日本地铁中山隧道位于日本上越新干线高崎站至上毛高原站之间，总长14857米，为一洞双线构造。由于事前预估的不足，导致建设过程中发生了三次严重透水事故，造成原计划中的一条斜坑被废弃以及两次变更隧道走向，使得建设工期大幅拉长的同时也让原本设计的隧道通过速度从240千米每小时降低为160千米每小时。下面就跟随本文去一窥中山隧道的建设全过程吧。
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| ↑ 上越新干线大致走向以及中山隧道所处位置 | ↑ 中山隧道周边 |
上越新干线与中山隧道
上越新干线从东京大宫开往新泻，上越二字取自线路途经的群马县与新泻县的古称（上州、越后）首字。 线路全长269.5千米，实际营业里程303.6千米，共设有10个车站。线路两头分别是关东平原（东京）与越后平原（新泻），中间则是三国山脉。上越新干线于1971开工建设，最初计划于1976年完工，不过由于建设过程中的种种问题，导致工期大幅延后了近6年时间。然后本想与东北新干线一道于1982年春同时开业，结果因为中山隧道第三次透水事故的发生，为了稳妥起见，延后6个月到1982年11月15正式开业。中山隧道位于三国山脉之中，东西两侧分别是两座层状火山小野子山与子持山，南北两侧则分别是吾妻川与利根川。隧道总长14857米，为一洞双线结构，该隧道的建设是整个上越新干线建设过程中最为艰难的部分。
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一般隧道施工方法
一般长距离隧道施工作业均采用如下图所示方法，首先垂直打下若干竖井，然后将施工人员与设备吊放到隧道作业平面，同时从多个工作面开始隧道施工，以此来加快整体进度。同时这样也有利于尽早掌握隧道整体地质情况，以应对有可能出现的各种意外状况。
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第一次地质调查与计划安排
中山隧道附近山体表面覆盖着厚度在300米至400米的火山喷发形成的岩浆堆积物。项目前期准备过程中的地质调查采用的是钻孔取样与弹性波相结合的方式。1971年首先选取了12个采样点进行钻孔调查，之后又于1972年追加了15个采样点同时还进行了弹性波的调查。最终于1973年完成了第一份中山隧道项目的地质调查分析报告。报告认为中山隧道所处的地层以形成于3000万年前的猿ヶ京堆积岩层为主。该岩层结构稳定含水量较少，非常适合隧道的施工。实际施工过程中大部分位于该岩层的中山竖井是透水最少的，也从侧面印证了猿ヶ京堆积岩层的稳定性。基于上述地质调查结果，中山隧道将整个项目划分为4个竖井与6个工区。其中小野上南工区与名胡桃工区从隧道两端分别推进；其余4个工区则需要等待前述4个竖井作业的完成之后方能开始。
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竖井作业概览
四方木垂直竖井于1972年2月8日进场施工，从距井口86米处开始有地下水透出，之后透水量随着挖掘的深入不断增大。不得不分别在距井口100.8米、112.8米、139.2米，152.3米，162.9米，175.6米，204.7米以及318米时进行了8次注浆堵水作业，最终大幅落后原定计划于1977年11月30日方完成竖井的作业。高山垂直竖井于1972年8月进场施工，透水量几乎是四方木竖井的两倍，转而采用水泵抽排水与法国索雷坦注入法（ソレタンシュ式注入工法）相结合的方式以保障施工的进行。也是大幅落后原定计划于1977年5月15日方完成竖井的全部施工作业。中山垂直竖井施工条件最为优越，整个挖掘过程中没有碰到一次透水事故。从1972年7月20日进场施工，1973年10月即顺利到达预定隧道工作平面，并于1974年1月31日完成竖井内垂直升降电梯、通风设备、排水设备以及竖井井壁加固等作业任务。
小野上北斜坑的废弃
从坑口至主隧道工作面设计总长800米，1973年3月1日正式动工，至1974年9月15日共向下挖掘了454.8米，然后突发透水事故。施工方当即停止挖掘作业，经过一番紧急抽排水处理之后，于9月26日重新开工，结果仅再向下挖掘了3米至457.8米之后，再度发生透水事故。坑底结构破裂，大量喷涌而出的地下水与泥浆迅速将整个斜坑填满，从27日凌晨1点15开始，共有约3400吨地下水和7000立方泥浆从斜坑口喷出，整个过程持续了10分钟之久。然后坑内水位开始下降，至27日早晨7点30分，下降到距坑口200米处。不过从下午3点开始，坑内水位再度开始上升，到9月30日上升到距坑口110米处，且水位仍有继续上升的趋势。然后经过长时间的抽排水之后，总算将斜坑的喷水量稳定到了每分钟7吨的程度，之后对布满整个斜坑的泥浆进行了清理，并重新对小野上北斜坑坑底进行了地质勘查，结果在坑底附近发现了一片巨大的地下水带。事故诱因就是因为斜坑施工作业引起地下水的异常流动，水压过大导致坑底结构破裂。但是因为其他工区进展缓慢，所以中山隧道项目组仍未放弃小野上北斜坑，要求施工方绕过地下水带继续挖掘作业。此次异常透水事故，导致整个小野上北斜坑停工达一年之久。1975年11月，绕过地下水带的新斜坑挖掘作业开始，不过很快施工方就发现困难重重。老斜坑的喷水量开始下降，转而大量从新斜坑中喷出。到1976年7月10日，新斜坑从分叉点向下挖掘了187.5米之后，一直密切注意周遭地质变化的施工方发现喷涌而出的地下水再度变得污浊起来，且在急剧恶化之中。于是当机立断完全停止了新斜坑的挖掘作业。事已至此，中山隧道项目组不得已只能完全废弃了小野上北斜坑。
第二次地质调查与计划的变更
因为1974年小野上北斜坑作业过程中突发的严重透水事故，于是中山隧道项目组大范围选取了70个采样点重新钻孔调查。结果发现小野上北斜坑、四方木垂直竖井以及主隧道部分区间所处范围是一片仅形成于数百万前尚未凝结的八木沢砾岩层，而不是之前调查的形成于3000万年前结构稳定的猿ヶ京堆积岩层。然后因为小野上北斜坑的废弃以及四方木垂直竖井与高山垂直竖井的进展缓慢，于是中山隧道项目组适时调整了原计划，大幅增加了小野上南工区与中山工区的作业范围。
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小野上南、中山与名胡桃工区概述
颇费周折的竖井作业完工之后，紧随其后的就是负责主隧道挖掘的6个工区的作业。这其中进展最顺利的是名胡桃工区，同时这也是所有工区中唯一按时完工的工区。中山工区因为中山垂直竖井作业的顺利结束，是中间三个工区中最早进场的工区。然后中山工区与小野上南工区都分别因为小野上北斜坑的废弃、四方木垂直竖井以及高山垂直竖井的进展缓慢而导致自身的作业长度被大幅拉伸。最后虽然这两工区作业过程中也都分别碰到了隧道变形与地下透水等各种问题，不过相比起四方木与高山工区，二者施工过程整体仍算比较顺利。下图是中山隧道北侧出口，这部分的建设划归名胡桃工区负责。同时从下图也可一窥一洞双线结构的中山隧道。
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一波三折的四方木与高山工区
四方木透水事故
四方木垂直竖井大幅落后于原定计划于1977年11月30日方才结束各项作业，然后于12月即开始了四方木工区所属主隧道的挖掘作业。因为已经知道有八木沢砾岩层存在的事实，于是施工方通过大量挖掘迂回调查坑道的方式，对四方木工区的周边地质情况进行了一个彻底调查。然后计划通过实施注浆堵水作业将八木沢砾岩层的山体结构稳定下来，以便主隧道的顺利掘进。于是1979年四方木工区开始在下图注明的注入作业点向八木沢砾岩层中注入大量凝水凝砂材料。结果没想到3月18日在下图所示事故点爆发透水事故，到晚上21点40分，异常透水量达到每分钟80吨的程度。然后四方木工区投入大量人力物力进行抢险，最多时共有51人参与其中。不过透水完全不受控制，到晚上23点所有抢险努力均宣告失败，同时整个四方木工区危在旦夕，所有抢险人员于23点45分开始撤离，结果因为动力系统故障，一番折腾之后于次日凌晨0点25分才乘坐逃生电梯仓皇撤离到地面。截止次日3月19日早上8点35分，一夜之间共有3万5千吨地下水从事故点喷涌而出，将整个四方木工区完全淹没，最夸张时水位距离四方木竖井井口仅仅只有125米。八木沢砾岩层的恐怖由此可见一斑。
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下图是四方木垂直竖井遗址，正中就是当时抢险人员紧急撤离时使用的电梯。正常隧道作业时，工作人员就是乘坐该电梯往来于地面与地下。
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第一次更改线路与高山透水事故
四方木透水事故发生之后，连续进行了整整6个月的抽排地下水作业，并对出事地点附近的山体进行了注浆堵水作业，最终于1980年2月末才完全恢复了整个四方木工区的正常运转。并在地下与北边的高山工区联成一片。然后中山隧道项目组经过慎重考虑，将原本直线通过四方木工区的设计改为以一定的弧线穿过。使得通过八木沢砾岩层的隧道区间长度从780米减少到280米。另一边同时在进行的高山工区则在施工过程中探明发现其靠近四方木一侧有一小块八木沢砾岩层，因为其宽度较小，中山隧道项目组决定通过实施注浆堵水作业稳定该处山体结构，主隧道仍从该处穿过。于是高山工区即通过迂回坑道对该处山体进行凝水凝砂材料的注入作业。1980年3月7日，正在进行注入作业的高山工区发生透水事故（下图右上角），紧急结构补强作业之后，透水仍未减弱，于次日3月8日达到每分钟40吨的程度，之后更于3月9日暴增到每分钟110吨。由于四方木工区与高山工区在地下已经完全联通，喷涌而出的地下水瞬时将两个工区再次淹没。
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第二次更改线路
第二次透水事故发生之后，经过近5个多月的抽排水作业，一直到1980年8月末，方才将两个工区恢复到正常运转。连续两次在八木沢砾岩层发生的透水事故让中山隧道项目组变得愈发谨慎起来，于是再次调整了线路计划，四方木工区内主隧道走向调整为一条更为弯曲的弧线，仅在下图左侧部分穿过八木沢砾岩层，而高山工区则维持原来横穿八木沢砾岩层的设计不变。
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然后中山隧道项目组将原本在山体内部进行的注浆堵水作业转移到在地面上进行，并紧急从全日本抽掉了大量的钻井设备，在距离主隧道300多米高的山顶部，针对两处穿越八木沢砾岩层的挖掘区段实施了高强度的凝水凝砂材料注入作业。最高峰时，有近90台钻井设备同时作业。下图中颜色各异的柱子就是当时从全日本各地紧急抽调而来正在进行注入作业的钻井设备。
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最后
中山隧道是日本建设史上施工难度极大的几个隧道工程之一。施工过程中出现的种种突发问题，归根结底都是因为事前的地质调查不仔细，不充分引起的。同时中山隧道的建设也引起了日本新干线建设的反思，就是不能一味的追求最短距离，最快通过速度而不考虑风险。在复杂地质条件下施工时，适当的采用曲线绕行也是必要的。上越新干线开通运营之后，中山隧道内部仍有高达54吨每分钟的地下水涌出，由于中山隧道北高南低的特点，因此有近30吨涌水在重力的作用下自然排放到隧道南侧的吾妻川。同时由于隧道导致地下水非自然涌出，造成附近地表水位下降严重。中山隧道项目组保留了原来四方木和高山垂直竖井的抽排水设备，同时还在别处多架设了几组，以便将地下水抽排上来以补偿地表水的损失。下图是中山隧道南侧出口，因紧挨着吾妻川的缘故，所以中山隧道在这里直接与桥梁相连。桥梁左侧柱形建筑就是往吾妻川进行放水的排水塔。
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参考资料
未经允许不得转载：日本地铁 » 日本高铁建设中踩过的那些坑之中山隧道连续透水事故
