在人类历史的漫漫长河中，隧道的开凿一直被视为一项艰巨且极具挑战性的工程。回溯到机械化钻凿设备尚未诞生的年代，隧道的挖掘主要依赖爆破技术，辅以人工的辛勤劳动。在那时，工人们置身于新挖掘的隧道之中，四周充满了危险与不确定性。每一次的爆破作业，都伴随着难以预测的风险，对工人的生命安全构成巨大威胁。然而，技术的车轮滚滚向前，人们逐渐开始探索并引入机械化设备，以期能够改善这一传统挖掘方式所带来的种种弊端。

若要深入了解盾构机这一现代化挖掘设备的工作原理，我们不得不从其核心构造讲起。盾构机，这一复杂的工程机械，主要由三大部分构成：刀盘、液压支撑系统以及螺旋输送机。刀盘，作为盾构机的前端部件，不仅承载着挖掘作业所需的各类工具，更在挖掘过程中起到支撑开挖面的关键作用。其上的滚刀以同心圆的方式高速旋转，凭借强大的压力破碎前方的岩石与泥土。随后，这些挖掘出的废料被迅速输送至盾构机的土仓之中，再通过螺旋输送机系统被高效地运离现场。而液压推进系统则持续不断地将刀盘推向开挖面，确保挖掘作业能够连续、稳定地进行。此外，管片安装机则负责在隧道内壁安装预制混凝土管片，从而进一步提升隧道结构的稳定性。最后，后配套系统的存在则保证了盾构机在挖掘过程中能够灵活调整位置，以适应各种复杂多变的挖掘需求。

每一台盾构机都有三个关键组件：刀盘、液压支撑系统与螺旋输送机。

早期，钻凿设备的引入并未能立即改善工作环境。这些设备主要依赖于水冷式压缩机提供的压缩空气，以此作为钻头钻凿泥土的动力。然而，这种设备经常发生故障，导致多起在深入山脉挖掘过程中的意外事件。例如，1853年的威尔森专利凿石机，这台由工程师查尔斯·威尔森发明的机器，在挖掘美国马萨诸塞州的胡沙克铁路隧道时，仅仅挖掘了三米就宣告失败，机器支离破碎，这也成了早期钻凿设备发展中的一个缩影。

然而，正是这些早期的挫折与失败，奠定了后来钻凿技术飞速发展的基础。圣哥达基线隧道，作为全球最长的铁路隧道，总长达到了惊人的57公里，穿越瑞士阿尔卑斯山脉。其背后的工程奇迹，不仅彰显了人类智慧的伟大，更是对钻凿技术发展的一次全面检阅。

在圣哥达基线隧道的挖掘过程中，海瑞克硬岩盾构机创下了新的世界纪录。2008年，在北线隧道的挖掘中，这台机器在仅仅24小时内就挖通了厄斯特菲尔德与安姆斯特格之间56米长的隧道段。更令人惊叹的是，在贯穿隧道中心点时，与最佳钻凿路线的水平误差仅有4毫米，垂直误差也只有8毫米，展现了极高的精度与稳定性。

盾构机在钻凿隧道过程中的正常速度通常为每个月300至450米。在地质条件最为理想的情况下，其每个月的钻凿长度甚至可以达到560米。然而，当遇到不利的地质条件时，如安姆斯特格南方的因许区，盾构机的表现会大幅下降，每个月只能艰难地推进140米。

圣哥达基线隧道的建设始于1999年，在塞德伦地区正式动工。工程师们在这里设立了工程控制中心，并展开了大规模的爆破作业。这些爆破作业不仅为了建造进入隧道的大型入口与施工竖井，还为了建立通风竖井以供应新鲜的空气。而正式的钻凿作业则在2003年在安姆斯特格与博迪奥两地同时展开。

在挖掘过程中，工程师们遭遇了诸多挑战。例如，在西线隧道的挖掘中，2005年发生了一次为期最长的延误事件。松动的岩石与山区地下水突然渗入刀盘，导致工程陷入停滞。工程师们徒手清理刀盘却徒劳无功，不得不采取额外措施加固岩石，将水泥浆和膨润土注入松软的泥土中。经过长达五个月的艰苦努力，刀盘终于被清理干净，钻凿作业也得以恢复。

在圣哥达基线隧道的挖掘过程中，两大贯穿工程——北线与南线的会合，分别于2010年与2011年顺利完工。这两个会合点距离隧道两端各约28公里，深藏在瑞士阿尔卑斯山脉2000多米深的岩石之下。东线与西线隧道的成功会合，不仅是对所有参与人员伟大成就的肯定，也为整个钻凿作业画下了圆满的句点。

在挖掘过程中，工程师们还遭遇了一些特殊的地质挑战。例如，在法伊多附近的皮欧拉盆地，这个富含晶粒状白云石和水的漏斗状区域，压力高达15兆帕。1996年，当钻机以倾斜角度钻探该区域时，高速喷发出了大量的水和白云石，引发了当时的质疑与担忧。幸运的是，后续报告指出这座盆地位于隧道上方的材质为石膏质盖岩，从而确保了隧道的安全性。

此外，在南线的挖掘过程中，两台盾构机在博迪奥地区仅开挖200米就遭遇了严重的阻碍。它们遇到了一种名为断层破碎带的特殊地质，这种地质过于松软，导致硬岩盾构机无法正常工作。因为硬岩盾构机专门设计用于钻凿坚硬的岩石，所以在这种地质条件下，隧道里的每一米挖掘都必须先进行加固处理才能进行钻凿作业。

如今，圣哥达基线隧道已于2016年正式通车。这条隧道的开通极大地缩短瑞士苏黎世与意大利米兰之间的旅行时间，从原先的3小时40分钟缩减至仅需2小时40分钟。隧道全长57公里，连接了瑞士阿尔卑斯山脉中的乌里州和提契诺州。其建设用时17年，共耗资120亿瑞士法郎（约合821亿元人民币），是一项举世瞩目的工程壮举。竣工后，圣哥达基线隧道大大缩短了穿越阿尔卑斯山脉的旅行时间，为欧洲的交通和经济发展带来了重要影响。

文中图片均来源于《How it works》杂志

作者：《how it works》科普团队

审核：沈萍 中国地震局地球物理研究所研究员

来源: 科普中国创作培育计划

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