桐梓縣,攝影師@張普超)
到了1960年代
驛馬嶺隧道突破7000米
1988年
14295米的大瑤山隧道正式通車
成為中國第一條超過萬米的鐵路隧道
而且曾是
最長的已建成雙線電氣化隧道
(驛馬嶺隧道位于北京至原平的鐵路線上,大瑤山隧道位于京廣鐵路衡陽至廣州段,攝影師@管俊鴻)
進(jìn)入新世紀(jì)
烏鞘嶺隧道的長度
直接突破20000米
(下圖為烏鞘嶺隧道,全長20050米,位于蘭州至武威的鐵路上,蘭武鐵路是中國鐵路“八縱八橫”中歐亞大陸橋的重要組成部分,是內(nèi)地通往新疆等西部地區(qū)的重要通道,攝影師@張一飛)
截至2019年
中國鐵路隧道達(dá)到16084座
總里程超過18041千米
同時單座隧道的長度
已經(jīng)突破32000米
(根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范(2016)》,鐵路隧道按照長度可以分為:≤500m的隧道為短隧道,500-3000m的隧道為中長隧道,3000-10000m的隧道為長隧道,>10000m的隧道為特長隧道。下圖為目前中國已經(jīng)投入運營的20km以上鐵路隧道分布,制圖@陳志浩&王申雯/星球研究所)
而公路隧道
也已經(jīng)達(dá)到19067座
總里程超過18966千米
其中秦嶺終南山隧道
長達(dá)18020米
是目前最長的公路隧道
(根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(2014)》,公路隧道按照長度可以分為:≤500m的隧道為短隧道,500-1000m的隧道為中長隧道,1000-3000m的隧道為長隧道,>3000m的隧道為特長隧道。下圖為秦嶺終南山隧道,攝影師@魏煒)
長隧道乃至特長隧道的出現(xiàn)
讓原本彎彎繞繞的山路
得以“拉直”
人們不再需要大量盤山、展線
而是直接從山腳一洞貫穿
以青藏鐵路為例
1970年代
為了翻越關(guān)角山
列車需要先通過展線爬升600米
才能通過4200米的老關(guān)角隧道
再盤山而下
用時需要2小時
(請橫屏觀看,氣勢恢宏的關(guān)角展線,攝影師@王璐)
2014年
一條全長32千米的特長隧道
貫通關(guān)角山
列車僅需20分鐘便可以穿越
并且避開了暴風(fēng)雪等惡劣天氣
(請橫屏觀看,青藏鐵路新老關(guān)角隧道與展線對比,制圖@陳志浩/星球研究所)
這些長隧道、特長隧道
又是如何修建的呢?
一般的隧道
會從兩端向中間同時掘進(jìn)
但對于長隧道
繼續(xù)采用這樣的方式
效率就會變得非常低下
(宜萬鐵路龍鱗宮隧道內(nèi)的施工場景,攝影師@文林)
于是
人們將長隧道分割為若干個短隧道
在多個點位同時施工
這便是“長隧短打”
例如
在山谷的一側(cè)
尋找距離隧道較近的地表位置
橫向開挖一個施工洞
即橫洞
施工人員及設(shè)備
便可以通過橫洞進(jìn)入主洞施工
(長隧道施工中的橫洞結(jié)構(gòu)示意,制圖@王申雯/星球研究所)
當(dāng)隧道的埋深較大時
則可以在隧道上方的地層較薄處
開挖與地面連通的坑道
若坑道沿著側(cè)上方延伸
是為斜井
若坑道沿著豎直方向
則為豎井
(長隧道施工中的豎井結(jié)構(gòu)示意,制圖@王申雯/星球研究所)
有了橫洞、斜井、豎井
隧道施工面的數(shù)量大大增加
效率也得以快速提高
但是當(dāng)出現(xiàn)更加復(fù)雜的情況
我們還需要一個更加高明的幫手
平行導(dǎo)坑
顧名思義
這是一條與主洞平行的先導(dǎo)洞
先于主洞開挖
既可以為主洞提前探路
探明前方的地質(zhì)情況
還能利用橫向通道與主洞連接
每個通道可以增辟兩個工作面
極大地加快施工進(jìn)度
(長隧道施工中的平行導(dǎo)坑結(jié)構(gòu)示意,制圖@王申雯/星球研究所)
在個別情況下
一些平行導(dǎo)坑也會成功“轉(zhuǎn)正”
通過拓寬和砌筑
成為一條真正的隧道
比如連接西安與安康的西康鐵路上的
秦嶺Ⅱ線隧道
便是由平行導(dǎo)坑“轉(zhuǎn)正”而來
(雀兒山隧道,攝影師@熊可)
通過以上種種方式
成千上萬座長隧道
終于有了建設(shè)的可能
但是
中國的地質(zhì)條件如此多樣
地下工作環(huán)境又極為復(fù)雜
隧道建設(shè)者們必須想盡辦法
破除前方的一切障礙
?03?
難關(guān)
2008年8月8日
舉世矚目的北京奧運會正式開幕
千里之外的瀾滄江畔
名不見經(jīng)傳的大柱山隧道
恰巧也在同一天開工
它全長14.5千米
位于云南大理至瑞麗的鐵路線上
原定工期5年半
但工程的難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)期
工期只能一延再延
直到2020年4月28日
隧道才得以貫通
(建設(shè)者們堅守12年終于將大柱山隧道打通,攝影師@牛榮健)
挖掘一條隧道
為何會歷時12年之久?
想回答這個問題
需要放眼整個中國
這里地形地貌多樣、地質(zhì)成因復(fù)雜
在這樣的土地上修建隧道
建設(shè)者們將遭遇各種難題
(中國地形圖,制圖@星球研究所)
在黃土高原
這里地表殘破、溝谷縱橫
而且黃土質(zhì)地松軟、極易垮塌
受水浸濕后
還會發(fā)生下沉
(溝壑縱橫的黃土高原,攝影師@李楷行)
2005年
連接鄭州和西安的鄭西高鐵動工
沿線必須多次穿越黃土地層
按照線路規(guī)劃
位于河南三門峽的張茅隧道
是全線最長的隧道
預(yù)計最大開挖斷面超過160平方米
是全球橫斷面最大的黃土隧道
(張茅隧道全長8483米,下圖為蘭新鐵路沿線的穿越黃土地層的隧道,攝影師@張一飛)
想要在松軟黃土中
進(jìn)行大斷面隧道施工
必須想盡辦法減輕擾動
避免隧道垮塌
為此
建設(shè)者們采用了一種獨特方式
將斷面自上而下分為三個臺階
按七個施工面進(jìn)行有序開挖
(上述的開挖方式即為三臺階七步開挖法,制圖@王申雯/星球研究所)
在南方喀斯特地區(qū)
廣泛分布著碳酸鹽巖地層
在長年累月的溶蝕下
大地變得支離破碎
(廣西桂林的喀斯特地貌,攝影師@黃一駿)
而峰巒起伏的地下
溶洞叢生、暗河交錯
這些壯美的景觀
同樣是隧道工程的大敵
(貴州雙河溶洞內(nèi)的奇異景觀,攝影師@無影)
所以鉆遇溶洞、暗河時
涌水、涌泥屢見不鮮
以位于湖南郴州的南嶺隧道為例
隧道沿線的溶洞密集成網(wǎng)
施工中涌水涌泥多達(dá)24次
其中一處溶洞內(nèi)涌出的泥漿
超過8000立方米
堵塞隧道長達(dá)177米
(隧道內(nèi)的涌水場景,攝影師@史飛龍)
有時
隧道還遇有大溶洞
此時需要進(jìn)行跨越處理
以川黔鐵路的瞎子河隧道為例
為了通過一個巨大的溶洞
建設(shè)者們只好在溶洞內(nèi)
建設(shè)起一座長達(dá)27.7米的橋梁
“洞中建橋”可謂超越想象
(下圖為正在穿越溶洞的隧道,圖片來源@視覺中國)
在青藏高原
這里平均海拔超過4000米
高寒缺氧,氣候惡劣
(冰雪覆蓋的青藏高原,攝影師@劉珠明)
隧道結(jié)構(gòu)中的水分
在低溫時固結(jié)成冰,體積膨脹
隨著氣溫升高
冰化成水,地層坍縮
這便是凍融作用
循環(huán)往復(fù)的凍融作用
增加了隧道結(jié)構(gòu)開裂的風(fēng)險
(凍融作用示意,制圖@王申雯/星球研究所)
因此
防水措施尤為重要
同時為了減小環(huán)境溫度對隧道的影響
在隧道結(jié)構(gòu)中
還會增設(shè)保溫層
2002年貫通的
青藏鐵路昆侖山隧道
地處海拔4600多米的多年凍土區(qū)
為了建造適應(yīng)高寒區(qū)的隧道結(jié)構(gòu)
專家和建設(shè)者們不斷進(jìn)行試驗
全長僅有1686米的隧道
歷時一年才終于貫通
(昆侖山隧道,圖片來源@視覺中國)
而且
在缺氧的高海拔地區(qū)
他們還需要配備供氧設(shè)備
(雀兒山隧道的建設(shè)者正在吸氧,攝影師@牛榮健)
相較于分布集中的
黃土、巖溶、凍土等地質(zhì)條件
各種規(guī)模的斷層
才是隧道施工中最常見的難題
尤其是地下水豐富地區(qū)的斷層
巖層破碎、極易透水
施工難度極大
人稱“爛洞子”
以大柱山隧道為例
隧道全線需要穿越6條主要斷層
其中一處燕子窩斷層
僅僅156米的距離
卻耗費了26個月之久
平均每天僅能掘進(jìn)20厘米
(大柱山隧道涌水場景,攝影師@史飛龍)
而且整個隧道的施工期間
抽水工作從未間斷
源源不斷的水流從洞口流出
硬是在半山腰造出了
一條人工瀑布
(大柱山洞口的瀑布,攝影師@趙子忠)
復(fù)雜的地質(zhì)條件
不光帶來工程技術(shù)的挑戰(zhàn)
洞內(nèi)惡劣的工作環(huán)境
同樣考驗著每一位建設(shè)者
比如在煤層、油頁巖等
含瓦斯地層施工時
必須借助通風(fēng)設(shè)備
稀釋隧道內(nèi)的瓦斯?jié)舛?/p>
(新平隧道內(nèi)的通風(fēng)管道,攝影師@陳暢)
當(dāng)然
隧道越掘越深
空間也越發(fā)隱蔽
再加上施工、運輸?shù)犬a(chǎn)生的粉塵
嚴(yán)重污染了洞內(nèi)的空氣
此時通風(fēng)設(shè)備同樣必不可少
(新平隧道內(nèi)惡劣的空氣環(huán)境,攝影師@陳暢)
還有
川藏鐵路的桑珠嶺隧道
洞內(nèi)溫度可以達(dá)到89.3℃
建設(shè)者們必須用冰塊來降溫
(隧道內(nèi)堆放的冰塊,攝影師@牛榮健)
總而言之
想要在中國的山地修建隧道
凡此種種都不可避免
而人們唯一能做的便是
“神來殺神,佛擋殺佛”
(笑對鏡頭的建設(shè)者們,攝影師@牛榮健)
為了沖破重重難關(guān)
工程師們不斷革新技術(shù)
同時也研發(fā)了各種新型設(shè)備
其中最值得一提的當(dāng)屬
隧道掘進(jìn)機
它們?nèi)缤扌凸肢F
可以長達(dá)數(shù)百米
一個標(biāo)準(zhǔn)足球場都無法安放
作業(yè)時旋轉(zhuǎn)堅固的爪子(刀盤)
將前方巖石挖掘下來(旋轉(zhuǎn))
相較于其他機械
其挖掘速度大幅提升
可謂是目前機械化程度最高的
隧道挖掘設(shè)備
目前
中國已經(jīng)自主研發(fā)了
“月城涼山號”
“彩云號”等隧道掘進(jìn)機
而且越來越多的自主化設(shè)備
正在成為中國隧道機械化施工的有力武器
(“月城涼山號”隧道掘進(jìn)機,攝影師@賀銳)
這就是
中國人的穿山之路
凝聚著無數(shù)工程師的智慧
也凝結(jié)了無數(shù)建設(shè)者的辛勞
無論是青藏高原
(阿尼瑪卿山高速公路隧道,攝影師@在遠(yuǎn)方的阿倫)
還是云貴高原
(318國道朝東巖隧道,攝影師@譚江弘)
它們與太行山同框
(請橫屏觀看,侯月鐵路穿越太行山,攝影師@鄧國暉)
與江河為伴
(請橫屏觀看,大渡河特大橋附近的隧道,攝影師@姜曦)
與長城共舞
(請橫屏觀看,京張鐵路沿線隧道,攝影師@姚金輝)
隧道
正在幫助我們突破地形限制
快速連接中國的各個角落
2010年
隧道穿越嘎隆拉雪山
3年后墨脫公路通車
中國最后一個不通公路的墨脫縣
終于成為了歷史
(嘎隆拉隧道,攝影師@李貞泰)
目前在建中的亞洲第一長隧
高黎貢山隧道
全長34.5千米
建成后大理至瑞麗的通行時間
將縮短一半以上
(高黎貢山隧道示意,制圖@王申雯/星球研究所)
2020年9月底
川藏鐵路全線獲批
21座4000米以上的雪山沿線坐落
其中雅安至林芝段
規(guī)劃隧道72座,總長838千米
占到全長的83%
有如穿越橫斷山區(qū)和青藏高原的“地鐵”
未來將成為繼青藏鐵路后
第二條進(jìn)藏天路
(請橫屏觀看,川藏鐵路沿線10km以上隧道分布[雅安-拉薩段],制圖@陳志浩&王申雯/星球研究所)
就這樣
超過37000千米長的隧道
正在穿越這片土地
未來隧道的長度
還將繼續(xù)增長
若干年后
我們回顧歷史
一定會記起這一段
中國隧道建設(shè)的黃金時代
數(shù)十年如火如荼的隧道建設(shè)
連接了這個國家
連接了14億人民
連接了現(xiàn)在與未來
本文創(chuàng)作團(tuán)隊
撰文:艾藍(lán)星
圖片:隧覺覺
設(shè)計:王申雯
地圖:陳志浩
審校:黃超、云舞空城、王長春
專家審核
中南大學(xué)土木工程學(xué)院?王樹英?教授
重慶大學(xué)土木工程學(xué)院?周小涵?博士
【致謝】本文的圖片內(nèi)容得到了“中鐵一局集團(tuán)有限公司”和“基建通”的大力支持,特此感謝。
【參考文獻(xiàn)】
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