未来：地下空间的拓展
隧道和地下建筑的历史悠久。早在远古时期，巴比伦人广泛地使用隧道进行灌溉；古埃及人开发了铜锯和空心芦苇钻，用于在岩石峭壁上挖掘庙宇和墓穴；而埃塞俄比亚和印度文明中也发现了类似在坚硬岩石中建造的建筑。
如今，隧道建设已有数百年历史，技术的发展和人类对空间的需求，决定了隧道和地下空间利用是一个非常有前途的跨学科领域，未来会与数字世界完全融合。
隧道的历史掘进
古希腊人和罗马人使用渡槽和隧道对城市用水进行输送和排放。古代最大的此类建筑是Pausilippo隧道，建于公元前36年，地处那不勒斯和波佐利之间，长4800英尺、高30英尺、宽25英尺，手工挖掘尤其令人印象深刻。
图1 Pausilippo隧道
火药、蒸汽机和空气钻的发展，都大大加速了人类对地下空间的开发速度。由此有了1820年至1865年之间在伦敦的泰晤士河下的两条历史性过河隧道。
近50年来，美国的罗宾斯为南达科塔州Oahe大坝项目设计并制造了世界上第一台硬岩隧道掘进机，该设备应用鱼尾刮刀和哑铃形刀具成功在页岩地质开挖隧道。1956年，世界上第一条用隧道掘进机完成的硬岩隧道，首次成功应用旋转式滚刀DISC CUTTERS。
1972年，意大利的隧道项目需要一个能在松软地层作业的装备，并且同时完成快速掘进和拼装管片。双护盾硬岩隧道掘进机就此诞生。
图2 第一台现代硬岩隧道掘进机
（Oahe大坝项目，南达科塔州，美国）
图3 加拿大Humber河隧道项目
第一台应用在全断面隧道掘进机上的连续皮带输送机，碴石不断从掘进机开挖的隧道被输送出来
图4 左：英伦海峡海底隧道冲刺号
右：1987年多组带特制部件的TBM在超高水压下完成英伦海峡海底隧道掘进
图5 1972年，意大利的隧道项目需要一个能松软地层作业的装备，同时完成快速掘进并拼装管片掘进新方案——双护盾硬岩隧道掘进机就此诞生
随后，围绕北极圈、小型隧道等项目，挖掘设备出现了多项创新，可根据地层条件的需要，选择最适合的机型，并灵活地从一种模式切换到另一种模式，以应对工程中不同的地层环境。装备技术水平在澳洲的格诺夫纳煤矿工程、墨西哥TEP II 排水隧道工程、中国香港屯门隧道等挑战性工程中得到认可。
随着技术的发展，隧道掘进机（TVM）可分为三大类。首先是硬质岩石隧道掘进机TBM，用于硬质岩石开掘，具体可分为撑靴型隧道掘进机Gripper-TBM和带护盾的隧道掘进机TBM-S。其次是盾构机SM，主要用于松散土层掘进，又分为全截面开挖盾构机SM-V，包括敞开式、土掩平衡、泥水平衡、混合模式、单护盾、双护盾、顶管机等多个类别，以及部分界面开挖盾构机SM-T。第三类是混合型盾构机KSM，主要用于硬质和松散相混合的土层掘进。
向“下”的新世界
当前，地下建筑和隧道业在美国和全世界依然快速发展。《隧道商业杂志》（Tunnel Business Magazine）与四名高级隧道专业人士在谈及北美隧道行业市场现况和发展时均表示非常乐观，主要是由于美国和加拿大的交通运输、城市给排水/废水处理领域的持续需求。
美国《清洁水法》和加拿大《水资源法》规定了多条保护水体的项目，尽管管道项目没有大型隧道项目那么高调，但从环境角度来看，它们起着至关重要的作用。隧道和地下工程绝不仅仅是几个大型项目，而是人类拓展生存空间、提高生活质量的重要途径。更加安全可靠的挖掘工具和掘进方式，激活了更大的想象空间。
尽管全球疫情大流行已经对许多行业造成了诸多不利影响，全美地上交通、土木工程出现大量取消、停工、延后的现象，但隧道市场的前景似乎一片光明，绝大多数项目均能正常运转，尤其是城市及周边的下水管线和水利工程。
隧道项目的特殊性及其巨大的专业挑战性，对工程师有着独特的吸引力。对他们而言，每个项目都是独一无二的。尽管2020年美国联邦政府对交通的整体投资减弱，但州政府增加了对隧道建设的投资。同时，结合PPP项目募集的资金，隧道行业未来五年可以保证稳定的增长趋势。而且，据联合市场研究公司（Allied Market Research）的预测，到2025年，全美隧道行业的市场规模将达到82亿美元，在今年62亿美元的基础上提高30%。
世界范围内的城市化进程，对一座城市结构物韧性和层次的要求越来越高，即要求高层空间、地表空间和地下空间都得到有效利用，那么势必会越来越多地开发地下空间，并且不断更新、细化其功能。城市地区的空间较小，所以一定会考虑将更多的基础设施向地下转移，比如交通系统、水系统、电系统、通信系统、防灾应急系统，甚至是人类生活区。
高密度的城市中心可以利用集中式服务来提高可持续性，地下交通基础设施（例如，城市道路和高速公路、公交地铁、等级隔离和地下货运铁路、高速铁路和行人通行权）可以解决城市交通拥堵和蔓延等多种情况，对基础架构元素进行最佳设计和定位。在许多情况下，精心设计和运营的地下基础设施比起类似用途的地面基础设施，更可以改善生活质量和可持续性。
精心规划的地下基础设施，可以对土地使用和开发决策产生积极影响。此外，地下（包括海底）矿藏的深度开发，不但不会破坏环境，而且还可以通过地上与地下空间的整合，打造出一个新的生态环境，一种改善后的新型生态循环。
所以，隧道技术可以说是解决诸多问题并满足人类需求的一个有前途领域，与太空的探索在本质上没有任何区别。
在美国，这一领域的领军人之一是埃隆·马斯克（Elon Musk），快速交通是他的突破重点，其灵感来自洛杉矶的交通拥堵以及当前地面运输网络的局限性。为了解决交通问题，未来的道路一定是在3D空间中实现畅行无阻，这意味着我们将使用飞行器（飞车）和更多的空中隧道。进行这项研究的门槛是将掘进速度提高10倍，并将成本降低10倍。
随着技术进步，隧道和地下项目都在不断趋于完善，更长的海底隧道、地下石油存储、城市废物/废气/废水的收纳处理、地下高速通道，甚至月球隧道项目。地下空间开发行业还在萌芽期，远远没有触底。
许多相关专家和学者教授开始对隧道和地下工程学科的学生发出跨学科实践的呼吁：“去努力接触土木工程、地质工程和采矿工程，以及少量的机械工程、电气工程、地球物理学、地质学和其他方面的知识技能。”学生还必须学习设计、建造、修复和管理地下空间结构，例如用于商业活动、交通运输、给排水和公用事业的地下空间（如涵洞、竖井和隧道等）。在此基础上，同时考虑多种环境和其他因素，如土壤和岩石的反应、地下水条件、开掘技术、建筑材料、基础设施理论等。高阶段的学习则是计算建模、动态风险评估等新兴领域。
隧道建设已有数百年历史，技术的发展和人类对空间的需求，决定了隧道和地下空间利用是一个非常有前途的跨学科领域，未来会与数字世界完全融合。
人口的持续增长和集中，城市群落的交通、基建等设施越来越多地需要考虑地下空间的开发。同时，采矿业对装备和生产效率的要求也在不断提高。中国、澳大利亚对隧道结构需求近些年增长很快，欧美国家对于隧道的需求在逐渐复苏，主要用于交通和城市空间拓展。据称，蜗牛的挖掘速度比普通TBM快14倍，这说明还有更多的技术升级空间等待我们去突破。
本文刊载 / 《桥隧产业》杂志
2021年 1月刊 总第43期
作者 / Jamal Rostami & Mike Mooney
作者系美国科罗拉多矿业大学教授
资料来源 / Tunnel Business Magazine
翻译 / 陈业恺
编辑 / 周洋
美编 / 赵雯
责编 / 陈晖
审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲
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