隧道如何运作

隧道有三大类:采矿、公共工程和交通。让我们简单地看看每种类型。

我的隧道在矿石开采过程中使用，使工人或设备能够进入地下深处的矿物和金属矿床地球．这些隧道的建造技术与其他类型的隧道相似，但建造成本更低。然而，矿井隧道并不像为长期占领而设计的隧道那样安全。

图片由国家摄影公司收藏/国会图书馆印刷和摄影部 20世纪初，一名矿工站在矿井隧道的汽车后面。请注意，隧道的两侧是用木材支撑的。

公共工程隧道远距离运送水、污水或煤气管道。最早的隧道用于向人口密集的地区输送水和排出污水。罗马工程师利用广泛的隧道网络将水从山泉输送到城市和村庄。这些隧道是渡槽系统的一部分，渡槽系统还包括地下硐室和由一系列拱门支撑的斜桥状结构。到公元97年，9条引水渠每天从山泉向罗马城输送约8500万加仑的水。

图片由Eric和Edith Matson摄影收藏/国会图书馆印刷和摄影部 从所罗门池流出的罗马渡槽 耶路撒冷

在有火车和汽车之前，有交通隧道如运河——用于旅行、航运或灌溉的人工水道。就像今天的铁路和公路一样，运河通常在地面上运行，但许多运河需要通过隧道才能有效地穿过障碍物，比如山。运河建设启发了世界上最早的一些隧道。

地下运河位于英国兰开夏郡和曼彻斯特之间，建于18世纪中后期，包括数英里长的隧道，用来容纳地下运河。美国最早的隧道之一是木瓜隧道，建于1836年至1850年的西弗吉尼亚州，是切萨皮克和俄亥俄运河的一部分。尽管这条运河已经不再穿过“爷爷”，但它长达3118英尺(约合318米)，仍然是美国最长的运河隧道之一。

照片礼貌Kmf164/Creation Commons Attribution类共享License 穿过从曼哈顿到新泽西的荷兰隧道

到了20世纪，火车和汽车取代了运河，成为主要的交通工具，导致了更大、更长的隧道的建造。荷兰隧道于1927年完工，是最早的公路隧道之一，至今仍是世界上最伟大的工程项目之一。这条隧道以监督施工的工程师的名字命名，每天通过纽约市和新泽西州之间的近10万辆车辆。

隧道建设需要大量的规划。我们将在下一节中探讨原因。

几乎每条隧道都是针对特定挑战或问题的解决方案。在许多情况下，这种挑战是公路或铁路必须绕过的障碍。它们可能是水体、山脉或其他交通路线。即使是城市，几乎没有可供新建筑的开放空间，也可能成为工程师们必须在地下挖隧道以避免的障碍。

照片礼貌日本铁道公社 青关隧道的建设经历了24年的斗争，克服了海底软岩带来的挑战。

在荷兰隧道的案例中，挑战在于过时的渡轮系统，每天只能运送超过2万辆车辆穿过哈德逊河。对于纽约市官员来说，解决方案很明确:在河底修建一条汽车隧道，让通勤者自己从新泽西开车进城。隧道产生了立竿见影的效果。仅在开通当天，就有51694辆车辆通过了这条通道，平均行程时间仅为8分钟。

有时，隧道比其他结构提供了更安全的解决方案。日本建青关隧道的原因是，通过津轻海峡的渡船经常遇到危险的海水和天气条件。1954年，台风导致5艘渡船沉没后，日本政府考虑了各种解决方案。他们认为，任何足以承受这种恶劣条件的安全桥梁都很难建造。最后，他们提议在海面下800英尺处修建一条铁路隧道。十年后，工程开始，1988年，青关隧道正式开放。

隧道如何建造在很大程度上取决于它必须通过的材料。例如，在松软地面上掘进隧道所需要的技术与在硬岩或软岩(如页岩、白垩或砂岩)中掘进隧道所需要的技术非常不同。水下隧道是所有环境中最具挑战性的，需要一种独特的方法，而在地面上是不可能或不切实际的。

这就是为什么规划对一个成功的隧道工程如此重要。工程师们进行了彻底的地质分析，以确定他们将贯通的材料类型，并评估不同位置的相对风险。他们考虑了很多因素，但其中最重要的包括:

• 土壤和岩石类型
• 弱层和弱带，包括缺点而且剪切区
• 地下水，包括水流形态和压力
• 特殊危险，如热、煤气和故障线路

通常，一个隧道会穿过多种类型的材料或遇到多种危险。好的计划允许工程师从一开始就为这些变化做计划，减少在项目中间出现意外延迟的可能性。

一旦工程师分析了隧道将穿过的材料，并制定了整体挖掘计划，就可以开始施工了。隧道工程师们建造隧道的术语是开车推进通道可能是一个漫长而乏味的过程，需要用手爆破、钻孔和挖掘。

在下一节中，我们将看看工人们是如何在软地面和硬岩石中开凿隧道的。

工人们通常使用两种基本技术来推进隧道。在正面的方法，他们同时挖掘整个隧道的直径。这是最适合的隧道通过坚固的地面或建造较小的隧道。第二种技术，如下图所示，是top-heading-and-bench方法．在这种技术中，工人们挖一个更小的隧道标题．当顶部掘进岩石一段距离后，工人们立即开始在顶部掘进底部下方进行挖掘;这是一个板凳上．顶部掘进-台阶法的一个优点是，工程师可以利用掘进隧道来测量岩石的稳定性，然后再进行工程。

注意，图中显示了隧道从两侧进行。穿过山脉或水下的隧道通常从相反的两端施工脸，这篇文章。在长隧道中，竖井可以间隔挖掘，从两个以上的点挖掘。

现在让我们更具体地看看隧道是如何在四种主要环境中开挖的:软地面、硬岩石、软岩石和水下。

软土地(土)
工人们通过粘土、淤泥、沙子、砾石或泥浆挖掘软地面隧道。在这种隧道中站立的时间——在挖掘时，地面能够安全地独立多久——是至关重要的。由于在松软地面上进行隧道施工时，站立时间通常很短，因此塌方是经常发生的威胁。为了防止这种情况发生，工程师们使用了一种叫做盾．盾是一种铁或钢圆柱体，直接插入软土中。它雕刻出一个完美的圆洞，支撑着周围的土壤，同时工人们清除碎片，安装由铸铁或预制混凝土制成的永久衬里。当工人完成一段作业后，千斤顶将护盾向前推进，然后重复这个过程。

法国工程师马克·伊桑巴德·布鲁内尔(Marc Isambard Brunel)在1825年发明了第一个隧道盾，用于挖掘英国伦敦的泰晤士隧道。布鲁内尔的盾牌由12个相互连接的框架组成，顶部和两侧由叫做法杖．他将每一帧划分为三个工作区细胞在那里，挖掘机可以安全工作。一堵短木墙，或者罩皮董事会将每个细胞从隧道表面分离出来。挖土机会取出一块胸板，挖出三到四英寸的粘土，再把胸板换上。当所有单元的所有挖掘机都在一个剖面上完成这一过程时，强大的螺旋千斤顶将护盾向前推进。

1874年，彼得·m·巴洛(Peter M. Barlow)和詹姆斯·亨利·格雷海德(James Henry Greathead)改进了布鲁内尔的设计，建造了一个内衬铸铁节段的圆形盾。他们首先使用新设计的防护盾在泰晤士河下为行人挖掘了第二条隧道。然后，在1874年，这个盾被用来帮助挖掘伦敦地铁，这是世界上第一条地铁。Greathead进一步完善了盾构设计，在隧道内增加了压缩空气压力。当隧道内的气压超过外部的水压时，水就会留在隧道外。很快，纽约、波士顿、布达佩斯和巴黎的工程师们都采用了“伟人盾”来建造自己的地铁。

坚硬的岩石
在坚硬的岩石中挖隧道几乎总是要爆破。工人们使用一种叫做脚手架的脚手架巨型，以便快速、安全地放置炸药。巨型隧道移动到隧道的表面，安装在巨型隧道上的钻头在岩石上钻了几个洞。这些洞的深度取决于岩石的类型，但典型的洞大约10英尺深，直径只有几英寸。接下来，工人们把炸药装进洞里，疏散隧道，引爆炸药。在用吸尘器吸走爆炸产生的有毒气体后，工人们可以进入并开始清理被称为神气活现的，使用手推车。然后他们重复这一过程，使隧道在岩石中缓慢推进。

放火是爆破的另一种选择。在该技术中，对隧道壁进行加热火，然后用水冷却。突然的温度变化引起的快速膨胀和收缩导致大块岩石断裂。罗马最古老的下水道隧道之一Cloaca Maxima就是用这种技术建造的。

坚硬的岩石站立的时间可以长达几个世纪。在这种环境下，可能不需要为隧道顶部和墙壁提供额外的支撑。然而，大多数隧道穿过的岩石中含有裂隙或破碎岩石的口袋，因此工程师必须以螺栓、喷射混凝土或钢梁环的形式添加额外的支撑。在大多数情况下，他们会添加一个永久性的混凝土衬里。

接下来我们将研究隧道穿越软岩和水下驾驶。

照片礼貌丹佛市和县 显示圆盘切割机的TBM镗孔头

软岩隧道和地下隧道需要不同的方法。在松软、坚固的岩石如页岩或石灰石中爆破是很难控制的。相反，工程师使用隧道掘进机,或摩尔，创建隧道。tbm是一种巨大的、价值数百万美元的设备，一端是一个圆形的盘子。圆板上覆盖着圆盘刀具——凿形切削齿、钢盘或两者的组合。当圆板缓慢旋转时，圆盘切割机切入岩石，岩石通过切割头的空间落入传送带系统。输送系统将渣滓输送到机器的尾部。附着在TBM脊柱上的液压缸每次推动它前进几英尺。

掘进机不只是钻孔，它们还提供支撑。当机器挖掘时，两个钻头就在切割机后面钻入岩石。然后工人们将浆液泵入孔中，并连接螺栓将所有东西固定在适当的位置，直到永久衬里安装好。TBM通过一个巨大的架设臂来完成这一任务，将部分隧道衬砌抬高到位。

照片礼貌能源部 美国能源部终端存储设施尤卡山仓库(Yucca Mountain Repository)中使用的TBM

水下
隧道跨越河流、海湾和其他水体的底部随挖随填法方法该方法是将管子浸入沟渠中，用材料将管子覆盖在上面，以保持管子固定。

施工首先在河床或海底挖沟。长长的预制管段由钢或混凝土制成，密封防止水进入，被浮到现场，并沉入准备好的沟渠。然后潜水员将这些部分连接起来，并拆除封条。多余的水被抽走，整个隧道被回填覆盖。

图片由Stephen Dawson提供创作共用署名类共享许可 英吉利海峡隧道的英国末端，位于肯特郡福克斯通附近的切里顿

这条连接英法两国的隧道被称为英吉利海峡隧道(Channel tunnel)、欧洲隧道(Euro tunnel)或英吉利海峡隧道(Chunnel)，它在英吉利海峡下面穿过32英里的柔软的白垩土。虽然它是世界上最长的隧道之一，但多亏了最先进的隧道掘进机，只花了三年时间就挖好了。其中有11台这样的巨型机器在英吉利海峡下面的海床上咀嚼。为什么这么多?因为英吉利海峡隧道实际上由三条平行的管道组成，两条用于运输列车，另一条作为服务隧道。放置在隧道两端的两台tbm分别挖掘这些管子。实际上，三辆英国tbm和三辆法国tbm比赛，看谁先到达中间。剩下的5台隧道掘进机在内陆工作，建造入口和各自海岸之间的部分隧道。

图片由Eric和Edith Matson摄影收藏/ 国会图书馆印刷和摄影部 在荷兰隧道通风塔内

除非隧道较短，否则必须控制环境，以提供安全的工作条件，并确保隧道运作后乘客的安全。最重要的问题之一是通风——火车和汽车产生的废气加剧了这个问题。克利福德·霍兰德(Clifford Holland)在设计以他的名字命名的隧道时，就解决了通风问题。他的解决方案是在主要交通隧道的上面和下面分别增加两层。上层清除废气，而下层泵入新鲜空气。哈德逊河两岸各有两座的四座大型通风塔，里面安装着推动空气进出的风扇。84个风扇，每个直径80英尺，每90秒就能彻底改变空气。

接下来我们来看“大挖掘”。

现在我们已经了解了隧道建设的一些一般原则，让我们考虑一个正在进行的隧道项目，它继续成为头条新闻，因为它的潜力和它的问题。中央动脉是一条贯穿波士顿市中心的主要高速公路系统，许多人认为以它命名的项目是美国历史上最复杂、最昂贵的工程壮举之一。“大挖掘”实际上是几个不同的项目合二为一，包括一座崭新的桥梁和几条隧道。1995年完工的一个关键隧道是泰德·威廉姆斯隧道。它潜入波士顿港的下面，从南波士顿到洛根机场的90号州际公路交通。另一个关键隧道位于Fort Point海峡之下，这是一个狭窄的水域，很久以前被英国人用作船只的收费站。

在我们研究这些大挖掘隧道的建造技术之前，让我们回顾一下为什么波士顿官员决定首先承担如此大规模的土木工程项目。最大的问题是这座城市噩梦般的交通。一些研究表明，到2010年，波士顿的高峰时间可能会持续近16个小时，这将对商业和居民的生活质量造成可怕的后果。显然，必须采取一些措施来缓解交通拥堵，让通勤者更容易在城市中穿行。1990年，国会拨款7.55亿美元用于大规模的高速公路改善项目，一年后，联邦高速公路管理局批准继续推进。

照片礼貌马萨诸塞州收费公路管理局 泰德·威廉姆斯隧道

大挖掘始于1991年的特德·威廉姆斯隧道的建设。这条水下隧道利用了世界各地许多不同隧道使用的可靠的隧道技术。因为波士顿港相当深，工程师们使用了切割-覆盖法。直径40英尺、长300英尺的钢管在巴尔的摩被工人们制造出来后，被拖到了波士顿。在那里，工人们完成了每根管道的道路支撑，空气处理通道和公用设施的外壳，以及完整的衬里。其他工人在港口的地面上挖了一条沟。然后，他们把管子漂到现场，灌满水，放到沟里。锚固后，水泵将水抽走，工人们将管道连接到相邻的部分。

泰德·威廉姆斯隧道于1995年正式开放，是大挖掘工程中为数不多的按时并在预算内完成的项目之一。到2010年，预计每天可运载约9.8万辆车辆。

往西几英里，90号州际公路进入另一个隧道，该隧道连接南波士顿的高速公路。就在I-90/I-93交汇处之前，隧道遇到了Fort Point海峡，这是一个400英尺宽的水域，为大挖掘提供了一些最大的挑战。工程师们不能使用他们在泰德·威廉姆斯隧道中使用的同样的钢管方法，因为在夏季街、国会街和北方大道的桥下没有足够的空间漂浮长钢段。最终，他们决定完全放弃钢管的概念，采用混凝土隧道部分，这是美国首次使用这种技术。

问题是如何制造混凝土部分，使工人能够移动到通道中的位置。为了解决这个问题，工人们首先在海峡南波士顿一侧建造了一个巨大的干船坞。被称为铸造盆地干船坞长1000英尺，宽300英尺，深60英尺，足以建造构成隧道的六个混凝土部分。六段隧道中最长的一段长414英尺，最宽的一段宽174英尺。它们都有27英尺高。最重的重量超过5万吨。

完成的部分在两端密封防水。当时员工一个淹没了这样他们就可以把这些部分漂浮出来，把它们放置在海峡底部疏通的壕沟上。不幸的是，另一个挑战使工程师无法简单地将混凝土部分放入壕沟。当时的挑战来自马萨诸塞湾交通管理局(Massachusetts Bay Transportation Authority)的红线地铁隧道(Red Line subway tunnel)，它就在海沟下面。如果不采取保护措施，巨大的混凝土部分的重量会损坏旧的地铁隧道。因此工程师们决定在基岩中插入110根柱子来支撑隧道部分。这些柱子分散了隧道的重量，保护着每天继续运送1000名乘客的红线地铁。

照片礼貌丹佛市和县 隧道掘进过程

大挖掘还有其他的隧道创新。隧道的一部分在铁路调车场下面桥，工程师们决定tunnel-jacking这是一种通常用于安装地下管道的技术。隧道掘进需要用一个巨大的混凝土盒子穿过泥土。盒子的顶部和底部支撑着土壤，而盒子里面的泥土被移走。一旦里面空了，液压千斤顶就把盒子推到混凝土墙上，直到整个盒子向前滑了5英尺。随后，工人们在新形成的缝隙中安装了隔离管。通过反复重复这一过程，工程师们能够在不干扰地面结构的情况下推进隧道。

今天，与大挖掘相关的98%的建设已经完成，成本远远超过140亿美元。但波士顿通勤者的回报应该是值得投资的。旧的高架中央动脉只有6个车道，设计时每天可通行7.5万辆车。这条新的地下高速公路有8到10条车道，到2010年将每天运送约24.5万辆汽车。其结果是，城市的早晚高峰时间通常会持续几个小时。

要了解大挖掘与其他隧道项目的比较情况，请参见下表。

隧道	位置	长度	建设的岁月	打开	成本
铁路隧道
Seikan隧道	日本	33.5英里(53.9公里)	24	1988	70亿美元
英伦海峡海底隧道	England-France	30.6英里(49.2公里)	7	1994	210亿美元
亚平宁山脉的隧道	意大利	11.5英里(18.5公里)	14	1934
Hoosac隧道	美国	4.75英里(7.6公里)	22	1873	2100万美元
机动车流进入隧道
Laerdal隧道	挪威	15.2英里(24.5公里)	5	2000	1.25亿美元
圣哥达道隧道	瑞士	10.1英里(16.2公里)	11	1980
隧桥配合物
切萨皮克湾大桥隧道	美国	17.6英里(28.3公里)	3．5	1964	2亿美元
Øresund桥梁和隧道	Denmark-Sweden	9.9米 (16公里)	8	2000	30亿美元

隧道工程的未来
随着工具的改进，工程师们继续建造更长更大的隧道。最近，先进的成像技术已经可以通过计算声波如何在地面传播来扫描地球内部。这种新工具提供了隧道潜在环境的精确快照，显示了岩石和土壤类型，以及地质异常，如断层和裂缝。

虽然这些技术有望改善隧道规划，但其他进展将加快挖掘和地面保障。下一代隧道掘进机每小时将能够切割1600吨淤泥。工程师们也在试验其他利用高压切割岩石的方法水飞机，激光或超声学。化学工程师们正在研究新型混凝土，因为它们使用树脂和其他聚合物而不是水泥，所以可以更快地硬化。

随着新技术和技术的发展，甚至在10年前看起来不可能的隧道突然变得可行。其中一条隧道就是拟议中的连接纽约和伦敦的跨大西洋隧道。这条3100英里长的隧道将容纳一个磁悬浮列车时速5000英里。预计飞行时间为54分钟——几乎比跨大西洋飞行的平均时间短7个小时。

想要了解更多关于隧道和相关主题的信息，请查看下一页的链接。