| 天人地 | 2021-05-07 07:13 |
 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，港澳台数据暂缺，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 【致谢】本文的图片内容得到了“中铁一局集团有限公司”和“基建通”的大力支持，特此感谢。 |
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