城市地铁是怎么挖出来的？
新发现杂志
08-03 15:59
现代化的隧道掘进机犹如在地下活动的巨虫，在我们的城市中挖凿出长达数千米，可供列车和汽车行驶的长廊。让我们跟随着其中两台机器在伦敦地下游历一番
浩大的建筑工程不止是古埃及才有。
在伦敦正在开挖的长达42千米的城市地下铁路隧道面前，胡夫金字塔仿佛成了儿戏。这42千米的隧道由两条平行线路组成，每条长21千米——因为每条隧道只能行驶一辆列车，所以需要两条线路来确保双向交通。
当年还是伦敦市长的鲍里斯·约翰逊（BorisJohnson，掘进机机口中着橙衣者）参观“维多利亚号隧道掘进机工地。
幸运的是，如今距离大金字塔的年代已经过去了4500年，在工地上劳作的不再是奴隶，而是巨虫般的机器：隧道掘进机。它们直径7米的大嘴布满牙齿，能够毫不费力地吞咽泥土、岩石，这些机器可谓人类历史上创造出的最大的怪兽之一。
也许你会认为这些机器的存在让伦敦市民的生活陷入地狱般的困扰。但事实上，它们悄无声息。这些机器在地底下日以继夜不停地钻了三年土，地上却没有任何人知道在他们脚下，340万吨的泥土正在消失。
伦敦的区域铁路
这一工程于2018年竣工之后，可以让伦敦这座有着近900万住民、异常繁忙的大都市每小时接待7.2万名旅客乘坐这条名叫Crossrail的新线路。
这条线路全长120千米，已经大大超过了伦敦市的范围，西连以音乐节著称的雷丁，东接泰晤士河左岸的申菲尔德和右岸的艾比伍德，途经伦敦市中心。有点像大巴黎地区的区域铁路。目前，工人们正在隧道内铺设铁轨，并加紧建设新的车站。
早在隧道掘进机发明以前，人们就已经会挖掘隧道了。古时候，人们先挖出地道，然后装上穹顶，最后用泥土覆盖整体。
到了文艺复兴时期，比起十字镐，人们开始更多地使用炸药，后者更快，但需要准确控制剂量。而如今建造Crossrail所用的隧道掘进机的雏形恰是在英国出现的。
隧道掘进机的祖先
马克·布鲁内尔（Marc Brunel）是一位在大革命时期移民到伦敦的法国人。1818年，他开始设想使用一种铸铁结构来保护挖掘泰晤士河首条水下隧道的工人。
这种重达90吨、用铁和木头制成的机器由许多小房间组成，工人可以在房间内用十字镐挖土，可挖的最大厚度为10厘米。
当每个房间的工人都挖完10厘米后，机器便继续前行，瓦匠则用砖块填盖机器前进后留下来的区域，之后的步骤以此类推。
这个想法非常厉害，然而马克·布鲁内尔的机器密封效果却不太好，施工过程中被水淹了好几次，导致许多工人死亡。
一直到1842年，泰晤士河的首条水下隧道方才完工。随后要到上世纪60年代初，随着机械工业的进步，隧道掘进机才得以完善。
为了挖凿泰晤士河下的罗瑟希德（Rotherithe）隧道，工人们从1904年起，一米一 米 地 挖 土 刨石，一直工作到1908年。
1987～1993年，英吉利海峡海底隧道的建设最终证明了隧道掘进机的高效。现在建造Crossrail使用的隧道掘进机比较接近建造英吉利海峡海底隧道时使用的那些机器。
虽然Crossrail的建造工程始于2012年，但这个想法的起源却很早。19世纪末，人们已经在讨论将伦敦东西两端连起来了。
2008年，政府和女王批准了Crossrail的建设。为此成立的公司收集了所有关于伦敦地下的数据。主要是通过钻芯试样来获取地下土层的超精确构成图，这样就可以根据土壤构成来更好地操作机器。
伦敦的土层以黏土为主，深处则是白垩，没有硬度很大的东西，对机器来说没什么好担心的。同时还需要了解自来水管道、煤气管道的精确所在，哪里会有其他地铁线路经过，下水道又在哪儿……工程师据此为隧道掘进机确定了一条精确的工作线路，让它们可以避开所有障碍。
2012年5月，Crossrail工程正式启动。为了挖掘两条8.3千米（线路中最长的一段）的隧道，工程迎来了它的第一个大工地。工人首先要挖掘一个大型工作井来安置挖掘机，这个工作井直径30米、深45米，容量相当于12个奥林匹克游泳池！
工人在井里挖出隧道入口，隧道掘进机将从那里迈出前进的第一步。为了让机器精确地沿着隧道的中轴前行，还铺设了铁轨。
地下的两位女王
所有工作到位后，两台巨型机器由吊车依次吊下工作井。工程方根据两位伟大的英国女王的名字分别将它们命名为“伊丽莎白”号和“维多利亚”号。
伊丽莎白”号隧道掘进机被吊下到直径30米的工作井，它在那儿被安置到铁轨上，开始前行工作。
这些隧道掘进机（或称TBM：Tunnel Boring Machine）由德国Herrenknecht公司制造，之前就曾在2009年巴塞罗那地铁延长工程中大显身手。一台隧道掘进机的价格高达1400万欧元左右。
Crossrail总共使用了8台掘进机来开凿5段线路，每段线路包括2条隧道。这些“巨虫”的钢制盾壳直径达7米，长10米。最前面的切割头自转以进行刨挖，它靠着钨制滚刀盘粉碎岩土，有点类似铣床。
随着掘进机在隧道中逐渐推进（最高速度为每天30米），工作人员在140米长的铁轨上用一辆长拖车搭建起了一片工地，上面安放了集装箱、发电机、水泵，以及带有厨房和厕所的休息区域……总重达1000吨，相当于200头大象的重量！
而在掘进机上轨后，Crossrail的工程师就在它后面搭一个钢制的桁架，旨在支撑千斤顶，从而推动机头边挖边前进。
开始的时候，两台掘进机靠一座钢制桁架（红色部分）支撑前进。
这一推力非常强：支撑的力量足以抬起14辆高速火车车头！由此也可看出钢制桁架有多牢固。
像一只在地里前行的鼹鼠
慢慢地，“伊丽莎白”号开始碾碎泥土，就像一只巨大的鼹鼠正在清除自己洞口的泥土一样。切割头身后推起了碎土，工作人员往这些碎土浇上一种黏稠的类似肥皂水的溶液，使它们更具流动性、更光滑。
一根巨大的蜗杆将这些软化的泥土卷起，排送到后边。挖了将近2米后，掘进机便停止挖土。这时候，就要开始建造真正意义上的隧道了：单单挖洞是不够的，还需要留住上方的泥土！
隧道掘进机会自动安装拱壁：8块重三四吨的混凝土拱壁组装后形成一个长1.6米的环状拱顶结构，用以支撑千斤顶，来重新推动切割头前进。
最后一个要注意的地方：隧道掘进机挖出的直径7米的洞壁和直径6.8米的环状拱壁顶部之间有一个空隙，隧道掘进机会在其中填入水泥和水，从而提高隧道的密封性，使其能够经受住各种考验。
安装完第40圈混凝土拱壁后，机器已经前行了60米左右。工人这时便撤下钢制桁架，机器可以凭借之前安装的拱壁提供的支撑继续挖掘前行。
在这段已经完 成 的 隧 道中，我们可以清 楚 地 区 分出一块块拱壁（掘进机安置的弯曲的混凝土预制板）。
显然，隧道的轨迹并非是一条直线，这个未免太容易了。但巨大的掘进机却能沿着设定的弧线前行，以避开地下的所有障碍。为了做到这一点，工程师使用了一种激光导引系统。一切都由计算机控制：操作人员通过监视屏控制机器的位置，一旦出现偏离，便立即进行修正。
地下的绕障回环
正是这种超级精确的导引系统成就了Crossrail最不可思议的成功之一：让一台隧道掘进机成功穿过托特纳姆宫车站。机器7米长的大口必须在该站的电梯和另一条运行中的地铁线路的夹缝中穿过，离电梯35厘米，离现有线路80厘米。
工程师把这次操作称作“穿针”行动。他们事先在地铁站各处都安装了信号接收装置，能够捕捉穿行工程中一丝一毫的振动。掘进机穿过时，现有地铁隧道只有3毫米的微小变化，整个地铁站的运行未受丝毫影响。
经过3年努力，前行了8.3千米后，“伊丽莎白”号到达了终点；数天之后，挖掘另一条平行隧道的“维多利亚”号与之会合。但由于被上方的其他地铁线路所困，又无法后退，这两台机器的命运也就此到头。
和其他6条建设Crossrail的“巨虫”一样，它们最终只能在地下被肢解。最轻便的零件，如切割头的滚刀盘，可以带上来，而其余的部分，包括机身则只能原地切成小块。大多数零件都被运回德国生产商处，在那儿，它们又将获得新生……
撰文 Romain Raffegeau
编译 邹沁