地下轨道交通的发展历程与未来展望

张天成 闫泽霖 弓新洁 欧阳嘉艺

(四川大学水利水电学院，四川 成都 610065)



地下轨道交通的发展历程与未来展望

张天成 闫泽霖 弓新洁 欧阳嘉艺

(四川大学水利水电学院，四川 成都 610065)

以时间为线索，通过查阅和总结资料，从地下工程的起源、地铁的出现、现代地下轨道交通的应用、未来地下轨道交通的设想四方面，探寻和总结了人类地下交通的发展史，将地下轨道交通的昨天、今天和明天展现出来。

地下交通，地铁，工业革命，盾构

纵观人类发展史，不同地域、不同种族的人类都在为获得更为优越的生活环境而努力。科技革命推动城市进步，地下工程也随之飞速发展，从地下洞穴到城市综合地下交通系统。时代发展的不同阶段对地下工程的开发反映不同时代的城市需求，在城市需求的强烈推动下，地下轨道交通必将进入一个全新的发展阶段。

1 地下工程的起源

1.1 原始时期

在自然条件十分恶劣的原始时代，人类开始开发利用地下工程。民族部落由游牧转向聚居，那时的人类不仅需要应对多变的气候，也需要防御其他野兽的攻击。此时天然岩洞不能满足需要，而地下洞穴则相对有很多优势，当时的人类开始利用兽骨等工具在较软的土层中开挖洞穴，起始的形状为简单的袋形竖穴，支护措施为树枝、木桩等。

1.2 古代时期

从公元前3000年到5世纪，人类为了城市生活更加适宜而开发利用地下空间，也是地下空间技术的基础时代。那一时期有一大批优秀的地下工程涌现出来。如公元前2200年，古巴比伦王朝在幼发拉底河底修建了水底隧道，是到目前为止发现的最先用于交通的地下空间；我国东汉年间在今陕西褒城修褒斜道时，凿了一条石门隧洞，这是人类最早人工开凿可通车的地下隧道空间。

1.3 近代时期

近代几次工业革命彻底改变了人们的生产生活方式，城市格局也发生了翻天覆地的变化。落后的城市基础设施不能再适应城市飞速发展带来的人口剧增、交通拥堵的现状，地下工程开发的需求迫切。而伦敦地铁的出现，将地下工程的开发带到了一个新的方向。

2 地铁的出现

2.1 建设背景

工业革命带动了很多新产业的发展，这使得广大农村居民涌入城市工作，1800年伦敦有100万人口，到了1850年，人口增至250万。居住人口以150%的增长使得城市交通问题凸显出来，而这座金融中心日益繁荣，伦敦成为当时世界上最大的城市。在铁路兴建的那几年，议会立法禁止在伦敦市中心建造火车站，铁路公司不得不将火车站建在了市中心边缘，如帕丁顿、尤斯顿、国王十字车站等地。火车站周围的居住区情况非常糟糕，市中心房屋建设没有秩序，街道狭小加之人口增长迅速，导致街道上行人摩肩接踵。当时相对较富裕的人们偏好在安静的郊区居住，上班时间回到市中心，但当时却没有将郊区和中心连接起来的便捷道路，可想而知，在进城和出城的高峰期，道路上的马车、行人乱成一团。当时伦敦著名的律师查尔斯·皮尔森提出在伦敦街道下运营火车，将城市周围的火车站连接起来，但议会一直没有同意，后来他提出如果交通状况不改善，伦敦的商业贸易将无法进一步发展，最后下议院通过法案，允许皮尔森建造地下铁路。

2.2 施工技术

2.2.1 明挖回填技术

伦敦第一条地铁由于完全没有先例作为参考，采用最容易想到的明挖回填技术。所谓明挖回填技术即首先让地铁线路覆盖的区域居民搬迁，接着工人借助简易工具挖出深6 m～10 m的壕沟，接着将轨道铺设在沟底，用砖对壕沟沟壁进行加固，接着用砖搭成拱形的顶，然后将土回填，再在地表重新建设出新的道路和房屋。由于采用明挖法，造成了交通的拥堵，大量住户搬迁，使得这个工程耗资巨大。

2.2.2 大头盾牌(the great head shield)暗挖法

1890年，南伦敦线率先使用大头盾牌进行暗挖法：工人们附身在盾构的隔间里，用铁铲开凿挖掘土壤，当他们挖掘了一定深度的土壤之后，盾构就向前推进，把挖出的泥土清理后，再重复整个过程，一点一点向前移动，而大头盾牌的作用是支撑周围的土壤，防止其坠落倒塌。

2.3 列车的选择

对于在地下行驶的列车，当时的方案各式各样，千奇百怪，比如以气压为动力前行的、或是以水力和电缆推动的列车，最终伦敦选择了最经济的方式即蒸汽机车。工程师设计了特别的火车头，内置冷凝水锅炉，以达到冷却蒸汽，避免蒸汽弥漫整条隧道的情况发生，但由于轨道和列车动力的原因，此时的列车时速很低。

2.4 建成通车

第一条地铁线路设置了7个停靠车站，共有4.8 km长，终于在1862年正式完工。为了庆祝历史性的第一次通车，大约有40名英国官员坐上了木制车厢，见证了世界第一条地铁的通车。

次年，伦敦地铁开始全面向公众开放，公众对这种新型的交通工具非常感兴趣，在运营的第一天，乘客的总数就达到了4万人次。在运行半年后，做过一次统计，自地铁开放以来的6个月里，乘客总数达477万人次，日均乘坐量2.65万人次。

3 现代地下轨道交通

3.1 先进施工技术的应用

现代城市发展迅速，地面交通压力较大，如采用明挖法进行地铁施工会造成城市混乱、交通堵塞等问题，所以现在地铁隧道的施工往往采用对地面交通影响较小的暗挖法，下面介绍一种在城市中最常使用的地下挖掘方法——盾构法。

盾构法是一种使用现代化机器实现完全机械化的施工方法。盾构机是一种用于圆形断面隧道并且采用滚压式切削盘在待开挖全断面范围内破碎岩石、集开挖、运载、支护于一身的大型综合掘进机械。在施工时将刀盘对准掌子面，用刀片切割土体，在开挖的过程中，盾构机坚硬的外壳可以对已开挖部分进行支撑，防止坍塌事故的发生。刀盘处切割出的土体通过传送装置运出，开挖前进的同时安装预制管片，实现机械化地边开挖边支护。

3.2 现代地铁列车

随着中国经济发展越来越快，城市化水平逐渐提高，我国的地铁技术进步迅速，现在我国地铁列车已经达到了世界一流的水平。以北京五号线上运行的地铁列车为例：列车车体使用轻量化不锈钢材料，车头设置能量吸收装置，车厢中设计应急车门；采用降噪车轮，最大程度地降低地铁列车运行给乘客带来的不适感；采用更加人性化的通风装置，保证车厢中空气流通；设置液晶显示屏，播放城市宣传片、广告和到站通知等，很大程度地提高了乘客的乘坐体验；地铁公司也越来越注重列车内部的装饰设计，现在的地铁列车更加美观大方，实现了科技和艺术的融合。通过对列车轨道、动力以及列车形状的不断改进，目前我国地铁列车速度可达80 km/h。

4 未来地下交通工具设想

4.1 真空管道磁悬浮列车

真空管道磁悬浮列车即将磁悬浮列车置于部分真空或完全真空的管道中运行，以达到减少空气阻力、成倍式提高列车运行速度的目的。自磁悬浮列车的理念被提出后，科学家对于真空管道磁悬浮列车的思考和探索也从未中断。而瑞士则将这一设想变成了建设方案——SWISSMETRO系统。

SWISSMETRO系统是瑞士的地下高速磁悬浮列车系统，该系统的建议最初于1974年由瑞士工程师NIETH提出，1981年，洛桑理工学院的学者对这个系统的研究非常支持，该项目可行性分析完成后，1989年瑞士政府划拨50万瑞士法郎用于该项目的研究。如今从日内瓦到苏黎世正常需要3 h，若是选用SWISSMETRO系统只要57 min。根据设计，列车管道将被埋设在地下60 m～300 m之间，并抽取一定量管道内空气实现列车的低阻力运行以提升列车运行速度。列车采用高技术的直线电机推进，在磁悬浮的作用下，以悬浮的状态前进，最大程度地减少了空气阻力和车轮与车轨之间的摩擦阻力，可实现地下交通工具速度的跨越式提升。

4.2 地下飞机

飞机在地表上空飞行受空气的影响特别大，天气的变化会影响飞机的起飞、飞行和降落，给人们的生命安全和乘坐体验都会产生负面影响，可不可以将飞机放在地下飞行呢，日本综合建设业与流体研究所提出了一个大胆的想法，设计一个600 km时速的地下飞机，通过地下交通隧洞将日本各大城市连接起来。地下飞机的设想不只是停留在纸面上，日本已经对这项设想展开了实质性的研究。这款地下飞机在时速小于300 km时利用车轮行驶，在时速超过300 km后，机身浮起1 m左右，以600 km的时速飞行，借助主翼的喷射引擎来保持飞行状态。这种地下飞机飞行不受天气的影响，并且飞行高度很低，安全系数也较地上飞机高，设计两层客舱，预计可搭载400名乘客，同时节省机场用地，解决机场周围的噪声问题，受到有关部门的高度重视。

5 结语

随着城市发展越来越快，人口增长迅速，人均汽车持有量持续增长，城市交通问题越来越严重，人们自然地选择大力发展地下交通来缓解“城市综合症”。科技的飞速发展推动着地下交通工具的一次又一次更新换代，从蒸汽机车到电力机车再到磁悬浮列车，地下轨道交通工具的速度越来越快。同时，人们对未来地下交通工具的探索也从未停止，地下轨道交通工具必定向高速化，便捷化的方向发展，为人类出行带来更多的便利。

[1] 谭庆琏.立足现在,面向未来,大力推进隧道及地下工程事业的发展,为我国的和谐社会作出新的贡献——在中国土木工程学会第十二届年会暨隧道及地下工程分会第十四届年会开幕式上的讲话[J].隧道建设,2006,26(6):1-2.

[2] 刘艳凤,邵雪峰.地下工程的施工技术及其对未来的发展展望[J].黑龙江科技信息,2007(8X):261.

[3] 张瑞华,严陆光,徐善纲,等.一种新的高速磁悬浮列车——瑞士真空管道高速磁悬浮列车方案[J].大功率变流技术,2004(1):44-46.

[4] 佚 名.世界首条地铁诞生150周年地铁塑造今日伦敦[J].隧道建设,2013(1):53.

[5] 潘吉洪.城市地铁施工方法应用现状与分析[J].山西建筑,2015,41(18):168-170.

[6] 党 瑜.褒斜道的开发、变化和历史作用[J].唐都学刊,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

张天成(1996- )，男，在读本科生

U459

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