京张铁路隧道修建技术探析*

段海龙

(内蒙古师范大学 科学技术史研究院，内蒙古 呼和浩特 010022)



京张铁路隧道修建技术探析*

段海龙

(内蒙古师范大学 科学技术史研究院，内蒙古 呼和浩特 010022)

京张铁路是我国第一条完全由中国人自己设计并施工完成的干线铁路，以工程艰巨、建设质量好、建设投资少、修建时间短享誉中外铁路工程界.隧道的测定与开凿是京张铁路工程中最为艰难的工程.京张铁路共开凿4条隧道，采用传统的开凿办法，并加以创新与尝试，如期保质保量地完成了任务.文章通过解读文献史料，从定线、开挖、加固及材料的使用等方面，探究了京张铁路工程中开凿隧道的技术细节.

京张铁路;隧道;铁路史

众所周知，京张铁路是我国第一条完全由中国人自己设计并施工建造的干线铁路，其工程难度之大，为当时国内外工程师所共知，对工程的处理也为业界同行所折服，尤其是在南口至岔道城之间隧道设计与人工穿凿，最为艰巨也最为世人称道.在当时既不借助外国工程师的帮助，也不采用当时的先进器械，完全靠人工开凿，在预期内完成，实属一项伟大的工程.对于该段铁路中隧道的开凿，相关史料已有初步整理[1]，但详细的开凿过程鲜有过系统的论述.本文拟以史料为主要参考，对京张铁路工程中隧道开凿过程以及其中技术细节做一探析.

1 京张铁路隧道的修建条件与困难

京张铁路始建于1905年(清光绪三十一年)，在英俄两国的角逐对弈中，清政府获得了首次“自主”修建干线铁路的权利.在袁世凯的举荐下，詹天佑被委以重任，担任京张铁路的总工程师.

自主修建，实则技术封锁.按照协议，京张铁路建筑经费须由国内自筹，不得借贷外资，所有工程技术人员都只能雇用华人.其实，英俄两国妥协的重要原因之一，即认为当时的中国没有足够的工程技术人员来修建工程难度非同一般的京张铁路.英国铁路工程师金达(C.W.Kinder)，当时已经在中国主持修建了多条铁路，他通过对京张铁路路线进行实测，认为京张路线难度很大，尤其是跨越八达岭一段.金达认为，“中国人不能承担开挖隧道的工程，因为中国人缺乏压缩空气机械设备以控制地下水，因而必须采用外国包工.”[2]85-87因此国内外都有人扬言“修建京张铁路的中国工程师还没出生”是有根据的.

资金和工期决定了京张铁路路线的选择.从北京到张家口，大致有南线、中线、北线三条路线可选.1905年5月，詹天佑带领徐文泂、张鸿浩二人开始实地勘测京张路线[3]3.詹天佑等工程师经过多次测勘，放弃了“丰沙线”(丰台——沙城)(新中国成立后新建的京张铁路的一段)，原因是该线路程远、需要开凿的隧道太多，不符合当时工程期限和资金投入.经过反复勘测，在有限的经费、时间条件下，詹天佑还是选择了南口、岔道城一线.其中南口到岔道城一段要穿过崇山峻岭，需要开凿隧道，工程难度最大，勘测过程最难也最为烦琐.詹天佑对勘测该段路线的情况记录为“仰视则迢遰百寻，下临则峥嵘千仞.使用仪器，几无立足之地”[3]34.

为降低坡度，增设居庸关隧道.根据初测情况，京张铁路全线需要开凿三个隧道[2]191-194，都处于南口至岔道城之间，即五桂头(也作“五贵头”)、石佛寺和八达岭3处.这是1906年时测定的情况.但在1907年前后，在具体施工过程中发现，铁路途径的居庸关处天然坡度为二十八九分之一，超出了当时火车行车坡度的极限，之后“线经数易，绕行该处东沟，添凿山洞，线可绕长六百余尺，则坡度可勉作三十分之一.为山势所限，路线不能再行绕长，即坡度不能再行作好.”詹天佑1907年2月16日给邝孙谋的信中提及，“在居庸关对面增加了一座山洞，长约一千二百英尺.”[2]214这样，京张铁路的四个隧道都在南口至岔道城之间，由北京方向出发依次为居庸关、五桂头、石佛寺、八达岭隧道.其中五桂头、石佛寺、八达岭3处皆是计划中的必经之处，居庸关隧道则是为降低坡度增加长度而设.

工期所限，通过选线缩短隧道长度.四个隧道中，八达岭隧道最长，如果按照路线直线穿凿，长度为一千八百多米，詹天佑估测人工开凿需要3年时间，使用先进机器也需要一年时间，这显然是当时条件不允许的.因此，经过陈西林等人的多次勘测，詹天佑决定绕行八达岭东沟两百多米，到达青龙桥，再折出，这样山洞长度就会缩短一半.这就是青龙桥处“之”字形路线的由来(参见图1).

图1 京张铁路路线图

Fig.1 A Route Map of Beijing-Zhangjiakou Railway

注：自《詹公天佑生平志》414页。

除技术性难题，人为因素在特定的历史环境中也会影响技术的选择，实际上增加了工程难度.京张铁路路线的选择，是工程师们反复实地勘测几经比对后决定的.单从技术角度讲，该条路线的选择与一些具体的处理方案不是最佳的，詹天佑本人在之后的记录中也有表述.在1910年5月6日给颜德庆的信中詹天佑说，“我也认为，采用螺形环山线(Loop)比采用之字线更为优越，无论何时何地，只要有可能时，均系如此”[2]281-283.之所以做出如此方案，是受当时时间和经费所限.也有这样的说法：詹天佑向庆亲王呈上南口段的设计时，提出两种方案，一为易于爬越南口的环形道，一为直接顺行的直爬道.庆亲王答复，对于坡度他一无所知，只知道政府要求修建一条京师直达张家口的铁路，而不能转弯.[4]

隧道的设置受限于路线的选择，隧道开凿工程的难易决定了整条路线的建设进度.北京至张家口之间，重峦叠嶂，任何路线的选择都不可避免要穿凿隧道，詹天佑选定的路线是隧道长度较短的.尽管如此，由于地理位置与地质条件的原因，隧道的开凿在京张铁路修建中仍然是最为艰难的.再加上当时经济、技术条件，隧道成为了京张铁路工程中世人最为关注的重点.

2 隧道开凿技术的实施

由于列强将修建铁路作为经济、军事入侵中国的重要方式，因此在京张铁路之前一直把持着中国铁路的修建权与经营管理权，中国工程师尚无独立主持整条干线铁路的建设与管理的经历.以詹天佑为例，1881年由美国耶鲁大学学成归国后，被派往水师学堂学习、执教，1888年才投身于铁路建设事业.1888至1905的18年间，詹天佑曾在多条铁路工作，但只是主持过分段铁路的修建.在工程技术方面，中国铁路工程技术人员相对缺乏开凿隧道的技术，尤其缺少使用先进机械的经验.连詹天佑本人也“在这方面缺少经验，只是在关外铁路修过锦州以后，曾开挖山岭山洞，凿进400英尺长，略有些经验，但由于中日战争的影响，未能竟工”.[2]187在开凿京张铁路隧道的过程中，詹天佑拒绝日本人参与开凿隧道的“善意”，又为节省机器成本不愿高额购进先进机械[3]7.因此京张铁路隧道的开凿，既无国外先进技术的支持，又无先进机械的可用，更无经验可谈，而面对的施工对象是外国工程师都认为异常艰难的工程.但就是在这样的条件下，京张路人在詹天佑等工程师的带领下，借助简单的工具、使用传统的方式，通过大胆的尝试和技术引进，保质如期地完成了隧道的开凿工程.

2.1 定线方法

隧道路线的确定，首先要将其置于整条路线当中，尽量取直以减少隧道及路线长度，这样既节约了施工时间与费用，又降低了车辆运行成本.就隧道本身而言，要选择在山岭的最狭窄处，尽量缩短开凿长度.因此，开凿隧道首先要确定隧道的两端开口处，既要先勘测定线.但在实际操作中，各隧道的定线又要因势而变.

在京张铁路的4个隧道中，居庸关隧道的选线，最为烦琐.在居庸关对面，为了减小路线坡度，需要延长路线，地势条件决定通过开凿隧道才能解决.如果按照既定路线直接水平开凿，途经路线不仅会涉及大量民宅，而且需要培高地基.为了解决这些问题，詹天佑决定在进入隧道之前，铁路线先绕行一段，并通过一座斜桥，使路线提高18米到达山腰，这样不仅缩短了隧道长度，还缓减了路线坡度(图2).

因此，居庸关隧道不是水平开凿的，而是有一定坡度的(图3).

确定隧道两端的洞口(如图4所示)，首先要勘察到山岭最狭窄一处，之后登上山顶(图中“地”点)，先确定隧道的方向，由“地”点沿隧道开通方向向一方寻找“人”点；同理向另一侧方向寻找“天”点，使“天”、“地”、“人”三点一线，即为隧道开通方向.这条线上与山岭两端相交处“丙”“丁”两点就是隧道的两端.这是竖直方向定线.水平方向，由于居庸关隧道不是水平的，因此需要确定各处高度差，绘制成图.以上过程都需要借助“经纬仪”来完成.经纬仪是工程勘测中常用的测量仪器，由英国机械师西森(Sisson)约于1730年首先研制.它根据测角原理设计，用来测量水平角和竖直角，并依此确定水平和竖直坐标.

注：图2中箭头方向为“北”，粗线为居庸关隧道，自绘.

图3 居庸关隧道路线剖面图

注：黑色部分是山洞部分.

图4 开凿居庸关隧道的定线示意图

2.2 竖井开凿法的使用

为了加快开凿隧道的进程，一般选择两端同时开凿.如果隧道太长，则在山岭低谷处另开竖井，以增加开凿工作面.在京张铁路四个隧道中，只有八达岭隧道采取了竖井开凿(图5).居庸关隧道因为山顶距离隧道太高，两相比较并不适宜，因此并未采用竖井开凿法.

图5 竖井开凿法示意图

八达岭隧道是京张全路工程最为艰巨的一段.1906年4月，有日本人雨宫敬次郎建议袁世凯用机器凿洞，又有英国工程师金达建议用外国人包办，但都被詹天佑拒绝.该隧道难度一是长度问题，二是经过地段石质异常坚硬.中国技术人员既缺乏经验，又无先进机械，在有限的时间内完成，异常艰难.

鉴于八达岭隧道长度问题，詹天佑决定采用竖井法，即在中间开凿两个竖井[13]19-21，造成6个工作面，这样就大大加速了工程进度.竖井开凿也存在一个技术问题，就是要找准井口位置，竖直方向上要使开凿的竖井与要开通的隧道垂直相交，水平方向上井底必须要与隧道地面相平，这样才能高效完成任务.

解决竖直平面的问题，采用的是传统的方法.于隧道中部山谷较低处，在隧道方向上找一点，这并不难.技术的关键是要确定井内隧道的方向，即确定隧道中线.八达岭隧道采取了如下方法：如图6所示，在井口处与隧道垂直方向横置两平行横梁，相距一定距离(八达岭大井直径约为2.7米)，使用经纬仪，找到两横梁上与隧道中线所在竖直平面相交的两点，在这两点上各钉一铁钉.然后由小钉处下垂一条细钢丝，在钢丝的下端系一重锤，使钢丝呈竖直状态.隧道中线就在这两条竖直钢丝构成的平面上.同时，为了使两条竖直钢丝在施工过程中稳定而不晃动，要将铁锤置于水桶中.中线的水平位置，可以通过经纬仪测出.该过程中比较巧妙的是钢丝的利用，使井外的中线移至井内.

在八达岭隧道中开的大井井口直径约3米，深达25.6米，一昼夜可挖井9米多.

图6 井内确定隧道中线示意图

在开通竖井过程中，到达一定深度后，需要在井口架设辘轳，既可以送出井内土石或泥水，也可以送进开凿所需工具，也便于工人上下.另外还需要注意的是，由于井深，中部空气不足，工人在井内开挖隧道时容易缺氧.为此，要在井口处安置扇风机连接洞内铁管，加速井内空气流通.隧道完工后，井口处可以修建通风楼.通风楼既可以遮蔽雨水，又可以起到通风作用.图7为八达岭隧道的通风楼.

图7 八达岭山洞通风楼

注：摄于詹天佑纪念馆图片.

2.3 隧道的开凿与加固技术

穿凿山洞的难度首先在于测定中线，即要使开凿走向与既定路线重合.由于山势起伏、间隔山岭，定测难度较大.另外在洞内作业也要难于洞外作业.但京张铁路的隧道在工程师的精密的测量下，隧道的走向和水平高下非常吻合.

施工工人进入隧道内，关键还是要掌握隧道的中线，即隧道的走向.先根据洞外中线的标杆，向内开挖，进入一段距离后，由经纬仪测出洞内中线的位置，设置标杆.而进入洞中之后的方向就要靠灯光的光线来确定.詹天佑在《京张铁路工程纪略》中记载[3]110：

“先依洞口所定之中橛，向内攻凿.俟已进若干尺后，复移经纬仪于中橛之上，循天人各点之方向，于洞内再定一中点，以长六尺余之白漆杆为标识，用孔明灯之光线反射以显之.洞内中点须精密测定，庶可逐渐循进而无偏差之患.”

山洞截面的开凿顺序各国不尽相同，英美等国先凿上半部分，奥地利等先开凿下部的中间部分.在具体的开凿过程中要视土质如何而定.

八达岭隧道，大多是石质坚硬的花岗岩石，这使得炸药安放也成了问题.为此，工人们首先要在岩石上凿出小坑，用来放置炸药.京张铁路隧道开凿全靠人工使用简单器具，行进十分缓慢.詹天佑在《京张铁路工程纪略》有如下详细记载[3]115-116：

“凿洞工程每端用小工六十名为一班，置监工一人.以四十名为凿工，余二十名为连运土石者.凿工以两人为一排，一人持钢钉，一人持铁锤，轮流施凿.每四小时能凿孔一寸二分深约二尺余.孔既凿成，乃由工头装纳炸药.……每班八小时能轰二次，每一昼夜可开洞二尺至三尺不等.”

由此可见，施工进展非常缓慢.凿一个洞石，需要两个人配合、轮流执锤，四小时才能凿一个孔径3厘米、深约六十厘米的洞，然后才能装置炸药.施工过程实为艰难.

炮眼的方位、大小、深浅、用药的多少皆需要经验掌握.凿炮眼首先要观察石头的纹理，炮眼要从石层斜面凿入，而不能选择纹理处，否则炸药药力锐减.如果石纹杂乱，即在错杂处开凿炮眼.一块巨石往往需开凿多个炮眼，根据石质确定炮眼排列顺序.

在炸药的使用上，詹天佑摸索创新，首次在开挖山洞中使用拉克洛(Rackarock)炸药.该种炸药使用前分为药粉和药汁两部分，药粉每袋约150克，药汁每桶重15千克.使用时先将药粉浸入药汁中，几分钟浸透即可.炸药导火线为细线状，线中间是一根易燃线，线外包一层绝缘油纸.使用时将浸透的药粉放入凿好的岩石洞内，将导火线一端插入炸药中，一端印出洞外，然后用黄土泥团木棒等塞紧将洞眼封死.爆破时点燃导火线即可.拉克洛炸药是当时矿山上常用的炸药，它爆炸力强，性能稳定，既能达到爆破效果，又能更大程度地保证施工安全.

炸药放置的量根据石洞的大小深浅和石质坚硬程度而定，一般的石洞放置一包(约150克)即可.导火线的长度要以节省为主，要长于洞深，既能在点燃后及时爆炸，更要保证点炮人的安全.詹天佑在1906年3月27日致临城煤矿总工程师邝荣光的信中道[2]187：

“为了安全缘故，我们正在使用拉克洛(Rackarock)炸药.我们这里的工人都愿意使用它，这种炸药爆破时无危险，但其爆破力和硝酸甘油炸药相同.”

隧道内岩石情况并不能准确判定，遇到坚硬岩石，需要使用炸药轰炸.遇到松软土质，进展较快，但土质过于疏松，就容易塌方，必须采取加固措施.在居庸关隧道中间一百六十多米的地方，就遇到土质松软，时值雨天，不能使用炸药，只能用方木支撑，小钢轨交错其间，才可以行进，亦避免事故发生.

在八达岭山洞开凿过程中，有一些地方土质非常松软.只能先在山洞上部分开凿一小洞，用枕木架起以免坍塌.之后慢慢向两边开挖，直到达到洞顶尺寸的要求，再筑环拱，这样就不会有坍塌危险，如图8.先用横木架在洞内作为椽柱，再用横木作环拱状支撑.环拱两端均用厚木板隔开，以免沙石散坠.环拱筑好后，再开挖一边，之后修筑地基和边墙，并和环拱相连接；一边做好，再开挖另一边，然后同样建筑地基和边墙.两边都建完毕，再修理水沟.这样就会避免由于土质松软导致的坍塌事故.

图8 开凿隧道支架示意图

2.4 隧道的后期处理技术

隧道开挖完毕，需要做必要的修整.首先是对边墙、环拱及排水道部位做加固等处理.

修筑边墙首先要修筑边墙地基，京张铁路的隧道中，地基一般厚30 cm，支好模型后，灌注一三六水泥混凝土(即水泥、沙、碎石比例1∶3∶6，下同)，混凝土凝固后撤模即成.边墙墙体由片石砌成，以一四洋灰浆胶砌，这样省料而且结实.墙体厚60 cm，高约290 cm.

墙体之上是拱形洞顶.环拱为半圆形，居庸关隧道的拱形内径约为2.3 m，由水泥砖砌成，砖之间的缝隙宽约0.6 cm，用一二水泥浆黏合.使用的水泥砖共有五种型号，都是用一三六水泥混凝土做成.制作环拱，要使用楦台做模支撑.楦台用坚实木材做成，尺寸依据拱形需要.“拱形半径为七尺半者，楦台一般做长八尺高七尺六寸”.砌环拱时，要将楦台置于可以灵活移动的四轮架子上，参见图9.四轮架略低于边墙上端，且可在钢轨上来回运动.楦台在架上用小木块垫高，与环拱弧线相齐，然后以楦台为标准砌砖，有空隙则用碎石填充，大的空隙用一五水泥浆填充.拱形每砌成一段，则推架前行.隧道外门的拱形制作程序与洞内相同，也是先用厚木板做模用木柱支撑洞门口，用一三六水泥混凝土灌入模内，凝固后去模.

水沟做法简单，一般用一四八水泥混凝土，如果山中渗水太多，则用一三六水泥混凝土.

不仅要修整隧道内部，隧道的门面也需要装饰(图10).八达岭、石佛寺两处隧道的洞门外部都用石料装饰，门上有横额，题有隧道名称.居庸关隧道和五桂头隧道因当时附近难找石料，所以就用一三六水泥混凝土处理.

图9 隧道内加固作业示意图

图10 隧道门面

除加固隧道内边墙、拱顶和水沟，“避险洞”的设置也非常有必要(图11).在工人维护铁道时有火车通过，就需要避入避险洞内.一般相间1000 m左右设一避险洞，如果道路弯曲，则600 m或750 m设置一个，避险洞一般高2.1 m宽1.8 m深2.1 m.居庸关隧道共有4处，八达岭隧道内相隔300 m设置一个.

图11 避险洞示意图

京张铁路中的4个隧道就是经过以上的程序完成的.其中，居庸关隧道长367米、五桂头隧道长46米、石佛寺隧道长141米、八达岭隧道长1091米，4个隧道共长1645米.在四个隧道开凿，在时间上采用了统筹安排.(时间：石佛寺、五桂头两隧道与八达岭隧道同时开工，前两处隧道于1906年秋竣工，八达岭隧道于1908年5月22日完工.居庸关隧道开工晚于其他隧道，但也于1908年4月14日开通.)在计划的时间内，完成了工程，那些隧道一直使用，没有出现过质量问题.在当时的技术条件下，能够达到如此效果令人称奇.尤其是八达岭隧道的开通，打破了外国工程师的“宣言”.在这一过程中，在詹天佑等工程师的带领下，坚持不懈，克服困难，还做了尝试和创新，取得了最后的成功.

3 结语

由于被迫承诺中国人自建和资金自筹，既不能使用具有开凿隧道经验的外国工程师，也无足够的资金购买国外先进机械，再加之工期所限，都大大增加了工程建设的难度.京张铁路工程人员在詹天佑等工程师的领导下，克服了技术和机械困难的条件，采用传统的人工开凿法，日以继夜，换班工作.采用竖井法增加工作面，推进工程进度.人工开凿炮眼，采用爆破力强、性能安全的拉克洛炸药进行爆破，顺利完成了四个隧道的开凿工作.

在建设过程中，在詹天佑总工程师的带领下，在袁世凯等朝廷要员的支持下，京张路人上下一心，将时有的工程技术、管理方法发挥到极致，充分反映了中国人的聪明才智，也反映了国人自办铁路的强烈要求与民族自立的自觉性.

在隧道开凿过程中，既使用传统的技术，也不乏尝试与技术革新.八达岭隧道的开凿就是修建整条京张铁路的缩影，展示了中国工程建设队伍所具有的品质与工程精神.中国铁路工程建筑队伍在资金缺乏、工期紧张、技术相对落后、工具相对简陋的条件下，按时保质完成了艰巨的京张铁路建设工程，是艰难的，也是伟大的.京张铁路的建设是中国铁路建设史上的一座里程碑，其意义已经超越了工程技术之外.京张铁路的伟大意义就在于在日薄西山的晚清，中国人自己第一次修建了一条高质量的干线铁路，从铁路工程技术方面粉碎了帝国主义列强的控制中国路权的美梦，开创了中国自办铁路的新时代.

然而不可否认的是，在技术引进方面，限于列强苛刻的条件，在这次自主修建铁路的过程中，虽然部分技术(如轨道铺设)实现了本土化，但很多更先进的技术及机械没能及时引进，即生产力及装备制造技术提升等等贡献不大，对为之后更大程度的铁路自主建设没有做更好的铺垫.

整体上，从技术实施与引进的角度讲，京张铁路很大程度上实现了本土化，美中不足的是没能更大程度的引进先进技术和机械设备.这对当今工程建设也有着重要的启示作用.

[1]詹同济.詹公天佑生平志[C].詹天佑纪念馆文献，2011.

[2]詹天佑科学技术发展基金会，詹天佑纪念馆.詹天佑文集:纪念詹天佑诞辰145周年[M].北京：中国铁道出版社，2006.

[3]詹天佑.京张铁路工程纪略[M].中国台北：中华工程师学会，1915.

[4]李喜所.留美幼童小传/中国留学史论稿[M].北京：中华书局，2007:167-185.

[责任编辑 黄祖宾]

[责任校对 黄招扬]

A Study on the Construction Process of Tunnel of Beijing-Zhangjiakou Railway Duan Hailong

DUAN Hai-long

(InstitutefortheHistoryofScienceandTechnology,InnerMongoliaNormalUniversity,Hohhot010022,China)

Beijing-Zhangjiakou railway is the first trunk railway entirely designed and constructed by the Chinese themselves,it renowned Chinese and foreign railway engineering field due to its difficult project,good build quality,low investment and short construction time.The measurement and tunnel was the most difficult part in the construction of Beijing-Zhangjiakou railway.There are four tunnels in total,combined with tradition and innovation attempts,the Chinese completed the task on schedule and fulfill quality and quantity requirements.Here,we explore the technical details in cutting the tunnel of Beijing-Zhangjiakou railway,through the interpretation of historical literature,from the aspects of alignment,excavation,reinforcement and the use of materials.

Beijing-Zhangjiakou railway;tunnel;history of railway

2016-05-07.

国家社科基金项目(13XZS015).

段海龙(1975-)，山西灵丘人，内蒙古师范大学科学技术史研究院讲师.

U25

A

1673-8462(2016)03-0024-07