盾構(gòu)掘進(jìn)的工程奇跡：英吉利海底隧道的迷人歷史

上世紀(jì)50年代，構(gòu)想中的英吉利海峽隧道。? The Telegraph

利維坦按：

在英法之間構(gòu)筑海底隧道是一項(xiàng)巨大的工程挑戰(zhàn)，而且在此之前，僅有日本的青函隧道（Seikan Tonneru）作為先例。海底隧道面臨的嚴(yán)峻威脅之一，就是在脆弱地質(zhì)條件下，上方海水會(huì)因水壓而大量涌入。而回顧歷史，海底隧道就不僅僅意味是一項(xiàng)工程奇跡那么簡(jiǎn)單了，它更關(guān)乎英國(guó)這個(gè)國(guó)家對(duì)于歐洲大陸的復(fù)雜情感和立場(chǎng)。

英吉利海峽（法語(yǔ)稱為拉芒什[la Manche]，對(duì)法國(guó)人來(lái)說(shuō)，意為“袖子”）是世界上最崎嶇的海上航線之一。最狹窄的地方是多佛海峽，僅有20英里（約32公里），但對(duì)于試圖穿越這里的人來(lái)說(shuō)，這種距離并不能帶來(lái)太多安慰。海峽的淺灘結(jié)合獨(dú)特的潮汐、洋流和常年霧氣，使得航行充滿危險(xiǎn)，而引發(fā)的暈船癥更是臭名昭著。

幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，英吉利海峽一直是英國(guó)防御外敵入侵的屏障。惡劣的天氣被神圣地解釋為1588年擊沉西班牙無(wú)敵艦隊(duì)的“新教之風(fēng)”（Protestant Wind）。但這無(wú)疑也是一把雙刃劍：商船和菲利普二世的龐大艦隊(duì)一樣容易受到傷害。隨著工業(yè)時(shí)代的來(lái)臨，帶來(lái)了和平和貿(mào)易，到了19世紀(jì)初，英國(guó)成為了世界上最大的制造業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)國(guó)。航運(yùn)和港口設(shè)施的改善極大地促進(jìn)了貿(mào)易，但將貨物從船上轉(zhuǎn)移到岸上的物流問(wèn)題仍然存在。在面臨這個(gè)問(wèn)題時(shí)，人們開(kāi)始考慮完全避開(kāi)水路的方法。

1785年1月7日，讓-皮埃爾·布蘭查德（Jean-Pierre Blanchard）首次熱氣球穿越英吉利海峽。? Media Storehouse

1785年，有人首次乘氣球跨越英吉利海峽，但直到1909年，才有第一架飛機(jī)飛越海峽。1851年，一根電報(bào)線直接連接了倫敦和巴黎。鐵路是否也可能實(shí)現(xiàn)呢？許多工程師認(rèn)為是可能的：他們提出了一項(xiàng)隧道計(jì)劃，將英國(guó)的公路和鐵路與歐洲大陸連接起來(lái)。

然而，這不僅僅是一個(gè)工程和地質(zhì)問(wèn)題。固定連接的想法與英國(guó)在帝國(guó)主義時(shí)代理解國(guó)際關(guān)系，以及他們?cè)跉W洲的地位緊密相連。一方面是那些相信共同歐洲的自由主義者，這種自由主義建立在對(duì)“人民”以及國(guó)際通訊和自由貿(mào)易統(tǒng)一的信念之上。對(duì)于這些進(jìn)步的擁護(hù)者來(lái)說(shuō)，偉大的鐵路工程代表了時(shí)代的精神：正如一位支持者所言，鐵軌“將各個(gè)國(guó)家的心連在了一起”。

一位不知名藝術(shù)家的版畫(huà)，描繪了拿破侖通過(guò)空中、海上和海底隧道入侵英國(guó)的情景，1803年。? meisterdrucke

反對(duì)這一做法的是性格更為悲觀和多疑的英國(guó)人，他們認(rèn)為歐洲因外交、軍事和帝國(guó)的緊張局勢(shì)而永久分裂。對(duì)他們來(lái)說(shuō)，鐵路是一種武器，擬議中的海峽隧道是一條軍事前線，將他們富裕而毫無(wú)準(zhǔn)備的島嶼暴露在歐洲大陸的軍隊(duì)面前。

決定該項(xiàng)目命運(yùn)的正是這種世界觀的沖突，而不是工程上的挑戰(zhàn)。

法國(guó)先驅(qū)

1802年，拿破侖戰(zhàn)爭(zhēng)間歇期間，一位名叫阿爾伯特·馬蒂厄（Albert Mathieu）的法國(guó)礦業(yè)工程師提出了據(jù)信是第一個(gè)穿過(guò)英吉利海峽的計(jì)劃。他設(shè)想了一條由巨大的鐵煙囪通風(fēng)的隧道（煙囪伸出海面），以及一個(gè)位于海峽中點(diǎn)瓦恩沙洲（Varne Bank）上的人工“國(guó)際島”，中繼站（以便馬車更換馬匹），以及港口。

阿爾伯特·馬蒂厄計(jì)劃通過(guò)煙囪通風(fēng)，提供馬拉客車服務(wù)，穿越英吉利海峽，約1802年。? wikipedia

該計(jì)劃在法國(guó)礦業(yè)學(xué)校和立法機(jī)構(gòu)的顯著位置展出，拿破侖·波拿巴可能在那里第一次看到了它。這也引起了英國(guó)反對(duì)派政治家查爾斯·詹姆斯·?？怂梗–harles James Fox）的注意，據(jù)說(shuō)后者反應(yīng)熱烈。然而，隨著戰(zhàn)爭(zhēng)的回歸，該項(xiàng)目被擱置。

30年后，馬蒂厄的衣缽由最當(dāng)之無(wú)愧的“英吉利海峽隧道之父”稱號(hào)的艾梅·托梅·德加蒙（Aimé Thomé de Gamond）繼承。作為19世紀(jì)的一位文藝復(fù)興人物，德加蒙除了在地質(zhì)學(xué)和工程學(xué)方面的研究外，還獲得了醫(yī)學(xué)和法學(xué)博士學(xué)位。在研究法國(guó)的河流時(shí)，德加蒙對(duì)跨海峽連接的想法產(chǎn)生了濃厚興趣。到1830年代末，他已經(jīng)制定了各種各樣的計(jì)劃，從巨大的橋梁到鐵管，再到海底的磚石隧道。

托梅·德加蒙為1867年世界博覽會(huì)設(shè)計(jì)的英法國(guó)水下隧道圖。左上角的黃色圓圈代表一個(gè)巨大的螺旋坡道，允許從瓦恩沙洲上的國(guó)際人工島進(jìn)入隧道。? wikipedia

德加蒙并不是唯一一個(gè)渴望將英國(guó)與歐洲大陸相連的人。然而，由于缺乏地質(zhì)知識(shí)，他的同行中很少有人敢提出在海底下修建隧道的建議。

雖然研究表明，英國(guó)和法國(guó)海岸的地質(zhì)層是相同的，但尚不清楚多佛海峽本身是由兩個(gè)海岸分開(kāi)形成的裂谷，還是一座曾連接肯特郡和法國(guó)北部的古老陸橋的侵蝕形成的。如果海峽是裂谷，那么修建隧道即使不是不可能，也會(huì)很困難——任何嘗試都將在未知且不一致的地質(zhì)條件下挖掘隧道，其中可能含有堅(jiān)硬的巖石，需要大量的體力勞動(dòng)或爆破費(fèi)用。

赫克托·霍羅（Hector Horeau，托梅·德加蒙的早期隧道夢(mèng)想同行之一）的英法管狀海底鐵路提案的插圖。? archive

在用盡了所有陸地研究方法后，托梅·德加蒙于1855年進(jìn)行了三次非同尋常的獨(dú)自潛水，以解開(kāi)海峽的謎團(tuán)。他身背160磅的燧石，用自制的豬油塞堵住耳朵，并將口腔變成了一個(gè)事實(shí)上的閥門——用橄欖油排出空氣從而不吸入水。有了這些設(shè)備后，他成功地下潛超過(guò)100英尺（約30多米），從海底取樣，之后借助十幾個(gè)充氣的豬膀胱浮出海面。在最后一次潛水中，他發(fā)現(xiàn)自己不得不抵擋巨大鰻魚(yú)的攻擊。

托梅·德加蒙孤身一人潛入海中探測(cè)英吉利海峽。? wikipedia

這次冒險(xiǎn)是成功的。對(duì)樣本的檢查證實(shí)，英國(guó)和法國(guó)曾經(jīng)由一片后來(lái)侵蝕消失的陸地相連接，并且兩岸之間的地質(zhì)層是連續(xù)的。由于巖石是較軟的白堊巖，這項(xiàng)工作將不需要費(fèi)時(shí)費(fèi)力的鉆孔和爆破。鉆挖隧道計(jì)劃第一次變得可行。

時(shí)代精神

托梅·德加蒙的發(fā)現(xiàn)正值歐洲思想和科學(xué)史上的一個(gè)豐饒時(shí)刻。歐洲迅速擴(kuò)張的技術(shù)、工業(yè)和經(jīng)濟(jì)實(shí)力，以及由此產(chǎn)生的帝國(guó)主義傲慢，催生了一種令人陶醉的科學(xué)進(jìn)步崇拜，一切似乎皆有可能。鐵路處于這個(gè)新世界的前沿。利物浦和曼徹斯特之間的第一條商業(yè)鐵路于1830年開(kāi)通，到1850年，總長(zhǎng)超過(guò)20,000公里的鐵軌橫貫歐洲。

利物浦到曼徹斯特火車旅行的版畫(huà)，1831年。? Science and Industry Museum

隧道從一開(kāi)始就是鐵路建設(shè)的一個(gè)組成部分，但在19世紀(jì)下半葉，隧道的建設(shè)規(guī)模更加宏大。1871年，仙尼峰鐵路隧道（Mont Cenis Tunnel）穿越阿爾卑斯山連接了法國(guó)和意大利，隨后于1882年開(kāi)通了全長(zhǎng)9英里（約14.5公里）的圣哥達(dá)鐵路隧道（Gotthard Tunnel），這是當(dāng)時(shí)世界上最長(zhǎng)的隧道。

1880年左右，圣哥達(dá)鐵路隧道北入口，瑞士小鎮(zhèn)格舍嫩（G?schenen）。? wikipedia

4年后，塞文河口下方4英里長(zhǎng)的隧道將英格蘭和威爾士連接了起來(lái)。技術(shù)史學(xué)家羅莎琳德·威廉姆斯（Rosalind Williams）寫(xiě)道，這些工程壯舉“體現(xiàn)了時(shí)代所理解的進(jìn)步”。每一條線路的竣工都被視為科學(xué)戰(zhàn)勝自然的勝利，它們的設(shè)計(jì)者和建造者被視為文明穩(wěn)步前進(jìn)的先鋒。

在這種背景下，英吉利海峽連接的缺失，不僅反常，更是經(jīng)濟(jì)和社會(huì)進(jìn)步的失敗。正如工程師兼隧道倡導(dǎo)者詹姆斯·查爾默斯（James Chalmers）在1861年寫(xiě)道的那樣：

俯瞰歐洲鐵路地圖，聰明的眼睛可以追蹤到許多通往特定點(diǎn)的線路，而且?guī)缀蹩偸峭ㄍ蟪鞘?。然而，有一個(gè)顯著的例外：在歐洲大陸上，從北、東和南方向，以及英格蘭從南部、西部和北部，可以看到線路匯聚在一起，它們伸出的鐵臂仿佛要擁抱，然而……它們卻停了下來(lái)。

詹姆斯·查爾默斯“海峽鐵路”的扉頁(yè)插圖，來(lái)自他的《連接英格蘭和法國(guó)的海峽鐵路》（The Channel Railway Connecting England & France，1861年）。? wikimedia

對(duì)技術(shù)進(jìn)步的熱情與自由國(guó)際主義的興起齊頭并進(jìn)，這體現(xiàn)在1851年倫敦世博會(huì)和1860年英法自由貿(mào)易條約等事件中。該條約的主要起草者理查德·科布登（Richard Cobden）和米歇爾·舍瓦利埃（Michel Chevalier）教導(dǎo)人們，歷史的力量正不可避免地走向人類團(tuán)結(jié)：貿(mào)易和通訊的改善最終將使戰(zhàn)爭(zhēng)變得過(guò)時(shí)。

他們將“人民”理想化，攻擊武裝部隊(duì)和貴族中的“既得利益者”，認(rèn)為他們是國(guó)際沖突的真正推動(dòng)者?！白杂少Q(mào)易是上帝的外交，”科布登曾寫(xiě)道，“沒(méi)有其他確保人們和平相處的途徑。”科布登和舍瓦利埃都支持英吉利海峽隧道項(xiàng)目，認(rèn)為這是邁向歐洲最終統(tǒng)一的重要一步，是“真正的聯(lián)盟拱門”，這是科布登的話，也經(jīng)常被隧道倡導(dǎo)者引用。

托梅·德加蒙的努力于1856年結(jié)出了果實(shí)，他提出了一項(xiàng)全面的計(jì)劃，即修建一條雙軌鐵路隧道，連接?？怂雇ǎ‵olkestone）附近的伊斯特威爾灣（East Wear Bay）和加萊海峽（Pas-de-Calais）的格里內(nèi)角（Cap Gris-Nez）。

和馬蒂厄一樣，他設(shè)想在瓦恩沙洲建立一個(gè)國(guó)際港口，沿途設(shè)有通風(fēng)井和燈塔。施工將從穿越英吉利海峽間隔建造的臨時(shí)石島開(kāi)始，通風(fēng)井將從這些石島沉下，而隧道將采用泰晤士河隧道建設(shè)中首創(chuàng)的鋼制“盾構(gòu)”。

地圖顯示，托梅·德加蒙對(duì)連接英法隧道的初步設(shè)計(jì)，1857年。? wikimedia

該計(jì)劃受到羅伯特·斯蒂芬森（Robert Stephenson）和伊桑巴德·金德姆·布魯內(nèi)爾（Isambard Kingdom Brunel）等頂尖工程師的贊揚(yáng)，并得到了維多利亞女王、阿爾伯特親王和拿破侖三世的支持，該計(jì)劃似乎正在實(shí)現(xiàn)，根據(jù)其發(fā)明者的說(shuō)法，這將是一個(gè)“既有用又光榮的終點(diǎn)”。

連接英國(guó)?？怂雇ê头▏?guó)格里內(nèi)角的隧道設(shè)計(jì)。? wikimedia

然而，在一系列對(duì)隧道支持者來(lái)說(shuō)非常熟悉的事件中，該項(xiàng)目因兩國(guó)關(guān)系破裂而失敗。一名意大利民族主義者試圖用英國(guó)制造的炸彈刺殺拿破侖后，英國(guó)媒體掀起了一場(chǎng)入侵恐慌。仇視法國(guó)的首相巴麥尊子爵（Lord Palmerston）利用這個(gè)機(jī)會(huì)，用昂貴且無(wú)用的防御工事包圍了普利茅斯（Plymouth）和樸茨茅斯（Portsmouth）。

與樂(lè)觀的自由派相反，巴麥尊認(rèn)為隧道將消除“我們對(duì)大陸敵人的天然防御”。科布登和舍瓦利埃認(rèn)為他執(zhí)迷于年輕時(shí)的拿破侖戰(zhàn)爭(zhēng)：“他的腦海里全是法國(guó)入侵的念頭。”這就是悲觀和多疑的世界觀，如果隧道的倡導(dǎo)者想要成功，他們就必須克服這種世界觀。

英國(guó)牽頭

1860年代，威廉·洛（William Low）和約翰·霍克肖（John Hawkshaw）等英國(guó)工程師加入了托梅·德加蒙的行列，他們放棄了瓦恩沙洲的想法，轉(zhuǎn)而專注于多佛和加萊之間的海域。在進(jìn)行了廣泛的探測(cè)和調(diào)查后，到19世紀(jì)末，成立了英法聯(lián)合委員會(huì)來(lái)推進(jìn)該項(xiàng)目。

1872年，英吉利海峽隧道公司（British Channel Tunnel Company）成立，1875年法國(guó)公司出現(xiàn)。在英國(guó)人的建議下（巴麥尊的首相職位被更具同情心的迪斯雷利[Disraeli]取代），兩國(guó)代表組成了一個(gè)正式的聯(lián)合委員會(huì)，為擬建隧道制定規(guī)范和法規(guī)。1875年8月2日，兩國(guó)通過(guò)了授權(quán)各自公司開(kāi)始施工的法案。

然而，不到兩年后，進(jìn)展就陷入停滯。仍然缺乏完整的可行性證據(jù)，削弱了投資者的信心。受財(cái)務(wù)問(wèn)題的困擾，英國(guó)公司到1876年幾乎沒(méi)有取得什么實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，而1875年法案授予的特許權(quán)也到期了。

《多佛海峽地質(zhì)圖，顯示橫穿英吉利海峽的可能露頭線》，取自威廉·托普利（William Topley），《多佛海峽的地質(zhì)》，《科學(xué)季刊》（The Quarterly Journal of Science，1872年）。? archive

正是在這個(gè)時(shí)候，隧道被愛(ài)德華·威廉·沃特金爵士（Sir Edward William Watkin）接管，他是海斯（Hythe）選區(qū)的獨(dú)立自由黨議員，也是三大鐵路公司的董事長(zhǎng)，其中包括在肯特郡運(yùn)營(yíng)的東南鐵路公司。沃特金好斗而固執(zhí)，是一位完美的商人和公關(guān)，對(duì)大型和有遠(yuǎn)見(jiàn)的工程項(xiàng)目很著迷，對(duì)自由貿(mào)易也充滿熱情。

他組建了一個(gè)著名的科學(xué)與法律咨詢委員會(huì)，成員包括律師、電氣、水利和采礦工程師、地質(zhì)學(xué)家、軍人和英國(guó)皇家學(xué)會(huì)主席。但關(guān)鍵人物是兩名皇家工程師軍官——弗雷德里克·博蒙特（Frederick Beaumont）上校和托馬斯·英格利什（Thomas English）上尉，他們最終證明了隧道項(xiàng)目的可行性。

兩人都是技藝嫻熟的發(fā)明家。1870年代后期，博蒙特正在試驗(yàn)壓縮空氣驅(qū)動(dòng)的機(jī)車和有軌電車。英格利什是鋼裝甲板（制造耐用采礦設(shè)備所需的材料）方面的專家，并于1880年為基于博蒙特先前設(shè)計(jì)的新型鉆孔機(jī)申請(qǐng)了專利。一年后，兩人利用英格利什的專利生產(chǎn)了一臺(tái)隧道掘進(jìn)機(jī)，由博蒙特的壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。結(jié)果證明，它是完成這項(xiàng)工作的理想工具。

博蒙特上校的空氣機(jī)車設(shè)計(jì)，能夠在單次充氣的情況下通過(guò)隧道牽引150噸的列車，這是查爾斯·泰爾登-賴特（Charles Tylden-Wright）《英吉利海峽隧道》論文的插圖，刊登于《礦業(yè)與機(jī)械工程師北部學(xué)會(huì)》第三十二卷（1882-1883年）。? archive

多佛海峽當(dāng)前道路海底剖面圖，顯示博蒙特上校和英格利什上尉的空氣壓縮掘進(jìn)機(jī)的等距透視圖，這是阿諾德·拉普頓（Arnold Lupton）《英吉利海峽隧道》論文的插圖，刊登在《約克郡地質(zhì)與工藝學(xué)會(huì)會(huì)議記錄》第三卷（1883年）。? archive

該機(jī)器配備了一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的切削器，以每小時(shí)一碼（約0.9米）的速度挖掘7英尺（約2.1米）直徑的隧道，并配備了用于清理渣土的輸送帶，該機(jī)器只需要不到10名工人就能操作。至關(guān)重要的是，它的電動(dòng)力意味著它不僅不會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)的廢氣，而且在工作時(shí)會(huì)釋放空氣，為隧道通風(fēng)。

1880年10月14日，博蒙特-英格利什掘進(jìn)機(jī)在多佛附近的艾伯茨懸崖（Abbots cliff）進(jìn)行了試驗(yàn)鉆探。該機(jī)器挖掘的灰色白堊巖層易于切割，而白堊巖層幾乎是不滲水的。在隧道試驗(yàn)挖掘了842碼（約770米）后，次年9月，該機(jī)器被移至莎士比亞懸崖（Shakespeare cliff）下的一個(gè)新地點(diǎn)，這是英法之間距離最近的地方。

在較軟巖層中工作的博蒙特-英格利什掘進(jìn)機(jī)。? archive

年底，沃特金成立了海底大陸鐵路公司（Submarine Continental Railway Company）來(lái)監(jiān)督這項(xiàng)工作。法國(guó)的水下鐵路公司（Compagnie du Chemin-de-fer Sousmarine）很快開(kāi)始從加萊附近的桑加特出發(fā)，使用了經(jīng)過(guò)改進(jìn)的博蒙特-英格利什掘進(jìn)機(jī)。這是該項(xiàng)目歷史上的第一次礦工們?cè)诤５坠ぷ鳌?/strong>