隧道工程与盗窃案

当地时间2013年1月17日,德国柏林一家银行遭遇入室盗窃.窃贼挖掘了一条地道进入该银行保险室,并盗窃了300只保险柜.其实这事也不算稀奇,毕竟像“摸金校尉”这种职业已经算得上是源远流长了.1月18日,当地警方公布了这个堪称柏林史上最大盗窃案的离奇细节.

警方发言人称,窃贼的作案手段“相当专业”.他们在银行附近的一个地下车库中挖了一条宽约1米、高约1.5米、长约30米的隧道,直接通向银行保险室.窃贼的专业之处在于,他们不仅会挖洞,而且还对“盗洞”做出了精确的设计和细致的施工：隧道开挖路线精准,丝毫没有偏离方向；隧道四周用板材固定,并用角铁连接成一个整体.有网友甚至指出,鉴于窃贼在保险室厚厚的混凝土墙上钻出的洞都是上下对称的,除了和德国人“死脑筋和奇怪的审美”脱不了干系之外,也许这些家伙还患有强迫症.警方预计,这条隧道从设计到“建成”耗时数周到数月.窃贼得手后,就放了～把火准备清清场地,顺便销毁证据.而正是因为地下保险室突然浓烟滚滚,才让银行保安发现被盗了.

微博上,各路网友纷纷惊叹于这伙窃贼做工之细致.外行看热闹,内行看门道.这地道虽短,却是五脏俱全：作为一个地下工程,它应该具备的“零件”一个不少.地道内部空间充足,断面形状整齐划一,支护手段适当,说明窃贼接受过地下工程方面的专业训练.

不过,“盗洞”毕竟只能算是把正经手艺用到邪道上了,真正能在社会经济发展中起到巨大作用的,还得是这“盗洞”的正身——隧道.所谓隧道,就是人们修建的埋置于地层之中的工程建筑物,属于利用地下空间的一种手段.隧道的种类和名称都非常多,例如常见的公路或铁路隧道、地铁通道、城市地下人行通道、城市下水道等等,甚至于各种市政管线的较大规模的地下孔道也属于隧道之列.

认识隧道

随便找来一段隧道你都会发现,不论出入口形状、隧道用途、内部装修如何变化,它的结构形式都是一致的.一座隧道可以被分为主体建筑物和附属建筑物.主体建筑物由洞身结构和作为出入口的洞门组成.而附属建筑,顾名思义,则是为了保证隧道正常使用所需要的辅助设施.这些辅助设施中最常见的应该就是灯光照明和消防设施,而在公路隧道中常常还有供车辆临时停车的紧急停车带以及排除洞内废气的鼓风机等设施.

一个隧道必须是深埋在地下,被许多的土壤或者岩石包围着,这些可以统称为围岩,即隧道周围一定范围内,对洞身的稳定有影响的岩（土）体.隧道是在地下围岩中开凿出一定的空间后修筑的线形建筑物,这也是隧道工程的另一个名称——地下工程的由来.喜欢在沙堆中挖洞、盖上一层纸然后再覆上一些沙的同学一定知道,这坑人的洞如果太长或者太大,那十有都会塌掉.这是由于洞周围沙子的强度不足以维持洞的完整.这个现象放到隧道工程中,就称为围岩失稳.因此,为了保证围岩的稳定,工程师就必须对隧道进行支护.

隧道的支护手段

近年来,由于在施工中采取支护手段不到位或者不及时,导致许多建设中的隧道发生了垮塌,例如杭州、南京、北京的地铁垮塌事故,造成了不少人员及财产损失.那么,地下工程的建设者们是如何保证隧道在施工过程中和完工后不会发生事故的呢?这就要说到为了保证围岩稳定所采取的支护手段了.

在四川自贡的地下盐井以及湖北黄石的古铜矿巷道这一类古老的隧道工程中,都只使用了简单的支护手段.这种简易支护主要由相互连接的木（竹）架或者板材构成,只具备有限的支撑能力.这种简易支护在土质地道（隧道）中一般是可以使用的.况且对于岩盐或铜铁矿中开挖的矿洞而言,围岩已经足够坚硬,甚至可以不需要支护.在现代,这种简易支护手段所需的材料很容易就能在市场上写到,运输和施工也非常简便,也许这就是德国大盗之所以采用简易支护的原因.

在近些年的新建隧道中,工程建设者们主要依靠锚杆、钢筋网、喷射混凝土等手段的综合运用来对隧道进行支撑.尤其是在规模较大、围岩破碎容易垮塌的隧道中,能够迅速起到支撑作用的喷射式混凝土支护总是被第一个想到.除此之外,在软弱的围岩中,还需要借助锚杆等手段进行加固.这就好比,在豆腐块中挖一个洞,如果要确保豆腐块不碎,就可以在豆腐里插几根牙签（写块豆腐自己试试就知道,最有挑战性是内酯豆腐）.当然,更多的情况下,喷射式混凝土和锚杆这两种手段是被共同使用的.

在支护完成后,一般还需要在支护的内侧再做一层混凝土衬砌,成为能够长期起效的支撑手段.一般的隧道混凝土衬砌往往是直接在隧道中浇筑的.而在城市地铁施工中,为了配合的施工,混凝土衬砌会预先在地面分段制作完毕,再运进隧道新开挖的部分,像搭积木一样拼装在一起,构成一段完整的衬砌.

Hold住才是目的

支护和衬砌形式的采用乃至于施工方法,则需要借助现代的地下工程设计方法进行分析.要知道,在地下打洞并不是一件容易的事儿,必须具备专业的理论知识和实践经验.在古代,矿工们只能依靠经验来判断地道的开挖和支护方式.然而经验是有局限的,由于矿道坍塌而丧命的人也并不在少数.到了近代,尤其是发明后,人们开挖隧道的能力得到极大增强.因此,在岩石中开挖宽大隧道的稳定性分析问题就成为一个不可回避的关键.

好在,近代力学计算理论的发展和工业革命对于工程实践的极大推动,向工程师提供了岩体力学的相关理论和分析方法.经过一百多年的发展,现代工程师已经掌握了地下工程支护结构理论.在工程师的眼中,围岩和支护是相互作用的,应该作为一个整体来看待.借助于专门的有限元法结构设计软件,工程师可以在电脑中建立隧道模型,并不断模拟不同支护手段的效果,从中选择最为经济适用的一种用于施工.由于地下情况的复杂多变,工程师们逐渐总结出了一套“施工监测一反馈一设计一施工”的动态方法,来保证施工和支护手段能够适应实际地质情况,并且充分利用围岩自身的稳定能力,利用喷射混凝土及锚杆进行支护.这一套方法被称为奥地利隧道施工新方法,也就是大名鼎鼎的“新奥法”.

新奥法即新奥地利隧道施工方法（New Austrian Tunneling Method,简写NATM）,最初由奥地利土木工程师L.V.Rabcewicz等于20世纪60年代创立.二战以后,混凝土喷射机和促凝剂的出现使喷浆技术得到很大的发展.随着锚杆在工程中被采用,Rabcewicz以喷锚支护的实践和岩体力学理论为基础,提出了“NATM”法.1963年,该方法获名并获得专利.20世纪60年代中期,新奥法被用于法兰克福、慕尼黑等城市地铁软岩（土）隧道中.随后在西欧、北欧、美国和日本等许多地下工程中获得应用和发展,成为现代隧道工程新技术标志之一.新奥法于七十年代末八十年代初起在我国得到迅速发展.目前,几乎所有重点难点的地下工程中都离不开NATM,它几乎成为在软弱破碎围岩地段修筑隧道的一种基本方法.

同时,鉴于地质勘探手段只能揭露局部地质情况的弊端,为了避免在隧蝴中出现突泥突水（多见于喀斯特地区隧道）或者瓦斯突出（多见于围岩夹煤层的隧道）危及人员和设备安全,挖掘隧道的同时都需要借助地质雷达,进行“超前地质预报”,随时为隧道施工提供“掌子面”前方的地质条件报告.

专业性人才

隧道工程属于土木工程分支之一,在院校专业设置上也有地下工程或地下建筑与工程等变化.隧道与地下工程是从事研究和建造各种隧道及地下工程的规划、勘测、设计、施工和养护的一门应用科学和工程技术.这方面的工程师需要掌握混凝土结构、岩体力学、土力学、流体力学、结构力学、工程地质学、地下建筑结构、地下空间规划与设计、地下建筑施工、地下结构工程测试与监测、爆破工程等专业知识,并且要具备较强的计算机应用能力,要能够使用常见的结构设计及绘图软件进行工作.

随着城市化进程的加快以及各地间相互联系的日益加强,地下空间的利用已经成为一个热闹的学术和工程实践领域.各地火热的地铁工程,令世人瞩目的高速铁路、高速公路工程,乃至于水利、电力、矿业以及军事方面,都对具备专业能力的地下结构工程师有极大的需求.