最早的海底隧道、跨江隧道,都是怎麼建造的?人類的智慧真可怕

07年我待的城市籌備修建地鐵,計劃是2010年南北向主線通車,2012年東西向(含過江段)通車,當時在討論東西段途經城市最繁華地帶的處理時,境外的顧問說既然離河道也比較近了,那就與過江隧道一併做巖隧工程地下作業好了。施工方自然是覺得不可理喻:為什麼要多這一公里的距離?直接挖開不就可以了?於是開膛破肚的施工了5年,其間還夾雜著些施工路段交通混亂,江底隧道質量堪憂的負面新聞。今年好像磕磕絆絆的要完工了。最早的海底隧道是“英吉利海峽隧道”今天想借著描述隧道修建方法的由頭分享一些關於這條重要隧道的故事。

這條耗時6年,海底部分37.9公里的隧道的確是人類工程史上重要的一筆,但其實早在隧道開挖的186年前,工程師們就在這裡嘗試著讓天塹變通途的辦法。

最早的海底隧道、跨江隧道,都是怎麼建造的?人類的智慧真可怕

(Mathieu的海底隧道設想)

1802年,法國工程師Albert Mathieu就設想過採用隧道的形式連接英吉利海峽兩端,這個想法很得拿破崙的歡心;法國皇帝甚至煞有介事在亞眠合約期間(Treaty of Amiens)向英國人推銷這個油燈照明,馬車拖運,還要修建探出海面的木質換氣塔的大膽想法。在英國人看來,這個以“2小時馬車就能到法國”為slogan的項目怎麼看都滿是法國佬的惡意,待到第二年兩國真的再次交惡,有關這個海峽工程的第一次提議就很自然的不了了之了。

時間過了30年,一個27歲的年輕人許是對這個連接海峽兩端的想法產生了興趣,開始了他的研究。當時是1834年,離真正的隧道開始動工的時間1988年遠得離譜,很顯然地,那個年輕人一定也是失敗了的。但他取代馬修被後來的人稱為海底隧道之父,因為相較於他的前輩,這個人付出的代價是就是他的一切,耗盡自己的財產和心血成為一個一輩子沒有落實一個實際項目的“紙上工程師”,他就是Aimé Thomé de Gamond。

前輩Mathieu的設想遺漏了一個很重要的討論:怎麼樣在海底挖掘隧道?以當時的技術這根本不可能。而de Gamond的方案是:預先打造一批大鐵管,用分段組裝的方式在海底連接,待到整條線路鋪設完成後,再從地上入口進入這條預置管線,抽空積水並加設防水用的砌體層。他又花了一年的時間去修改這個方案:先用磚塊鋪設巨大的海底構築帶然後在內裡鑿洞的方式來修建隧道,從而省掉了預置鐵管這道工序,並把工程造價壓在了1億7千萬法郎,即七百萬英鎊以內。工期將是30年。

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(Thomé de Gamond的預置構法)

除了隧道這個想法,de Gamond還不忘頭腦發散的構想了好幾個奇怪想法,比如他設想來建一座大鐵橋,橋拱的高度甚至得超過倫敦的聖保羅大教堂(111米);又比如英法兩國每邊修建一個深入海面長達8公里的碼頭用來服務一種平底蒸汽動力大船的通勤;再比如在英吉利海峽上填出一條路來,為了保證正常船隻通航,這個地峽將被分成四段,用吊橋聯繫。他的投入引發了業界的廣泛興趣,不少希冀在歷史上留名的工程師科學家都嘗試著發表自己的議案,而最多產且最大膽還是非de Gamond莫屬。當然的,與此同時跑過來點“沒有幫助”的人也是很多,於是這位老兄繼續嘗試,並逐漸確定隧道仍然是連接海峽的最佳選擇,只是不得不承認,如何處理在湍急的水流中的作業是他的預置施工想法的最大難題。

終於,事情有了轉機。

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首先,英國人在一個不大不小的項目上成功了——泰晤士河隧道,全長396米,在河面下方20多米的地方用了18年時間——隧道貫通後的三個月裡,見過大場面的倫敦人愣是要求了三個月的時間供大家步行參觀。累計參觀人數達到1百萬人,相當於當時倫敦一半的人口——這個項目的成功最關鍵的驅動力就是技術。Isambard Kingdom Brunel和他父親發明了一種革命性的鑽探技術,盾構法(tunnelling shield)。這個技術使用一個巨大的構架,構架的空隙就是供36個工人同時開鑿的工作面。因為河床底部是厚實的藍粘土層,這個構架用擠壓的辦法向前推進,每個工人的挖掉自己面前擠進構架內的粘土,方便整個結構繼續推進。與此同時,另一批工人將構架推移騰出的空間一點點的穩固。de Gamond顯然注意到了這個技術,縱然按照英國人的速度估計,要挖通海峽大概需要100年的時間。但是隨著蒸汽機車的出現,他堅信,這個工期有十足的可能被縮短。

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(最早盾構法示意圖)

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(透視圖清晰點)

另一件事情更是可遇不可求,他大學時代的好友路易王子在1848年當選了法國總統後又在1851年發動政變接下自己舅舅曾擁有的稱號成為法國皇帝拿破崙三世。

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de Gamond知道自己的機會終於來了,他不但認真的整理了所有的隧道技術資料,而且幹出了一件幾近瘋狂的事情。1855年,48歲的工程師在自己女兒的陪同下划著小船來到了預定開挖隧道的海面。簡單的困紮好自己的雙耳(以防水壓傷害耳膜)和綁了一圈重達80多公斤的石子在腰帶上後,法國人深吸一口氣,毅然地跳進冰冷的水裡,下潛到30米的海底,在猛烈地海流和鰻魚的攻擊下采來了海底岩石樣本。他的偏執有了極好的回報:採樣顯示海峽的地質對於隧道建設極為理想。而這份報告也為以後的海底隧道工程提供了極為寶貴的勘探信息:

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(地質層分析)

第二年,Thomé de Gamond繪出了詳細的方案,一個安全可靠的,甚至擁有海峽中段觀景平臺的隧道工程漸漸浮現,而20年來的心血和苦難欣慰地被埋藏。一切順利得像做夢一樣。拿破崙三世異常支持老友的這個方案:既然英國人都能在河底建隧道,為什麼法國人不能修條海底隧道呢?兩個國家的媒體在這個議題上也表現得異乎尋常的正面,英國方面甚至還爆出維多利亞女王對這個想法的讚不絕口,因為她本人暈船暈得家喻戶曉。

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(Thomé de Gamond的最終方案)

太順了,就像狗血的連續劇一樣,當一切向著一個Happy Ending發展。事情好像就會變得不一樣,在一次去往巴黎歌劇院的路上,拿破崙三世的馬車遭受到炸彈的襲擊。當場8人死亡,百餘人受傷。雖然法國曆史上最後一個皇帝在帷幕拉開前趕到了劇院,但是已經全然沒有了看戲的興致。搞啥呀,這次意大利人的刺殺看上去和海底隧道能有什麼關係?可答案諷刺的是:很有關係,因為炸彈的製作地疑為英國伯明翰。相比於一個工程上的兩國PK,自然頭上的皇冠要重要一些。

de Gamond的計劃被無限期擱置了。為了這個夢想苦苦堅持幾十載,到頭來還是一場空。自己女兒也不得不放下架子靠給人上音樂課來支持她老爸荒誕的想法。1876,心力憔悴的de Gamond去世了,按官方的記載他的晚年生活條件有些“卑微”。而他曾經的皇帝朋友于1870年戰敗退位,顛沛流離到英國渡過自己人生最後虛弱的三年,自然是坐船過去的。

法國末代皇帝在英國養病的期間,他極有可能聽說過一個消息:在他手上夭折的海峽隧道工程又重新被啟動了。這次是由英國人牽頭,擬建一條用通風過道相連的雙隧道海底交通線。因為蒸汽機的迅猛發展,不但盾構機械效率大幅進步,也可以依靠雙向火車的快速運動完成隧道內的換氣(活塞效應)從而無需再擔心必須設立通風塔在工程上的麻煩。主持設計師William Low明確地表示,自己從Thomé de Gamond的研究裡得到了無法估計的助益,除此之外,蘇格蘭人還有一個強有力的靠山,國會議員Edward Watkin爵士,一個對工程極富野心的政治家,這位大人物後來還土豪到準備建一個370米的沃特金鐵塔來叫埃菲爾鐵塔的板。1872年,英國方施工公司在Dover建立,法國那邊不但在Sangatte的擬定隧道開通地購地完成了開鑿試驗,而且還建立了一個和Dover一樣的施工公司準備兩邊同時進行施工。就連de Gamond在垂垂老矣之際聽聞有人將完成他的心願也送去了自己的祝福。

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(Watkin隧道的雙隧道圖紙)

可是這一次,輿論卻又導向保守的一方,民眾被煽動,工程被妖魔化,高層的政客甚至嗅出機遇的味道,一干重要角色聯名反對好大喜功的爵爺的這個“勢必“破壞英國原有天然屏障的項目,理由自然是為了可敬的女皇和可愛的國民。

於是乎,19世紀所有的嘗試都被否決了。

到了今天,在歐洲之星每天運送的接近三萬人次的客流裡,有那個乘客知道,這個20世紀後半葉工程上的驕傲在隧道尺寸上出奇的相似於de Gamond當年手繪的那個通道?開鑿隧道使用的技術沿用著Isambard父子的盾構法?而雙隧道的做法就是直接借鑑了William Low的圖紙?是工程師在科學技術上超前,還是人類社會一直在慾望和貪婪中滯後呢?

當我第一次聽到盾構技術時,是陪著那個顧問去擬建線路上踩點的那天,他提到出於將擾民的可能降到最低的提案擺出來時,有關領導和國內工程人員疑惑的臉。我們走在擬建線路上,我突然明白為什麼擬建線路附近的一個杭州小地產公司剛做完一期的樓盤會突然得到萬科的興趣被收購過去,緊接著的第二期用來打造中國風聯排別墅和三期高層住宅群。我指給顧問看,他回頭笑眯眯地說:“我就說應該找個建築學的學生來陪我踩點會比較有意思嘛。”


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