泰晤士河穿越倫敦，緩緩地向東流淌，其間蜿蜒地以U形路線繞過一片被稱為愛犬島的土地。19世紀時，這片土地曾是全世界最繁忙的碼頭之一，但到了20世紀80年代，這里卻已經沒落成一片工業(yè)廢墟。直到最近，隨著大規(guī)模的二次開發(fā)，這里又再度興盛，被人們稱為“金絲雀碼頭”，一座座有著耀眼玻璃外墻的高樓大廈拔地而起，使這里成為一個全新的全球金融中心。也是在這片土地上，在北部碼頭幽暗渾濁的水下，坐落著倫敦最新鐵路系統(tǒng)內規(guī)模最大 且最先進的車站。這一最新鐵路系統(tǒng)被稱為橫貫城鐵（Crossrail）
預算達148億英鎊的橫貫城鐵項目是目前歐洲規(guī)模最大的工程項目。自2009年開始建造以來，該項目已經在倫敦市中心地下挖掘了42公里的隧道。未來，這張地下鐵路網(wǎng)將載著乘客在城市東西兩端之間高速穿梭。橫貫城鐵共設有40個車站，其中10個須全新建造，這些車站會把橫貫城鐵與目前已在使用中的英國國家鐵路和倫敦地鐵線路連接在一起。首列橫貫城鐵列車將在2017年開始運行，在2019年實現(xiàn)全線貫通后，預計每年運輸乘客將達到2億人次。
隧道挖掘工作在2015年5月完工，引發(fā)了不小的轟動。但橫貫城鐵絕非只是挖掘工作，該項目一直以來都是各項創(chuàng)新的孵化平臺。整個城鐵網(wǎng)絡完全在3D虛擬環(huán)境下設計完成；一旦該鐵路系統(tǒng)完工并投入運行，管理人員利用一臺平板電腦，就可通過該3D模型來監(jiān)測整個網(wǎng)絡中無數(shù)的電氣元件和系統(tǒng)。“我們建設了兩條鐵路，一條真實的鐵路，一條虛擬現(xiàn)實的鐵路。”橫貫城鐵項目的機械、電氣和公共衛(wèi)生負責人瑞斯?威廉姆斯（Rhys Williams）如是說。他表示，他的目標之一是，展示出如何利用智能設計和最新的技術實現(xiàn)更加安全、運行更順暢、維護成本更低的交通網(wǎng)絡。因此，橫貫城鐵的所有組成部分（自動扶梯和升降機、照明、通風、通信和列車本身）都是按照降低能耗、提高安全性和簡化運行的宗旨進行設計的。
目前，該項目已成為英國其他交通網(wǎng)絡的標準，并已成為多項可顛覆大型工程的數(shù)字技術的測試平臺。“采用的所有技術都是為了提高橫貫城鐵項目的智能化水平，其中許多技術都屬于首次應用。橫貫城鐵是一條真正的數(shù)字化鐵路。”擔任項目顧問的羅伯特?梅爾（Robert Mair）如是說，他也是英國劍橋大學土木工程和環(huán)境工程系的系主任。
去年10月，我第一次參觀了橫貫城鐵的金絲雀碼頭車站。車站的主體建造工程已在1個月前完成，整座車站如同一個巨穴狀的原始貝殼。從外面看，帶有優(yōu)雅曲線的木制棱格房頂像船頭一樣高高凸起。而在車站內部，四處都是閃亮的大理石地面和光滑的金屬，幾乎沒有人影。接下來的工作將包括安裝檢票口、站臺門，以及一座大型交通樞紐所需的其他一切附屬裝置和配件。
然而，今天的售票大廳看上去更像一個舞廳。“你有沒有想過在這里舉辦個聚會？”我問威廉姆斯。結果我被告知，其實，就在售票廳正式完工后的第10天，倫敦《旗幟晚報》便在這里舉辦了一次引人注目的盛大活動，即本年度“1000名最有影響力人物名單”發(fā)布會慶典，旨在對倫敦這座城市的推動者和變革者進行表彰。（“名單里沒有工程學這個類別。”威廉姆斯嘆了口氣說。）活動當天，《旗幟晚報》不僅搭起了吧臺，請來了合唱團，還在天花板上懸掛了1000多個光芒璀璨的燈球。
對于歷史愛好者而言，這次聚會不由讓人想起了近兩個世紀之前，就在離這里只有兩公里的地方，舉辦了一次隧道挖掘慶祝活動。1827年11月，總工程師馬克?布魯內爾（Marc Brunel）和他的兒子伊桑巴德（Isambard）特地舉辦了一次宴會，以提升公眾對于已經部分完工的泰晤士隧道（由他們領導修建）的信心，當時的泰晤士隧道即將成為第一條修建在大型河流下方的交通隧道。該隧道最初只供行人通行，后來又向火車開放，直到今天，仍有火車從此隆隆通過。與橫貫城鐵一樣，泰晤士隧道也是一個工程奇跡。在建造過程中使用了老布魯內爾設計的三層鑄鐵結構的隧道支架，可在防止地面坍塌的同時讓工人們在裸土中挖掘作業(yè)。如果天氣好，工人們一天可向前挖掘30厘米。
相比之下，橫貫城鐵項目中有8臺大型隧道挖掘機，每臺都配有一個直徑7米的刀盤，平均每天可掘進38米。在聯(lián)合作業(yè)時，這些機器可挖掘出600萬噸土壤，挖掘作業(yè)深度達40米，并在挖掘過程中采用混凝土襯砌環(huán)來加固新挖隧道。
所有這些新的隧道和車站將為早已不堪重負的倫敦運輸系統(tǒng)緩解壓力。在過去的一個半世紀里，倫敦地下鐵路網(wǎng)絡（即人們所熟知的“倫敦地鐵”）的擴展大大帶動了倫敦郊區(qū)的發(fā)展，并幫助建立起了一條散亂延展的通勤帶。今天，倫敦這座城市的人口已經達到860萬，并且每年還有10萬新增人口。與此同時，一臺臺起重機和一座座新辦公樓還在不斷吸引更多的人前往倫敦中心謀求發(fā)展。
來來往往的交通流量讓道路擁塞不堪。倫敦402公里的隧道和地上線路以及270座車站每年迎送超過13億乘客。乘客常常要在整個旅途中忍受悶熱和擁擠。
最近才開始在雷德布里奇區(qū)的議會工作的馬克?盧卡斯（Mark Lucas）表示：“鐵路系統(tǒng)催生了倫敦周邊的郊區(qū)。但是，只有在能夠順暢連接倫敦市中心以及周圍地區(qū)的情況下，郊區(qū)才能繁榮發(fā)展。”雷德布里奇區(qū)位于倫敦東北部，這里目前共有4座橫貫城鐵的車站正在建設之中。
盡管對于橫貫城鐵的需求早在很久之前就已明確，但建設意愿卻遲遲未能形成。橫貫城鐵的設計師威廉姆斯表示，對于一座擁有2000年歷史并且已經修建了大量地下基礎設施的城市而言，再建造這樣一個大型的地下項目是一項需要下大力氣的壯舉。同時，他也深知這個項目幾乎不容許發(fā)生任何錯誤。與辦公樓不同，如果在橫貫地鐵完工后才發(fā)現(xiàn)缺少某些系統(tǒng)，緊湊挖掘的隧道和地下車站將無法再容納太多的額外設備。“我們只能修建一次，必須保證一次成功。”威廉姆斯如是說。
為了確保一次成功，橫貫城鐵的設計者和工程人員們大量地依靠計算機3D建模。早已在石油行業(yè)、汽車和航空航天制造領域廣泛使用的這項技術也已開始在民用建筑領域興起。
橫貫城鐵模型實際上是由超過25萬個小型模型構成的，這些小型模型被匯集在一個數(shù)據(jù)庫中，并與另外一個數(shù)據(jù)庫相連。與之相連的這個數(shù)據(jù)庫中包含了有關橫貫城鐵的所有設施（從1瓦特的LED燈泡到發(fā)生火災時用于抽出濃煙的大型風扇）的一切數(shù)據(jù)和文件，同時還有當前正在進行的一切工作的詳細說明。總體而言，空間數(shù)據(jù)共占用了若干太字節(jié)的容量，目前已有的相關文件另占用了5太字節(jié)的空間。威廉姆斯說：“我認為，在此之前，世界上任何地方的建筑信息建模都未曾達到如此規(guī)模。”
對于上千名正在為橫貫城鐵項目工作的承包商和顧問而言，該模型可以為他們提供同一套數(shù)據(jù)，因此極大地節(jié)省了時間和金錢。這種安排有助于減少兩家承包商之間經常出現(xiàn)的不一致現(xiàn)象。承包商也可對模型中自己負責的部分進行更改，經過審議之后，這些變動將加入主模型。橫貫城鐵的技術信息負責人馬爾科姆?泰勒（Malcolm Taylor）表示，他過去參與的一些項目都要使用多種方法來追溯相同的信息。“我們拋棄了所有不需要的軟件。如今，我們需要的所有信息都存在一個位置。”泰勒說，“這樣每年可節(jié)省出數(shù)百萬英鎊。”
若某處的施工完成，團隊可以使用一臺旋轉激光掃描儀開展“點-云測量”作業(yè)。激光掃描儀可以發(fā)射出連貫的光束，并捕捉到來自周圍數(shù)百萬個點的反射，從而為此處生成一幅極其精準的3D建筑物圖像。這一地面實況數(shù)據(jù)將同虛擬模型進行比較。如果匹配結果的誤差在1厘米之內，模型就會按照激光測量數(shù)據(jù)進行更新。泰勒表示，如果出現(xiàn)罕見的失配情況，可能就意味著施工存在一個需要修復的問題。
橫貫城鐵投入運行后，該模型還將作為一項重要的工具，用于追蹤和管理橫貫城鐵的眾多系統(tǒng)。例如，每個車站都有計算機控制的照明系統(tǒng)，當相應區(qū)域內無人時，照明會自動暗下來；當設備需要換燈泡時，系統(tǒng)會發(fā)出警報。此外還有一套監(jiān)控應急設備的系統(tǒng)。與此同時，攝像頭將用于監(jiān)控通道內乘客的移動情況。如果在高峰時段通道內乘客移動的速度非常緩慢，系統(tǒng)便會自動引導乘客前往其他通道。
所有這些數(shù)據(jù)都將以無線的方式傳送到基站，然后再通過高速光纖鏈路傳輸?shù)轿挥趥惗貣|北部的橫貫城鐵控制中心。在虛擬模型中查看這些信息的管理人員可以將所感興趣的區(qū)域放大，然后查看某個具體組件的運行和維護記錄。他們還可以通過一臺平板電腦訪問模型。“我們正在為他們提供一種前所未有的體驗——在iPad上查看維護手冊。”威廉姆斯如是說。
iPad中的模型甚至還擁有一個增強現(xiàn)實界面。比如說，工人可以將iPad立起并對準車站的一面墻，然后便可以看到墻體內部鋪設的電線和管道的虛擬圖像。墻壁的圖像正是iPad攝像頭所拍到的真實景象；而墻體后面的圖像則是由模型根據(jù)GPS（在可用的情況下）和藍牙所確定的iPad坐標生成的。這項方便易用的功能可避免在鉆孔作業(yè)過程中意外切斷電線，確保在進行現(xiàn)場實際操作之前準備就緒。
團隊還利用一套地理信息系統(tǒng)創(chuàng)建了“橫貫城鐵地圖”，橫貫城鐵的員工可借此在地圖上查詢倫敦的某個具體地點，然后迅速了解該地點的橫貫城鐵的設備狀況。泰勒解釋道：“我們可以先點擊某個車站，然后再點擊一個特定的空間，例如某一個房間。由于我們建造的每個設備都擁有一個x、y、z坐標集，因此我們可以從另外一個相聯(lián)的數(shù)據(jù)庫中訪問該房間內的所有設備，并獲取每個設備的全部信息。”過去，確定一個設備的位置意味著要在建筑圖紙和歸檔手冊中逐一尋找。“之前需要花費好幾分鐘、有時甚至是幾個小時的作業(yè)，現(xiàn)在只要幾秒鐘便可完成。”泰勒說。
與古老的倫敦地鐵網(wǎng)絡中行駛的短小狹窄的古老列車不同，橫貫城鐵的列車均是最新型的全尺寸列車，每列列車一次最多可容納1500人。因此，與倫敦地鐵相比，橫貫城鐵的車站站臺相對更長，隧道也更寬。
修建這些直徑7.1米的隧道是項極具挑戰(zhàn)性的工作。由于土壤沉降與隧道直徑的平方成正比，因此工程人員必須想辦法防止地上的建筑物發(fā)生下沉或傾斜。為此，橫貫城鐵的工程人員采用了一項被稱為補償灌漿的技術來保護這些建筑物。補償灌漿技術最早由位于倫敦的公司——巖土工程咨詢集團——在20世紀90年代開發(fā)出來。這家公司的聯(lián)合創(chuàng)始人之一是劍橋大學的羅伯特?梅爾（Robert Mair）。進行補償灌漿作業(yè)時，首先要在隧道挖掘處的正上方鉆出一些呈扇形分布的小口徑灌漿井，然后在灌漿井里裝上可以灌入液體水泥的管道。在地面上，工人們在四周的建筑物上安放光學棱鏡，然后在棱鏡間安裝可以反射激光波束的測量儀器——經緯儀，這樣就可以在隧道挖掘過程中監(jiān)測建筑物的準確位置。如果建筑物發(fā)生移動，激光波束會偏離校準直線，工人們便會立即向管道中注入水泥，以強化周圍地面支撐。值得注意的是，在挖掘過程中，沒有一座建筑物發(fā)生損毀。“這些巨大的隧道的確是在數(shù)千座建筑物下方建造完成的，同時這些建筑物都得到了較好的保護。”梅爾如是說。
建筑工程人員還利用激光引導系統(tǒng)控制隧道挖掘機器順利穿過橫貫城鐵網(wǎng)絡中最狹窄的位置——托特納姆考特路站。在這里，已經有兩條地鐵線路在縱橫錯雜的管道、線纜和下水道之間相互交匯。然而，體型巨大的挖掘機還是設法打通了另一條狹窄的通道，通道和下方的站臺隧道之間只有85厘米的間隙，而距離上方的自動扶梯也僅有35厘米。
在施工過程中，憑借著并不昂貴的無線傳感器和光纖電纜，工程人員們得以對隧道、豎井和車站的情況進行監(jiān)測。梅爾及其在劍橋智能基礎設施和建設中心（CSIC）的同事們共同開發(fā)了一款實時監(jiān)控技術，該技術可以幫助他們評估隧道外壓等因素。梅爾的團隊將價格低廉的光纖嵌入水泥墻體之中；光纜上的散射光可以體現(xiàn)出光纜所承受的壓力。梅爾表示，這些監(jiān)測結果可以幫助判斷隧道建造的強度是否高于實際需要。這些信息有助于降低未來的設計成本。
與此同時，一家名為UtterBerry的CSIC衍生公司一直在利用橫貫城鐵開展低功率無線傳感器測試。這種傳感器可以監(jiān)測壓力、溫度、濕度以及建筑作業(yè)的眾多其他信息。無線傳感器用于施工作業(yè)已經有20多年的歷史了，但這些傳感器通常比較重，多為1千克或更多，電池電量也只能使用幾周而已。而UtterBerry開發(fā)的一款傳感器重量僅為15克，一次充電便可使用1年以上。理論上，一名工程人員可以一次性隨身攜帶數(shù)百個傳感器，并在一天之內將它們全部安裝在隧道里。
CSIC的博士生海芭?貝文（Heba Bevan）在一個課堂項目上設計出了這款小型傳感器。她說，與傳統(tǒng)傳感器不同的是，UtterBerries傳感器只在需要時收集讀數(shù)，并使用ARM Cortex處理器進行原始數(shù)據(jù)運算。例如，通過追蹤溫度和濕度的變化情況，傳感器可以計算得出天氣因素導致水泥板材發(fā)生膨脹或收縮的程度；任何超出季節(jié)性變化的膨脹或收縮都將需要開展進一步的調查。而且如果某個UtterBerry傳感器檢測到不同尋常的振動或是一些其他異常，該傳感器可以通知區(qū)域內的其他傳感設備提高取樣率，以便提升所收集數(shù)據(jù)的整體質量。
UtterBerry為橫貫城鐵開展的首個項目開始于2012年，在此之后的第2年，貝文便成立了自己的公司。目前，公司里的5名全職工作人員剛剛贏得了一份合同，為另外一個英國大型建設項目提供為期1年的傳感器監(jiān)測。
“通常情況下，規(guī)模較小的公司很難參與到施工作業(yè)之中。”貝文說道，“但橫貫城鐵真正起到了很好的引導作用。”她相信，在未來的橋梁、建筑物或隧道建設中，傳感器將不會在完工之后才被追加安裝上去，而是從一開始便融入到設計中，在建造到拆除的整個周期內提供全程監(jiān)測服務。
站在金絲雀碼頭站的站臺上，來自地下深處隧道的敲擊和鉆孔的噪聲不絕于耳。不久之后，一臺可移動的龍門吊車會將鋼軌安放在枕木上面，隨后一列長465米的“水泥澆筑”列車將負責向枕木周圍澆灌水泥，將一切固定到位。在此之后，另外一列列車將前來安裝高壓電纜，為隧道內部和周圍供電。這些列車可從25千伏的架空電線中獲取電力，因此可以在橫貫城鐵和地上鐵路系統(tǒng)之間無縫行駛。
金絲雀碼頭站的站臺上，一座座自動扶梯平穩(wěn)向上爬升，它們看起來與傳統(tǒng)扶梯沒什么不同，實則不然。在倫敦地鐵沿線，仍有一些車站還在繼續(xù)使用那些年頭很長、耗電量較高的扶梯，這些扶梯故障頻繁，修理改裝動輒需要數(shù)月時間。而橫貫城鐵的自動扶梯更多地采用現(xiàn)成可替換零件，能夠縮短維護時間。同時，由于這些零件的加工和成型工藝借鑒了飛機制造業(yè)，它們也比傳統(tǒng)零部件輕很多。
金絲雀碼頭站于2018年底開通后，每天將有約8.5萬人乘坐自動扶梯上上下下。在橫貫城鐵的利物浦大街站和法靈頓站，自動扶梯旁邊甚至還安裝了沿30度傾角升降的裝有玻璃外墻的電梯。威廉姆斯介紹說：“這樣，傾斜電梯內推著嬰兒車的媽媽便可以看到乘坐自動扶梯的大孩子向自己揮手了。”
威廉姆斯補充道，目前已經有多部傾斜電梯在歐洲和美國投入運行（例如弗吉尼亞州亞歷山德里亞市的惠靈頓地鐵站），但橫貫城鐵是英國第一個使用傾斜電梯的項目，并且為此類電梯的安裝設定了相應的英國標準。威廉姆斯的團隊還說服了倫敦地鐵的工程師們采用這項技術。去年10月，倫敦地鐵的格林福德站成為首個擁有傾斜電梯的車站。威廉姆斯說：“幾年之前的主流態(tài)度還是‘我爺爺并沒這么做’，不過現(xiàn)在人們已經開始擁護支持這些成果了。”
回到威廉姆斯的辦公室，我問他，隨著這個大型工程進入最后階段，還有什么問題沒有解決嗎？答案是，還有很多。盡管目前大部分施工作業(yè)已經完成，但橫貫城鐵的很多方面還沒有形成最終一致的設計方案。原因在于，建造如此龐大的地下建筑，意味著具體的“精裝修”設計只能在外觀空間相對明確之后開始進行。
威廉姆斯指了指摞得高高的紙堆，笑著說：“這些都是。”他拍著其中一疊補充道：“這些是伍爾維奇站的（設計方案）。材料才剛剛送到，所以我們還沒開始對設計方案進行審議。”他希望剩余的設計方案審議工作能夠在7月底之前完成，這樣這些車站的精裝修工作便可以盡快開始。“現(xiàn)在，橫貫城鐵項目中我們真正完成的部分只有研究院。”威廉姆斯補充說道。
他所說的研究院便是位于伊爾福德的隧道挖掘和地下施工研究院，該研究院開設于2011年，為1萬多名參與橫貫城鐵隧道施工的人員提供相應培訓。一直以來，橫貫城鐵的隧道和車站成為數(shù)百名年輕工程師們寶貴的實踐場所。在這些年輕工程師中，許多人還將繼續(xù)為橫貫城鐵2號線工作，這條縱貫南北的“孿生”線路預計將在2020至2030年間施工建造（如果獲得批準的話）。威廉姆斯相信，從橫貫城鐵項目中總結得出的經驗有助于推動這個未來項目更加順利地開展。
盡管橫貫城鐵尚未開通，但這一新鐵路系統(tǒng)已經贏得了一些關鍵人物的青睞。曾在去年競選倫敦市長的著名交通記者克里斯蒂安?沃瑪（Christian Wolmar）一直反對某些大型基建項目，但他對橫貫城鐵項目表示支持。他曾批判連接倫敦、伯明翰、曼徹斯特、利茲的英國擬建高鐵線路HS2是一個“選在錯誤地點的錯誤方案”。然而，當被問起對橫貫城鐵的意見時，沃瑪話間卻全是抑制不住的熱情。
“這是個顛覆性的項目，”沃瑪說，“它帶來的影響將是巨大的。人們將成群結隊地涌入橫貫城鐵。”
與此同時，隨著橫貫城鐵的開通日期日漸臨近，威廉姆斯和其他工作人員都在繼續(xù)推進各方面的工作。他們希望自己的努力成果能成為一項可傳承后世的寶貴工程遺產。“我們并不是在為了2019年12月的橫貫城鐵全線貫通而開展建造工作。”威廉姆斯說道，“我們放眼的是120年后的未來。”■
作者： Mark Peplow