本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
欢迎来到里约热内卢！
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里约热内卢的巴拉达蒂茹卡，运动员公园和奥运村的所在地。图片来源：Barrazine Da Barra Flickr (CC BY 2.0)
当你看到它时，你就确切地知道为什么它被称为“奇妙之城” (Cidade Maravilhosa)：它绝对壮丽。当你想起里约时，你可能会想到波光粼粼的白色沙滩被蓝宝石般的海水冲刷，绿色的山脉高耸入云。每个人都能认出标志性的科尔科瓦多山及其基督救世主雕像和面包山。城市周围高耸的圆锥形山丘（博恩哈特）看起来几乎像喀斯特地貌，但它们实际上是片麻岩。眼球状片麻岩，更准确地说，这种岩石至少有 5.7 亿年的历史。
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“从尼泰罗伊的城市公园看到的里约热内卢。” 图片来源：Leonardo Ferreira Mendes 维基百科 (CC BY-SA 3.0)
这些山脉带来了一些独特的工程挑战。你可以看到，如果那些非常陡峭的山峰挡路，直线旅行将会很困难。因此，巴西人只是选择了地下通道。社区之间通过隧道连接。当里约赢得奥运会申办权时，他们知道他们需要增加一条新的地铁线路。地铁 4 号线面临着一些艰难的地质条件：新隧道将穿过伊帕内玛海滩和泻湖之间，必须穿过三公里长的沙子和软土，以及两公里极其坚硬的片麻岩，其中还夹杂着一些具有挑战性的断层带。这种岩石非常坚硬，以至于当路易斯·阿加西看到人们试图开采它时，他说“挖掘者最重的敲击也只产生了一点灰尘。”
幸运的是，巴西人民开凿隧道已经有一个多世纪的历史了，他们知道如何创新。他们开发了一种混合式 土压平衡 (EPB) 掘进机，可以处理硬岩和软土。他们用精确计算的炸药和电子雷管引爆极其坚硬的片麻岩。为了避免损坏建筑物，他们用地震仪仔细监测振动。在建筑物离隧道口太近而无法使用炸药的地方，他们用金刚石线锯开。所有这些创新和技能使他们能够在奥运会之前及时完成地铁隧道，而没有因爆破损坏任何建筑物。
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一台隧道掘进机正在纽约市完成一条隧道。图片来源：Patrick Cashin 大都会运输署 Flickr (CC BY 2.0)
挖掘隧道的独特挑战之一是处理蚀变岩石。里约的贫民窟地区没有污水系统。相反，废水直接排放到地下，实际上在物理和化学上改变了岩石和土壤，使其强度降低。他们还面临着充满崩积层的区域，以及构造活动和物理风化作用使岩石严重断裂的地方。他们的混合机器和隧道加固技术完全能够应对这些挑战。现在，随着地铁 4 号线的开通，里约地铁系统每年能够运送近一百万乘客。
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这张地铁 1 号线的照片展示了隧道壁。4 号线看起来也差不多。图片来源：Rodrigo Soldon Flickr (CC BY 2.0)
地铁 4 号线将乘客带到运动员公园和奥运村，这两个地方面临着一些非常不同的设计挑战。海湾和泻湖沿岸的粘土和沙质土壤非常柔软且含水量高。它们深达 28 米。还有一些区域覆盖着厚达四米的泥炭，其中含有约 50-60% 的有机物。地下水位非常浅 - 仅在地表以下约半米处。所有这些柔软、含水的土壤都非常不适合承重。你必须在建造之前对其进行排水和压缩，但传统技术大约需要八个月。里约的建设者需要在更短的时间内完成他们的项目。在某些地方，软土层足够薄，可以移除并替换为更坚固的材料，但这不适用于软土层超过几米深的地方。因此，他们转向了一种相对较新的技术，称为深层径向固结。在所有这些软土层之下，他们有一层坚固的沙砾层，足以支撑注入的砂浆柱。垂直排水管插入柱子之间。这使他们能够在短短三到五个月内排水和稳定土壤，设施的建设可以按计划进行。结果非常壮观。
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巴拉达蒂茹卡的奥林匹克公园。图片来源：Miriam Jeske Brasil2016.gov.br
每个奥运会建设项目都需要地质知识和大量的独创性。因此，让我们向克服挑战并为我们一直欢呼的运动员提供闪耀舞台的地质学家、建筑师和工程师颁发一些奖牌。
参考文献