張?zhí)斐?閆澤霖 弓新潔 歐陽嘉藝

(四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

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地下軌道交通的發(fā)展歷程與未來展望

張?zhí)斐?閆澤霖 弓新潔 歐陽嘉藝

(四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

以時(shí)間為線索，通過查閱和總結(jié)資料，從地下工程的起源、地鐵的出現(xiàn)、現(xiàn)代地下軌道交通的應(yīng)用、未來地下軌道交通的設(shè)想四方面，探尋和總結(jié)了人類地下交通的發(fā)展史，將地下軌道交通的昨天、今天和明天展現(xiàn)出來。

地下交通，地鐵，工業(yè)革命，盾構(gòu)

縱觀人類發(fā)展史，不同地域、不同種族的人類都在為獲得更為優(yōu)越的生活環(huán)境而努力。科技革命推動(dòng)城市進(jìn)步，地下工程也隨之飛速發(fā)展，從地下洞穴到城市綜合地下交通系統(tǒng)。時(shí)代發(fā)展的不同階段對(duì)地下工程的開發(fā)反映不同時(shí)代的城市需求，在城市需求的強(qiáng)烈推動(dòng)下，地下軌道交通必將進(jìn)入一個(gè)全新的發(fā)展階段。

1 地下工程的起源

1.1 原始時(shí)期

在自然條件十分惡劣的原始時(shí)代，人類開始開發(fā)利用地下工程。民族部落由游牧轉(zhuǎn)向聚居，那時(shí)的人類不僅需要應(yīng)對(duì)多變的氣候，也需要防御其他野獸的攻擊。此時(shí)天然巖洞不能滿足需要，而地下洞穴則相對(duì)有很多優(yōu)勢(shì)，當(dāng)時(shí)的人類開始利用獸骨等工具在較軟的土層中開挖洞穴，起始的形狀為簡(jiǎn)單的袋形豎穴，支護(hù)措施為樹枝、木樁等。

1.2 古代時(shí)期

從公元前3000年到5世紀(jì)，人類為了城市生活更加適宜而開發(fā)利用地下空間，也是地下空間技術(shù)的基礎(chǔ)時(shí)代。那一時(shí)期有一大批優(yōu)秀的地下工程涌現(xiàn)出來。如公元前2200年，古巴比倫王朝在幼發(fā)拉底河底修建了水底隧道，是到目前為止發(fā)現(xiàn)的最先用于交通的地下空間；我國(guó)東漢年間在今陜西褒城修褒斜道時(shí)，鑿了一條石門隧洞，這是人類最早人工開鑿可通車的地下隧道空間。

1.3 近代時(shí)期

近代幾次工業(yè)革命徹底改變了人們的生產(chǎn)生活方式，城市格局也發(fā)生了翻天覆地的變化。落后的城市基礎(chǔ)設(shè)施不能再適應(yīng)城市飛速發(fā)展帶來的人口劇增、交通擁堵的現(xiàn)狀，地下工程開發(fā)的需求迫切。而倫敦地鐵的出現(xiàn)，將地下工程的開發(fā)帶到了一個(gè)新的方向。

2 地鐵的出現(xiàn)

2.1 建設(shè)背景

工業(yè)革命帶動(dòng)了很多新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這使得廣大農(nóng)村居民涌入城市工作，1800年倫敦有100萬人口，到了1850年，人口增至250萬。居住人口以150%的增長(zhǎng)使得城市交通問題凸顯出來，而這座金融中心日益繁榮，倫敦成為當(dāng)時(shí)世界上最大的城市。在鐵路興建的那幾年，議會(huì)立法禁止在倫敦市中心建造火車站，鐵路公司不得不將火車站建在了市中心邊緣，如帕丁頓、尤斯頓、國(guó)王十字車站等地?；疖囌局車木幼^(qū)情況非常糟糕，市中心房屋建設(shè)沒有秩序，街道狹小加之人口增長(zhǎng)迅速，導(dǎo)致街道上行人摩肩接踵。當(dāng)時(shí)相對(duì)較富裕的人們偏好在安靜的郊區(qū)居住，上班時(shí)間回到市中心，但當(dāng)時(shí)卻沒有將郊區(qū)和中心連接起來的便捷道路，可想而知，在進(jìn)城和出城的高峰期，道路上的馬車、行人亂成一團(tuán)。當(dāng)時(shí)倫敦著名的律師查爾斯·皮爾森提出在倫敦街道下運(yùn)營(yíng)火車，將城市周圍的火車站連接起來，但議會(huì)一直沒有同意，后來他提出如果交通狀況不改善，倫敦的商業(yè)貿(mào)易將無法進(jìn)一步發(fā)展，最后下議院通過法案，允許皮爾森建造地下鐵路。

2.2 施工技術(shù)

2.2.1 明挖回填技術(shù)

倫敦第一條地鐵由于完全沒有先例作為參考，采用最容易想到的明挖回填技術(shù)。所謂明挖回填技術(shù)即首先讓地鐵線路覆蓋的區(qū)域居民搬遷，接著工人借助簡(jiǎn)易工具挖出深6 m～10 m的壕溝，接著將軌道鋪設(shè)在溝底，用磚對(duì)壕溝溝壁進(jìn)行加固，接著用磚搭成拱形的頂，然后將土回填，再在地表重新建設(shè)出新的道路和房屋。由于采用明挖法，造成了交通的擁堵，大量住戶搬遷，使得這個(gè)工程耗資巨大。

2.2.2 大頭盾牌(the great head shield)暗挖法

1890年，南倫敦線率先使用大頭盾牌進(jìn)行暗挖法：工人們附身在盾構(gòu)的隔間里，用鐵鏟開鑿?fù)诰蛲寥?，?dāng)他們挖掘了一定深度的土壤之后，盾構(gòu)就向前推進(jìn)，把挖出的泥土清理后，再重復(fù)整個(gè)過程，一點(diǎn)一點(diǎn)向前移動(dòng)，而大頭盾牌的作用是支撐周圍的土壤，防止其墜落倒塌。

2.3 列車的選擇

對(duì)于在地下行駛的列車，當(dāng)時(shí)的方案各式各樣，千奇百怪，比如以氣壓為動(dòng)力前行的、或是以水力和電纜推動(dòng)的列車，最終倫敦選擇了最經(jīng)濟(jì)的方式即蒸汽機(jī)車。工程師設(shè)計(jì)了特別的火車頭，內(nèi)置冷凝水鍋爐，以達(dá)到冷卻蒸汽，避免蒸汽彌漫整條隧道的情況發(fā)生，但由于軌道和列車動(dòng)力的原因，此時(shí)的列車時(shí)速很低。

2.4 建成通車

第一條地鐵線路設(shè)置了7個(gè)停靠車站，共有4.8 km長(zhǎng)，終于在1862年正式完工。為了慶祝歷史性的第一次通車，大約有40名英國(guó)官員坐上了木制車廂，見證了世界第一條地鐵的通車。

次年，倫敦地鐵開始全面向公眾開放，公眾對(duì)這種新型的交通工具非常感興趣，在運(yùn)營(yíng)的第一天，乘客的總數(shù)就達(dá)到了4萬人次。在運(yùn)行半年后，做過一次統(tǒng)計(jì)，自地鐵開放以來的6個(gè)月里，乘客總數(shù)達(dá)477萬人次，日均乘坐量2.65萬人次。

3 現(xiàn)代地下軌道交通

3.1 先進(jìn)施工技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)代城市發(fā)展迅速，地面交通壓力較大，如采用明挖法進(jìn)行地鐵施工會(huì)造成城市混亂、交通堵塞等問題，所以現(xiàn)在地鐵隧道的施工往往采用對(duì)地面交通影響較小的暗挖法，下面介紹一種在城市中最常使用的地下挖掘方法——盾構(gòu)法。

盾構(gòu)法是一種使用現(xiàn)代化機(jī)器實(shí)現(xiàn)完全機(jī)械化的施工方法。盾構(gòu)機(jī)是一種用于圓形斷面隧道并且采用滾壓式切削盤在待開挖全斷面范圍內(nèi)破碎巖石、集開挖、運(yùn)載、支護(hù)于一身的大型綜合掘進(jìn)機(jī)械。在施工時(shí)將刀盤對(duì)準(zhǔn)掌子面，用刀片切割土體，在開挖的過程中，盾構(gòu)機(jī)堅(jiān)硬的外殼可以對(duì)已開挖部分進(jìn)行支撐，防止坍塌事故的發(fā)生。刀盤處切割出的土體通過傳送裝置運(yùn)出，開挖前進(jìn)的同時(shí)安裝預(yù)制管片，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化地邊開挖邊支護(hù)。

3.2 現(xiàn)代地鐵列車

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展越來越快，城市化水平逐漸提高，我國(guó)的地鐵技術(shù)進(jìn)步迅速，現(xiàn)在我國(guó)地鐵列車已經(jīng)達(dá)到了世界一流的水平。以北京五號(hào)線上運(yùn)行的地鐵列車為例：列車車體使用輕量化不銹鋼材料，車頭設(shè)置能量吸收裝置，車廂中設(shè)計(jì)應(yīng)急車門；采用降噪車輪，最大程度地降低地鐵列車運(yùn)行給乘客帶來的不適感；采用更加人性化的通風(fēng)裝置，保證車廂中空氣流通；設(shè)置液晶顯示屏，播放城市宣傳片、廣告和到站通知等，很大程度地提高了乘客的乘坐體驗(yàn)；地鐵公司也越來越注重列車內(nèi)部的裝飾設(shè)計(jì)，現(xiàn)在的地鐵列車更加美觀大方，實(shí)現(xiàn)了科技和藝術(shù)的融合。通過對(duì)列車軌道、動(dòng)力以及列車形狀的不斷改進(jìn)，目前我國(guó)地鐵列車速度可達(dá)80 km/h。

4 未來地下交通工具設(shè)想

4.1 真空管道磁懸浮列車

真空管道磁懸浮列車即將磁懸浮列車置于部分真空或完全真空的管道中運(yùn)行，以達(dá)到減少空氣阻力、成倍式提高列車運(yùn)行速度的目的。自磁懸浮列車的理念被提出后，科學(xué)家對(duì)于真空管道磁懸浮列車的思考和探索也從未中斷。而瑞士則將這一設(shè)想變成了建設(shè)方案——SWISSMETRO系統(tǒng)。

SWISSMETRO系統(tǒng)是瑞士的地下高速磁懸浮列車系統(tǒng)，該系統(tǒng)的建議最初于1974年由瑞士工程師NIETH提出，1981年，洛桑理工學(xué)院的學(xué)者對(duì)這個(gè)系統(tǒng)的研究非常支持，該項(xiàng)目可行性分析完成后，1989年瑞士政府劃撥50萬瑞士法郎用于該項(xiàng)目的研究。如今從日內(nèi)瓦到蘇黎世正常需要3 h，若是選用SWISSMETRO系統(tǒng)只要57 min。根據(jù)設(shè)計(jì)，列車管道將被埋設(shè)在地下60 m～300 m之間，并抽取一定量管道內(nèi)空氣實(shí)現(xiàn)列車的低阻力運(yùn)行以提升列車運(yùn)行速度。列車采用高技術(shù)的直線電機(jī)推進(jìn)，在磁懸浮的作用下，以懸浮的狀態(tài)前進(jìn)，最大程度地減少了空氣阻力和車輪與車軌之間的摩擦阻力，可實(shí)現(xiàn)地下交通工具速度的跨越式提升。

4.2 地下飛機(jī)

飛機(jī)在地表上空飛行受空氣的影響特別大，天氣的變化會(huì)影響飛機(jī)的起飛、飛行和降落，給人們的生命安全和乘坐體驗(yàn)都會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，可不可以將飛機(jī)放在地下飛行呢，日本綜合建設(shè)業(yè)與流體研究所提出了一個(gè)大膽的想法，設(shè)計(jì)一個(gè)600 km時(shí)速的地下飛機(jī)，通過地下交通隧洞將日本各大城市連接起來。地下飛機(jī)的設(shè)想不只是停留在紙面上，日本已經(jīng)對(duì)這項(xiàng)設(shè)想展開了實(shí)質(zhì)性的研究。這款地下飛機(jī)在時(shí)速小于300 km時(shí)利用車輪行駛，在時(shí)速超過300 km后，機(jī)身浮起1 m左右，以600 km的時(shí)速飛行，借助主翼的噴射引擎來保持飛行狀態(tài)。這種地下飛機(jī)飛行不受天氣的影響，并且飛行高度很低，安全系數(shù)也較地上飛機(jī)高，設(shè)計(jì)兩層客艙，預(yù)計(jì)可搭載400名乘客，同時(shí)節(jié)省機(jī)場(chǎng)用地，解決機(jī)場(chǎng)周圍的噪聲問題，受到有關(guān)部門的高度重視。

5 結(jié)語

隨著城市發(fā)展越來越快，人口增長(zhǎng)迅速，人均汽車持有量持續(xù)增長(zhǎng)，城市交通問題越來越嚴(yán)重，人們自然地選擇大力發(fā)展地下交通來緩解“城市綜合癥”?？萍嫉娘w速發(fā)展推動(dòng)著地下交通工具的一次又一次更新?lián)Q代，從蒸汽機(jī)車到電力機(jī)車再到磁懸浮列車，地下軌道交通工具的速度越來越快。同時(shí)，人們對(duì)未來地下交通工具的探索也從未停止，地下軌道交通工具必定向高速化，便捷化的方向發(fā)展，為人類出行帶來更多的便利。

[1] 譚慶璉.立足現(xiàn)在,面向未來,大力推進(jìn)隧道及地下工程事業(yè)的發(fā)展,為我國(guó)的和諧社會(huì)作出新的貢獻(xiàn)——在中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)第十二屆年會(huì)暨隧道及地下工程分會(huì)第十四屆年會(huì)開幕式上的講話[J].隧道建設(shè),2006,26(6):1-2.

[2] 劉艷鳳,邵雪峰.地下工程的施工技術(shù)及其對(duì)未來的發(fā)展展望[J].黑龍江科技信息,2007(8X):261.

[3] 張瑞華,嚴(yán)陸光,徐善綱,等.一種新的高速磁懸浮列車——瑞士真空管道高速磁懸浮列車方案[J].大功率變流技術(shù),2004(1):44-46.

[4] 佚 名.世界首條地鐵誕生150周年地鐵塑造今日倫敦[J].隧道建設(shè),2013(1):53.

[5] 潘吉洪.城市地鐵施工方法應(yīng)用現(xiàn)狀與分析[J].山西建筑,2015,41(18):168-170.

[6] 黨 瑜.褒斜道的開發(fā)、變化和歷史作用[J].唐都學(xué)刊,1997(4):26-27.

Development history and future prospect of underground rail transit

Zhang Tiancheng Yan Zelin Gong Xinjie Ouyang Jiayi

(CollegeofHydropower,SichuanUniversity,Chengdu610065,China)

Taking the time as the line, through investigation and data summary, starting from four aspects of underground engineering origin, subway occurrence, modern underground rail transit application of future underground rail transit image, the paper explores and summarizes the development history of underground traffic, and shows its tomorrow, today and future prospect as well.

underground traffic, subway, industrial reform, shielding

1009-6825(2017)18-0163-03

2017-03-31

張?zhí)斐?1996- )，男，在讀本科生

U459

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