15.3　工程建设

15.3　工程建设

桥　在此论及的这个世纪是贸易和制造业大发展的世纪之一，因此当时的交通运输设施已无法适应。先是在法国，后来在英国，再往后在西欧和北美，公路系统有了很大的扩展和提高，许多原先依靠徒步涉水和轮渡通行的地方，需要建造桥梁了。英国就像意大利、荷兰以及法国已经做过的那样，通过开挖运河来补充可航行的河道。体现在总运输能力和船舶尺度方面的航运业增长，也需要港口设施的改善以及在防波堤设施、船坞和码头等方面以前所未有的规模投入资金。直到这一时期末，原来一直依附于运河的铁路第一次成为其竞争对手，后又取而代之。所有这些发展，都要求对建设作出规划、投资和组织实施。

桥梁建造继续沿着第Ⅲ卷所述的路线进行，但在向更轻而且更大胆的构造发展。最初为矿井排水而开发的蒸汽动力，也可有效地用于深层挖掘的排水。在18世纪末以前，瓦特的旋转式发动机已能用于驱动机械，包括卷扬机和牵引机。人们可以使用蒸汽机将锤提起来打桩，或者直接用蒸汽锤（边码430）。如果没有蒸汽机，即使招募了大量的人来建造铁路，也不可能如此迅速地展开这项工作，有些工作也不可能实现。

在法国，从1750年直至大革命发生，许多设计先进、工艺精良的砖石结构桥梁是由佩罗内特（Perronet）领导下的桥梁公路工程局的工程师们建造的。与前辈们的工程相比，新建桥梁的特点是有较平的拱、较浅的拱环和较小的桥墩。在这些方面，佩罗内特的工程被看成是砖石结构的建筑中处在合理的安全范围界限上的标志。作为一个实例，位于讷伊跨越塞纳河的那座桥如图248所示。佩罗内特对于位于森利斯以北几英里跨越瓦兹河的圣马克桑斯公路上的桥梁非常满意，它的拱环厚度约为跨距的1/24，拱顶起拱点升高只有跨距的1/12，桥墩的厚度只有跨距的1/10（图249）。

佩罗内特建造的桥梁拱架如图250所示。它实际上由许多承担侧向压力并将其传给永久性建筑的拱座或桥墩的木制肋拱组成，呈放射状的构件由对半分的两部分制造，这样当用螺栓将它们连在一起时，拱形构件就被紧紧固定在自己的位置上。这些拱架并没有刻意设计得在负载上存在明显的不均匀，而是有一定的灵活性。如果拆除拱架，就要将螺栓和紧固件拆去，把绳子绑在放射状构件的下端。通过岸上或锚泊驳船上的绞盘机，将放射状构件向侧面拉，就能将整个拱架拉倒在河中。

米尔恩（Robert Mylne，1734—1811）设计了一种拱架结构的改进方法。他是苏格兰辉煌的石匠行业的继承者，在罗马学习了4年，取得了他所在行业的熟练技师资格之后，于1759年返回伦敦时正好赶上准备布莱克弗赖尔斯大桥的设计，经过与大牌行家的竞争，他的方案最终获胜。奖赏毫无疑问应该属于他，却引起了不怀好意的妒忌和指责。米尔恩的拱架中心如图251所示，其中包括有许多楔形件，在需要降低拱心时可以将其推回。如果不是砖石结构必然存在的移动导致人们怀疑其结构太弱，那么最后的结果可能还不一定。而在佩罗内特的设计布局方面，拱架的首次移动就决定了它的命运，没有任何挽回的余地。虽然米尔恩的设计使用的木料比较少，可是某些构件的倾斜度和框架的总深度，使他的结构布局比佩罗内特的设计更为坚固。

在外表面，布莱克弗赖尔斯大桥露出的拱楔块要削成与拱肩墙的砖石结构相接，在内部则建有倒拱架以将侧间压力从跨距一端传到另一端。主拱和倒拱之间的接合处有些粗糙，强度较弱，但设计比较合理。这座大桥的椭圆形拱在英国的桥梁建设中是个新奇事物，9个跨中最大的一跨长度为100英尺，桥墩的基础位于沉箱内，沉箱的底部落在桥桩上。

桥梁公路工程局曾推出承包的形式，一个独立承包人按照严格的技术规格和建筑工程清单，对大桥的整个工程提出总报价，这与如今在公共工程招标中采用的习惯性做法一样。总承包人那时尚未在英国出现，米尔恩不得不把砖石结构、木工、铁工、铺道渣等工作分包给不同的承包人，并从这些人的账单中提取5%。布莱克弗赖尔斯大桥于1769年通行，直到1869年才被现在的锻铁拱桥所取代。

在布莱克弗赖尔斯大桥竣工之前，米尔恩就被任命为圣保罗大教堂和坎特伯雷大教堂的勘测师，还曾设计过位于格拉斯哥的杰梅卡大桥。1770年，他成为新河流公司（New River Company）的工程师。他还就全国各地的港口、运河和供水系统情况撰写过报告，是1791年成立的伦敦建筑师协会的发起人之一，设计了一些乡村房屋。米尔恩是英国最后一位既是著名的建筑师又是杰出土木工程师的人。

伦尼（John Rennie，1761—1821）是学完机器安装工技术后从事桥梁建造的。他采用并改进了米尔恩的桥梁拱架形式，以及相邻两跨之间倒拱和起拱点相结合的设计。他最著名的砖石结构桥是1817年完工的伦敦的滑铁卢桥（图252、图253B）和现在的伦敦桥（图253A）。伦敦桥于1831年取代了中世纪时代的桥梁。这些桥的基础建在桥桩上，而且是在围堰内建造的。伦尼不相信沉箱，他喜欢看到自己的工程所依靠的基底。他建造过港口、运河和许多不同的建筑，同时和特尔福德（边码444）一起在英国开创了一种体系。利用这种体系，不论一个工程项目如何庞大和复杂，一切业务工作均由一个主承包商负责。

铸铁在结构上的第一个重要应用是位于科尔布鲁克代尔附近艾恩布里奇的塞文河上的大桥（图版30A）。过去通常认为这一工程的推动者是威尔金森（John Wilkinson），他是贝沙姆的一位著名的铁厂厂主。事实上，威尔金森于1775年拿到了一些原始股份，但早在大桥实际设计之前很久，就将其卖给了亚伯拉罕·达比三世（Abraham DarbyⅢ，1750—1791）。大桥的设计者过去同样认为是什鲁斯伯里的建筑师普里查德（T.F.Pritchard）。然而，尽管普里查德确实设计过一座铁桥，但实际建成的大桥并非按那个设计进行施工。这座桥的设计、铸造和安装由达比三世承担并完成，他还承担了一半以上的工程支出［9］。这座桥在艺术家印象中的样子如图版30A所示，近似于半圆形，其跨距为100英尺6英寸，桥高45英尺；5根主拱肋截面为12英寸×6.5英寸，实际上是铰接于起拱点和拱顶的，另外还有若干轻型非完整型拱肋和连接构件。主拱肋的铸件长为70英尺，在多孔隙砂中直接从鼓风炉出铁水浇铸，鼓风炉则要专门建造。遗留下来的这种鼓风炉虽然可能改建过，现在也被部分掩埋在废弃的场地里，但仍然还存在（边码117，补白图）。桥梁的零部件被设计成或者相互贯穿，或者相互用榫眼接合，并用楔形块固定，桥上不用任何螺栓或铆钉。桥的建造过程曾通过木制模型演示过，该模型现存于伦敦科学博物馆。艺术学会于1788年特颁发了一枚金质奖章。这座桥梁的主拱肋铸件据说从水路运送到工地，在基脚就位固定，两个对半件同时用绳索吊起，在拱顶连好。整座铁桥包括桥面在内的总重量，据特尔福德说达到378吨。不过，它的次要构件的布局并没有像当时所期待的那样，显现其特殊功能。

河流左侧（东边）的桥台靠在坚固的河岸上，交通引桥则穿过一个砖石结构的桥拱。河流右侧（西边）的桥台位于较低的可能是冲积形成的地基上，在桥完工后不久就开始向河面方向移动。主桥墩后面的砖石结构和堆土被移去后，建起了木制引桥跨。40年内，这些构件就出现了损坏迹象，于是就用保存至今的铸铁拱跨代替——虽然以往也曾对这些拱跨作过修理。东边的桥墩近来也有过一些移动，使得砖石结构的胶泥产生了裂纹，不得不涂以灰浆。然而这座桥在建成180多年后依然屹立，堪称开拓者进取精神的典范，也是亚伯拉罕·达比三世和他的合作者的勇气和结构意识的一座纪念碑。它已被列为具有历史价值的古建筑，现在只允许徒步通行。

特尔福德于1787年成为什罗普郡的测绘员，因而肩负有管理桥梁并在需要的地方建造桥梁的责任，其中有些桥梁是他用石头建造的。当建在科尔布鲁克代尔上游几英里处比尔德沃思的塞文河上的老多拱石桥被1795年的洪水冲垮后，建造铁桥激起了他的兴趣。他决定采用一种铁拱结构，其形式如图254所示。其跨距为130英尺，但桥重只有173吨，显示出科尔布鲁克代尔桥的设计是很经济的。通过由一些竖直构件连接在一起的一组拱肋支撑住桥面，这也是一种改进，但把两种不同深度的拱肋组合在一起的尝试却并非是这样。在负载和温度变化的条件下，它们表现会有差异，并会出现裂缝，必须用鱼尾板加以修复。当鱼尾板被紧紧安装上后，拱肋又会在别处开裂，最后，只好靠鱼尾板松散地夹住，任由桥身自行调节。虽然如此，该桥依然支撑到了1906年。

对于跨距更长的桥，一种易驾驭的比实心拱肋更好的设计是1796年建成的跨越威尔河的那种类型的桥梁。这座桥把桑德兰和芒克威尔茅斯连在一起。跨距为236英尺，高为34英尺，结构有6根扇形拱肋，每根拱肋实际上是由125只露天加工铸铁拱楔块和锻铁条组成（图255，图版29）。桥梁的建造者是罗瑟勒姆铁厂的缔造者沃克斯（Walkers），他与桑德兰的下院议员伯登（Rowland Burdon）合作，伯登取得了这种形式结构的专利（英国专利第2066号，1795年）。过去常有一种说法，认为这种设计来自潘恩（Thomas Paine），他是一个革命家，有一次从美国来执行任务，花了一些时间在沃克斯处商洽由他们制造并出口的铁桥。潘恩确实得到过一项英国专利（第1667号，1788年），可是他绝非工程师，在他的专利中叙述的粗糙结构与桑德兰大桥几乎毫无相同之处。潘恩设计的一座小跨距桥的一部分建在圣潘克拉斯供展示之用，但当他搁下这个工程项目去参加法国大革命时，建桥一事就中断了。

特尔福德于1798年和道格拉斯（James Douglas）联合提出，用单跨跨距达600英尺的铸铁拱结构桥取代老的伦敦大桥。据估计，这需要用6500吨铸铁，桥墩上要用43.2万立方英尺的花岗石和2万立方英尺的砌砖。这么巨大的重量能否用当时已有的任何基础技术解决支撑问题，其可行性纯属猜测。对于特尔福德来说，幸运的是这个项目被否决了，不过它却引发了一场极有趣味的理论探讨，对此后面将会谈到（边码484和补白图）。

因为与法国的战争，铁桥的建设在搁置了一段时间后又重新提了出来。铁桥常见的结构形式包括许多平行的扇形拱肋，上面用铁棒组成的网格结构或格栅支撑着桥面，网格和拱肋可以一起铸造也可以分开浇铸，这要视铁桥的尺度而定，平行系统之间的交叉支撑可以保证稳定性。人们可能意识到了科尔布鲁克代尔桥和桑德兰桥拱肋上的环不是一种承载竖直负荷的有效构件，因此这种构件再没有被采用过。特尔福德建造过多座此类铁桥。伦尼也造过，其中最大的一座是伦敦的南沃克大桥，建于1814—1819年，中间跨距为240英尺，两侧的2个跨距相当短（图253C），扇形铁拱肋截面呈I形，深6—8英尺，厚2.75英寸，凸缘宽4英寸。这座桥的每个拱都由13只铸件首尾用楔键固定在一起构成，这些构件所起的作用非常类似于砖石结构拱的拱楔块。铁铸件由罗瑟勒姆的沃克厂铸造，重量约为5800吨。该桥于1922年被现在的钢拱结构的南沃克大桥所取代。

这种悬索桥自然引起了美国桥梁建造师们的注意，因为他们在那时，制作大型铸件和锻件的设备很差，而人口急剧增长的中心城镇在许多地方还被宽阔的河流分隔着。桥面经过加固的悬索桥似乎已由宾夕法尼亚的芬莱（Judge James Finley，约1762—1828）设计出来，他在19世纪的第一个10年内建造了许多这种桥，并于1808年取得了专利。其中有一座桥的跨距为244英尺，桥塔在1909年重建时依然屹立并承载着大桥。(https://www.daowen.com)

当南沃克大桥还在建造的时候，苏格兰南部也有几座悬索桥建了起来，那里冬季发生的洪水容易对桥拱的砖石结构的桥墩造成基蚀。最大的一座桥由布朗（Samuel Brown）海军上校建造，跨距为300英尺，于1820年完工，横跨凯尔索的特威德河。该桥由12根直径为2英寸、长为15英尺的铁环组成的铁链构成，链条的每端均有有眼拉杆螺栓固定于扁连接件上，桥墩和拱座则建造在离开洪水位的岩石上。1817年，布朗取得了锻铁扁连接件的专利。特尔福德一直在试验由两端焊接在一起的棒束构成的连接件，但他在得知了布朗的连接件以后，便将这种连接件用于跨距为580英尺、承载横跨梅奈海峡的著名的霍利黑德公路桥的链条上。

横跨梅奈海峡的大桥工程始于1820年，于1826年建成（图256）。桥面用木材构建，没有加固，1839年的一场风暴将其破坏后，用更为坚厚的木料制成的桥面一直使用到1893年，当时贝克爵士（Sir Benjamin Baker）用钢材将其重建。这种钢桥面又于1940年被替换，当时铁链也换用了高强度的钢。实际上，除了桥塔和拱座外，现在的结构是一座新桥。

1834年，法国工程师沙莱（Joseph Chailey）建造了一座横跨瑞士弗里堡的萨林河的悬索桥，跨距为870英尺，桥面由钢缆支撑，每条钢缆由1000根钢丝相互绞合在一起制成。它先后使用了90年。

在这个领域的美国的开拓者中，著名的要数埃利特（Charles Ellet），他采用法国制式的细钢丝捆制成了钢缆。1848年，他在西弗吉尼亚州惠灵的俄亥俄河上建造的跨距为1010英尺的大桥，打破了当时的长度纪录。这座桥于1854年遭到龙卷风的严重毁损。埃利特的桥塔还在，可是桥的其余部分是由罗布林（John August Roebling）重建的，他后来因为在建设长跨距的钢缆悬索桥中创纪录的工作而享有盛誉。惠灵桥于1956年重新进行了修理，埃利特的桥塔和锚地以及罗布林的钢缆和吊杆仍旧保留，桥面却被全部更换了。

虽然有些悬索桥在19世纪40年代使用情况依然良好，但有不少桥由于风的抖振效应或是由于军队的行进和驱赶牛群的冲击产生的共振而倒塌了。布朗建造过许多桥，也有过不少失败，其中就包括跨距为449英尺、横跨贝里克的特威德河的大桥。这座桥于1820年建成，但仅仅6个月后就被吹垮了。1830年，他甚至建成了一座跨过蒂斯河，承载斯托克顿和达灵顿铁路的大桥，当时只发现火车在通过时会时沉时升，并使桥面呈波浪形前后摆动，短短几年，这种情况就把大桥毁成了碎片。通过使用加固的钢桁支架——它要以损失作为这种桥最突出优点的轻巧为代价，这种缺点能够得到一些弥补，但斯蒂芬森（Robert Stephenson）反对把这种做法用于铁路工程。他于1845年与费尔贝恩（William Fairbairn，1789—1874）合作对锻铁桁材支架作了一系列试验，以确定适用于长跨度桥的最佳形式，尤其是要能承载在特尔福德的公路桥视域内横跨梅奈海峡的连接切斯特和霍利黑德的铁路桥。

当时，铆接在一起的锻铁板材和角材已普遍用于蒸汽锅炉。一旦确定了合适的形式，似乎就没有理由不将这种技术用于建造相当大尺度的桥梁桁架。实验是在管道内进行的，最后决定用它来建造能通过火车的长方形管道，管道的顶部和底部本身呈蜂窝状结构。在最后确定设计前，所做的试样逐步递增到按实际尺寸的六分之一做的模型。不过，这座桥应当被看作下一个时期的第一座，而不是本卷所涉及的那个时期的最后一座，所以它的构造将在第Ⅴ卷叙述。

尽管锻铁在被低碳钢取代以前，最终取代了铸铁成为被认可的铁路桥建材，但在19世纪40年代，许多桥还是用铸铁建造的，其中有些桥至今仍然在使用。然而，也有一些失败。1848年成立的一个皇家委员会，在一年后提交了一份关于《铁材在铁路结构上的应用》（The Application of Iron to Railway Structures）的报告。委员会收集了很多证据，霍奇金森（Eaton Hodgkinson）与其他人还作过一些试验，得出的是支持进行保守设计的结论。就铸铁而言，他们建议坚持采用拱和梁的结构形式，不要使用当时确实还没有先进结构理论作为依据的结构桁架设计。然而，这并没有阻止通过对这些和其他的结构形式所做的实验进行更大的冒险。比利时工程师纳维尔（Neuville）曾于1846年造过一座桥，采用有水平的顶部和底部支架的开式框架结构，支架间用交角为60度的对角线构件进行连接，从而在立面图中形成一连串的等边三角形。1848年，沃伦（James Warren）海军上校和曼佐尼（W.T.Manzoni）获得了这样一类结构的英国专利（第12242号，1848年），该结构或是由分开的构件装配在一起，或是由浇铸件装配而成。浇铸件中一个架间由顶部支架和两根对角线构件构成一个三角形单元，而每一架间的下部支架是一根锻铁棒，其两端车有螺纹以装配上螺母。这种桁架在英格兰称作沃伦桁架，在欧洲大陆则叫纳维尔桁架。

最著名的铸铁铁路桥[1]是斯蒂芬森1849年在泰恩河畔纽卡斯尔建成的高架桥（图257）。该桥由6个跨组成，桥墩中心之间的距离为139英尺，每跨均呈弦系拱的形式，由其承载的铁路正好位于拱顶水平线以上。在拉杆高度处设置有车行道，后来又设了电车轨道。这座桥如今还承担干线和公路交通，现在的交通状况远比原先规划的要繁重得多。基础中的桩柱是用内史密斯蒸汽锤（边码431）打的，这种锤一秒钟打击一次，以往只能做到几分钟打击一次。

布律内尔（Isambard Kingdom Brunel，1806—1859）是西部大铁路的建造人，给“铁材在铁路结构中的应用委员会”取了一个绰号叫“阻止桥梁建设进一步发展委员会”。他建造了许多座桥，既有锻铁、砖石结构的，也有木材的。在这些桥中，最有创造性的一座也许就是在切普斯托横跨瓦伊河的桥（图258）。这座桥梁必须为通航船舶留有相当大的净空，而且由于河道有时会受到高达40英尺的潮汐冲击，所以布律内尔为了防止冲刷须慎之又慎，将跨越正常河床的主跨宽度定为300英尺。

采用气压沉箱可以使基础沉入水浸着的河底，这种方法已由科克伦爵士（Sir Thomas Cochrane）于1830年引入。1851年，丘比特（Cubitt）和赖特（Wright）用气压沉箱将横跨梅德韦河的罗切斯特桥的圆柱形桥墩下沉61英尺之深。第二年，布律内尔在切普斯托采用同样方法沉入构成桥墩的圆柱，其中有6只承载主跨西端的铸铁桥塔（图258）。该跨东端的桥塔是砖石结构，建在自然悬岩的岩石之上。桥面由4根锻铁桁架支承，两条铁轨每一条的两侧各有一根。这些桁架由连在桥塔上的扁节链悬空吊住，两端间距小于100英尺，链条延伸下去吊住桁架的中部，链条张力的水平分量由管状顶部支架承受，钢支架管直径为9英尺，像用锻铁板制成的锅炉。这些钢管略呈拱形，中间有两个点受到支撑。在某些方面，对于布律内尔用在索尔塔什泰马河上的更大的桥的结构设计和建造方法，切普斯托桥起到了试验作用。

隧道　长期以来，开挖隧道一直是工程建筑的一个重要分支，以往在采矿中惯常使用。甚至在公元前，火山口的湖泊就曾由罗马工程师在坚硬的火山熔岩中开挖隧道排干。我们知道，有些中世纪的要塞被攻陷，就是通过在角楼下挖掘隧道，然后放火焚烧支撑屋顶的支柱。建于1661—1681年间的朗格多克运河，航道中包括有隧道，其中有一段超过500英尺的越岭隧道穿过坚固的岩石。在18世纪英国一些运河的开挖中，布林德利（Brindley）就采用过相同的手段。在岩石中挖掘隧道是很艰难的，但岩面和洞顶至少在小隧道中一般能够自行支撑住。当隧道要通过软湿的地段时，就特别需要采取防止坍倒的措施，不过有时做起来极其困难。在法国圣旺廷运河的特龙古伊隧道，据说是“第一座采用了为宽隧道设计的用于支撑松软地基的木拱结构隧道”［10］。

挖隧道的方法有几种。例如，有一种挖法是从顶部开始，一条狭窄的导坑从表面向前挖到一个预定的距离，然后将一根重木向前伸到正好位于完工的隧道衬砌顶上的水平面上，其前端由一根短柱支撑，该短柱支在导坑底的一根短底木处，其后端则从最后完工的顶部区域向上揳入。如有必要，可用一些短板向上成直角方向打入主撑柱。其他主撑柱或“棒”以同样的方法设置，直到将整个顶撑好。在衬砌完工后，由于木杆被向前移位而在衬砌留下的空隙需要填满，这就建成了新的一段拱顶和拱边，如果底部也需要，则还要建倒转的拱（即仰拱）。然后，可以开挖另一段导坑，再将木杆往前移，一次移一根。

在河下挖掘隧道还有另外一种危险，渗漏可能会将正在进行的工程淹没。这种事故曾导致特里维西克（Richard Trevithick，1771—1833）所作的一次尝试失败，当时他采用木材支撑在泰晤士河下面挖一条宽约3英尺、高约5英尺的隧道导坑。在他挖了约1000英尺时，灾难发生了。第一个在泰晤士河下挖通隧道的伟业，最后由马克·伊桑巴德·布律内尔爵士完成。他是伊桑巴德·金多德·布律内尔的父亲，儿子当时为父亲担任驻工地工程师。布律内尔利用一种盾构，在3个不同标高提供可让12个人并肩站立的工作空间，在宽为38英尺、深为22英尺6英寸的长方形工作面上工作（图259）。3个工作空间为一组，一个空间位于另一个空间上面，位于一个铸铁框架内，其平顶和底座都与盾构体铰接在一起。工作空间共有两个中间平台，其平顶和底座都有大型螺纹千斤顶顶着全部的砖石，使盾构的边缘紧紧支撑住工作面。另有几台小型螺纹千斤顶支撑着盾构的竖直部分，利用几块挡板顶住工作面，实际正在开挖的位置除外。

隧道从位于罗瑟希德一端的直径为50英尺的垂直竖井开挖，以每300英尺下降2英尺3英寸的坡度朝着中央一点一点地进行，开挖基底的中央位于高水位以下76英尺处。盾构于1826年1月1日就位，最初是在伦敦黏土中挖掘的。但在一个月内，工程就已推进到勘测时未曾发现的水浸的沙砾和卵石地段，这严重地阻碍了工程进展。当盾构一次向前推进了18英寸时，紧随其后的是罗马水泥塑造的砖石结构的双拱隧道。1827年5月，另一次是在1828年1月，河水涌了进来。河床上的洞是从上面用一只潜水钟抢补的，先填上波特兰水泥混凝土，再将成袋的黏土填入，但是第二次涌水后，工作面就被阻挡住，导致施工搁置了7年。

在使用一台更重的盾构恢复施工后，该隧道又发生了3次更为严重的涌水。1843年5月26日，隧道终于成功贯通并开放步行交通（图版32A）［11］。它连接了怀特查珀尔和纽克罗斯的铁路线，并且至今还由伦敦交通公司的电车通行使用。