愚公移山的故事,想必大家都听过。在山区地势高低起伏,道路蜿蜒盘踞,因出行不便,甚至想通过子孙代代将大山挖平。后感动上苍,神仙通过法术,将山峰移走。然而,回到现实中,山区的通行不畅一度阻碍了文化的交流沟通。如何在山区中便捷通行?既然移山无望,那不如我们就穿山而行。隧道的概念,应运而生。
隧道是指在既有的建筑或土石结构中挖出来的通道,供交通立体化、穿山越岭、地下通道、越江、过海、管道运输、电缆地下化、水利工程等使用。
若要论中国最古老的隧道,可能还略有争议,但若论最具纪念意义的隧道之一,石门隧道当之无愧。
东汉永平四年(公元61年),汉明帝刘庄下诏修筑褒斜栈道,修筑过程中遇山石挡路,为完成这一咽喉要道,据《褒谷古迹辑略》相传,“积薪一炬石为圻,锤凿既加如削腐”,即工匠采取了最为原始“火烧水激”法,用烈火煅烧岩石,再用冷水快速降温,利用岩石热胀冷缩应力不均致使强度降低的开采方法。
但后续有部分学者对此方法提出了质疑,再次实践的过程中难以控制破损区域,并且岩石断面也粗糙不平,虽然实际的开采方法众口不一,但是石门隧道的成功开凿,在我国隧道历史上具有重要意义。
自从1949年新中国成立以来,我国基础建设百废待兴,随着铁路的不断铺设,隧道的开挖工作也需要随之紧密配合进行,并且海底、城市隧道的建设也亟待解决。
虽相比于汉朝,工艺技术的革新已经天差地别,不可同日而语,但相比于同时期国外先进水平,我国还仍有较大的赶超空间。在我国起步阶段,采用钻爆法施工,以人工和小型机械凿岩、装载为主。临时支护采用原木支架和扇形支撑。由于技术水平落后,工作效率、生产环境较差。代表性工程:川黔铁路凉风垭隧道,全长4270米,于1959年6月贯通。该隧道首次采用平行导坑和巷道式通风,为长隧道施工积累了宝贵经验。
我国从北欧等掌握先进液压凿岩技术的国家引进了一系列液压凿岩台车等设备,大大提高了国内隧道机械化施工的水平。代表性工程:衡广铁路复线大瑶山双线隧道,全长14295米,于1987年竣工。这是我国20世纪最长的双线铁路隧道,大瑶山隧道实现了大断面施工,并逐渐成为我国长、大隧道的修建模式。
世界最长的公路沉管隧道和唯一的深埋沉管隧道,也是我国第一条外海沉管隧道,最大水深超过了40米,被誉为是当今世界上埋深最大、综合技术难度最高的沉管隧道,可以说港珠澳大桥海底隧道的建成,标志着我国在隧道建设领域突破了世界级难题,达到了世界领先的水平!
前文介绍了我国隧道的发展历程,那隧道是如何开挖的呢?
目前世界隧道的修筑方法中,根据应用对象的不同,主要包括以下三类方法:钻爆法(山岭隧道)、沉管法(海底隧道)、盾构法(城市隧道)。其中,以盾构法应用较为先进便捷、且“优雅”修筑过程像乐高积木一般,逐渐拼接而成。
1818年,盾构法是由英国布鲁诺提出,后在伦敦泰晤士河流用盾构法修建了长458m的矩形隧道,是TBM(Tunnel Boring Machine)全断面隧道掘进机的一种,具有施工进度快,安全,自动化程度高等优点。