泰晤士河穿越伦敦，缓缓地向东流淌，其间蜿蜒地以U形路线绕过一片被称为爱犬岛的土地。19世纪时，这片土地曾是全世界最繁忙的码头之一，但到了20世纪80年代，这里却已经没落成一片工业废墟。直到最近，随着大规模的二次开发，这里又再度兴盛，被人们称为“金丝雀码头”，一座座有着耀眼玻璃外墙的高楼大厦拔地而起，使这里成为一个全新的全球金融中心。也是在这片土地上，在北部码头幽暗浑浊的水下，坐落着伦敦最新铁路系统内规模最大 且最先进的车站。这一最新铁路系统被称为横贯城铁（Crossrail）
预算达148亿英镑的横贯城铁项目是目前欧洲规模最大的工程项目。自2009年开始建造以来，该项目已经在伦敦市中心地下挖掘了42公里的隧道。未来，这张地下铁路网将载着乘客在城市东西两端之间高速穿梭。横贯城铁共设有40个车站，其中10个须全新建造，这些车站会把横贯城铁与目前已在使用中的英国国家铁路和伦敦地铁线路连接在一起。首列横贯城铁列车将在2017年开始运行，在2019年实现全线贯通后，预计每年运输乘客将达到2亿人次。
隧道挖掘工作在2015年5月完工，引发了不小的轰动。但横贯城铁绝非只是挖掘工作，该项目一直以来都是各项创新的孵化平台。整个城铁网络完全在3D虚拟环境下设计完成；一旦该铁路系统完工并投入运行，管理人员利用一台平板电脑，就可通过该3D模型来监测整个网络中无数的电气元件和系统。“我们建设了两条铁路，一条真实的铁路，一条虚拟现实的铁路。”横贯城铁项目的机械、电气和公共卫生负责人瑞斯•威廉姆斯（Rhys Williams）如是说。他表示，他的目标之一是，展示出如何利用智能设计和最新的技术实现更加安全、运行更顺畅、维护成本更低的交通网络。因此，横贯城铁的所有组成部分（自动扶梯和升降机、照明、通风、通信和列车本身）都是按照降低能耗、提高安全性和简化运行的宗旨进行设计的。
目前，该项目已成为英国其他交通网络的标准，并已成为多项可颠覆大型工程的数字技术的测试平台。“采用的所有技术都是为了提高横贯城铁项目的智能化水平，其中许多技术都属于首次应用。横贯城铁是一条真正的数字化铁路。”担任项目顾问的罗伯特•梅尔（Robert Mair）如是说，他也是英国剑桥大学土木工程和环境工程系的系主任。
去年10月，我第一次参观了横贯城铁的金丝雀码头车站。车站的主体建造工程已在1个月前完成，整座车站如同一个巨穴状的原始贝壳。从外面看，带有优雅曲线的木制棱格房顶像船头一样高高凸起。而在车站内部，四处都是闪亮的大理石地面和光滑的金属，几乎没有人影。接下来的工作将包括安装检票口、站台门，以及一座大型交通枢纽所需的其他一切附属装置和配件。
然而，今天的售票大厅看上去更像一个舞厅。“你有没有想过在这里举办个聚会？”我问威廉姆斯。结果我被告知，其实，就在售票厅正式完工后的第10天，伦敦《旗帜晚报》便在这里举办了一次引人注目的盛大活动，即本年度“1000名最有影响力人物名单”发布会庆典，旨在对伦敦这座城市的推动者和变革者进行表彰。（“名单里没有工程学这个类别。”威廉姆斯叹了口气说。）活动当天，《旗帜晚报》不仅搭起了吧台，请来了合唱团，还在天花板上悬挂了1000多个光芒璀璨的灯球。
对于历史爱好者而言，这次聚会不由让人想起了近两个世纪之前，就在离这里只有两公里的地方，举办了一次隧道挖掘庆祝活动。1827年11月，总工程师马克•布鲁内尔（Marc Brunel）和他的儿子伊桑巴德（Isambard）特地举办了一次宴会，以提升公众对于已经部分完工的泰晤士隧道（由他们领导修建）的信心，当时的泰晤士隧道即将成为第一条修建在大型河流下方的交通隧道。该隧道最初只供行人通行，后来又向火车开放，直到今天，仍有火车从此隆隆通过。与横贯城铁一样，泰晤士隧道也是一个工程奇迹。在建造过程中使用了老布鲁内尔设计的三层铸铁结构的隧道支架，可在防止地面坍塌的同时让工人们在裸土中挖掘作业。如果天气好，工人们一天可向前挖掘30厘米。
相比之下，横贯城铁项目中有8台大型隧道挖掘机，每台都配有一个直径7米的刀盘，平均每天可掘进38米。在联合作业时，这些机器可挖掘出600万吨土壤，挖掘作业深度达40米，并在挖掘过程中采用混凝土衬砌环来加固新挖隧道。
所有这些新的隧道和车站将为早已不堪重负的伦敦运输系统缓解压力。在过去的一个半世纪里，伦敦地下铁路网络（即人们所熟知的“伦敦地铁”）的扩展大大带动了伦敦郊区的发展，并帮助建立起了一条散乱延展的通勤带。今天，伦敦这座城市的人口已经达到860万，并且每年还有10万新增人口。与此同时，一台台起重机和一座座新办公楼还在不断吸引更多的人前往伦敦中心谋求发展。
来来往往的交通流量让道路拥塞不堪。伦敦402公里的隧道和地上线路以及270座车站每年迎送超过13亿乘客。乘客常常要在整个旅途中忍受闷热和拥挤。
最近才开始在雷德布里奇区的议会工作的马克•卢卡斯（Mark Lucas）表示：“铁路系统催生了伦敦周边的郊区。但是，只有在能够顺畅连接伦敦市中心以及周围地区的情况下，郊区才能繁荣发展。”雷德布里奇区位于伦敦东北部，这里目前共有4座横贯城铁的车站正在建设之中。
尽管对于横贯城铁的需求早在很久之前就已明确，但建设意愿却迟迟未能形成。横贯城铁的设计师威廉姆斯表示，对于一座拥有2000年历史并且已经修建了大量地下基础设施的城市而言，再建造这样一个大型的地下项目是一项需要下大力气的壮举。同时，他也深知这个项目几乎不容许发生任何错误。与办公楼不同，如果在横贯地铁完工后才发现缺少某些系统，紧凑挖掘的隧道和地下车站将无法再容纳太多的额外设备。“我们只能修建一次，必须保证一次成功。”威廉姆斯如是说。
为了确保一次成功，横贯城铁的设计者和工程人员们大量地依靠计算机3D建模。早已在石油行业、汽车和航空航天制造领域广泛使用的这项技术也已开始在民用建筑领域兴起。
横贯城铁模型实际上是由超过25万个小型模型构成的，这些小型模型被汇集在一个数据库中，并与另外一个数据库相连。与之相连的这个数据库中包含了有关横贯城铁的所有设施（从1瓦特的LED灯泡到发生火灾时用于抽出浓烟的大型风扇）的一切数据和文件，同时还有当前正在进行的一切工作的详细说明。总体而言，空间数据共占用了若干太字节的容量，目前已有的相关文件另占用了5太字节的空间。威廉姆斯说：“我认为，在此之前，世界上任何地方的建筑信息建模都未曾达到如此规模。”
对于上千名正在为横贯城铁项目工作的承包商和顾问而言，该模型可以为他们提供同一套数据，因此极大地节省了时间和金钱。这种安排有助于减少两家承包商之间经常出现的不一致现象。承包商也可对模型中自己负责的部分进行更改，经过审议之后，这些变动将加入主模型。横贯城铁的技术信息负责人马尔科姆•泰勒（Malcolm Taylor）表示，他过去参与的一些项目都要使用多种方法来追溯相同的信息。“我们抛弃了所有不需要的软件。如今，我们需要的所有信息都存在一个位置。”泰勒说，“这样每年可节省出数百万英镑。”
若某处的施工完成，团队可以使用一台旋转激光扫描仪开展“点-云测量”作业。激光扫描仪可以发射出连贯的光束，并捕捉到来自周围数百万个点的反射，从而为此处生成一幅极其精准的3D建筑物图像。这一地面实况数据将同虚拟模型进行比较。如果匹配结果的误差在1厘米之内，模型就会按照激光测量数据进行更新。泰勒表示，如果出现罕见的失配情况，可能就意味着施工存在一个需要修复的问题。
横贯城铁投入运行后，该模型还将作为一项重要的工具，用于追踪和管理横贯城铁的众多系统。例如，每个车站都有计算机控制的照明系统，当相应区域内无人时，照明会自动暗下来；当设备需要换灯泡时，系统会发出警报。此外还有一套监控应急设备的系统。与此同时，摄像头将用于监控通道内乘客的移动情况。如果在高峰时段通道内乘客移动的速度非常缓慢，系统便会自动引导乘客前往其他通道。
所有这些数据都将以无线的方式传送到基站，然后再通过高速光纤链路传输到位于伦敦东北部的横贯城铁控制中心。在虚拟模型中查看这些信息的管理人员可以将所感兴趣的区域放大，然后查看某个具体组件的运行和维护记录。他们还可以通过一台平板电脑访问模型。“我们正在为他们提供一种前所未有的体验——在iPad上查看维护手册。”威廉姆斯如是说。
iPad中的模型甚至还拥有一个增强现实界面。比如说，工人可以将iPad立起并对准车站的一面墙，然后便可以看到墙体内部铺设的电线和管道的虚拟图像。墙壁的图像正是iPad摄像头所拍到的真实景象；而墙体后面的图像则是由模型根据GPS（在可用的情况下）和蓝牙所确定的iPad坐标生成的。这项方便易用的功能可避免在钻孔作业过程中意外切断电线，确保在进行现场实际操作之前准备就绪。
团队还利用一套地理信息系统创建了“横贯城铁地图”，横贯城铁的员工可借此在地图上查询伦敦的某个具体地点，然后迅速了解该地点的横贯城铁的设备状况。泰勒解释道：“我们可以先点击某个车站，然后再点击一个特定的空间，例如某一个房间。由于我们建造的每个设备都拥有一个x、y、z坐标集，因此我们可以从另外一个相联的数据库中访问该房间内的所有设备，并获取每个设备的全部信息。”过去，确定一个设备的位置意味着要在建筑图纸和归档手册中逐一寻找。“之前需要花费好几分钟、有时甚至是几个小时的作业，现在只要几秒钟便可完成。”泰勒说。
与古老的伦敦地铁网络中行驶的短小狭窄的古老列车不同，横贯城铁的列车均是最新型的全尺寸列车，每列列车一次最多可容纳1500人。因此，与伦敦地铁相比，横贯城铁的车站站台相对更长，隧道也更宽。
修建这些直径7.1米的隧道是项极具挑战性的工作。由于土壤沉降与隧道直径的平方成正比，因此工程人员必须想办法防止地上的建筑物发生下沉或倾斜。为此，横贯城铁的工程人员采用了一项被称为补偿灌浆的技术来保护这些建筑物。补偿灌浆技术最早由位于伦敦的公司——岩土工程咨询集团——在20世纪90年代开发出来。这家公司的联合创始人之一是剑桥大学的罗伯特•梅尔（Robert Mair）。进行补偿灌浆作业时，首先要在隧道挖掘处的正上方钻出一些呈扇形分布的小口径灌浆井，然后在灌浆井里装上可以灌入液体水泥的管道。在地面上，工人们在四周的建筑物上安放光学棱镜，然后在棱镜间安装可以反射激光波束的测量仪器——经纬仪，这样就可以在隧道挖掘过程中监测建筑物的准确位置。如果建筑物发生移动，激光波束会偏离校准直线，工人们便会立即向管道中注入水泥，以强化周围地面支撑。值得注意的是，在挖掘过程中，没有一座建筑物发生损毁。“这些巨大的隧道的确是在数千座建筑物下方建造完成的，同时这些建筑物都得到了较好的保护。”梅尔如是说。
建筑工程人员还利用激光引导系统控制隧道挖掘机器顺利穿过横贯城铁网络中最狭窄的位置——托特纳姆考特路站。在这里，已经有两条地铁线路在纵横错杂的管道、线缆和下水道之间相互交汇。然而，体型巨大的挖掘机还是设法打通了另一条狭窄的通道，通道和下方的站台隧道之间只有85厘米的间隙，而距离上方的自动扶梯也仅有35厘米。
在施工过程中，凭借着并不昂贵的无线传感器和光纤电缆，工程人员们得以对隧道、竖井和车站的情况进行监测。梅尔及其在剑桥智能基础设施和建设中心（CSIC）的同事们共同开发了一款实时监控技术，该技术可以帮助他们评估隧道外压等因素。梅尔的团队将价格低廉的光纤嵌入水泥墙体之中；光缆上的散射光可以体现出光缆所承受的压力。梅尔表示，这些监测结果可以帮助判断隧道建造的强度是否高于实际需要。这些信息有助于降低未来的设计成本。
与此同时，一家名为UtterBerry的CSIC衍生公司一直在利用横贯城铁开展低功率无线传感器测试。这种传感器可以监测压力、温度、湿度以及建筑作业的众多其他信息。无线传感器用于施工作业已经有20多年的历史了，但这些传感器通常比较重，多为1千克或更多，电池电量也只能使用几周而已。而UtterBerry开发的一款传感器重量仅为15克，一次充电便可使用1年以上。理论上，一名工程人员可以一次性随身携带数百个传感器，并在一天之内将它们全部安装在隧道里。
CSIC的博士生海芭•贝文（Heba Bevan）在一个课堂项目上设计出了这款小型传感器。她说，与传统传感器不同的是，UtterBerries传感器只在需要时收集读数，并使用ARM Cortex处理器进行原始数据运算。例如，通过追踪温度和湿度的变化情况，传感器可以计算得出天气因素导致水泥板材发生膨胀或收缩的程度；任何超出季节性变化的膨胀或收缩都将需要开展进一步的调查。而且如果某个UtterBerry传感器检测到不同寻常的振动或是一些其他异常，该传感器可以通知区域内的其他传感设备提高取样率，以便提升所收集数据的整体质量。
UtterBerry为横贯城铁开展的首个项目开始于2012年，在此之后的第2年，贝文便成立了自己的公司。目前，公司里的5名全职工作人员刚刚赢得了一份合同，为另外一个英国大型建设项目提供为期1年的传感器监测。
“通常情况下，规模较小的公司很难参与到施工作业之中。”贝文说道，“但横贯城铁真正起到了很好的引导作用。”她相信，在未来的桥梁、建筑物或隧道建设中，传感器将不会在完工之后才被追加安装上去，而是从一开始便融入到设计中，在建造到拆除的整个周期内提供全程监测服务。
站在金丝雀码头站的站台上，来自地下深处隧道的敲击和钻孔的噪声不绝于耳。不久之后，一台可移动的龙门吊车会将钢轨安放在枕木上面，随后一列长465米的“水泥浇筑”列车将负责向枕木周围浇灌水泥，将一切固定到位。在此之后，另外一列列车将前来安装高压电缆，为隧道内部和周围供电。这些列车可从25千伏的架空电线中获取电力，因此可以在横贯城铁和地上铁路系统之间无缝行驶。
金丝雀码头站的站台上，一座座自动扶梯平稳向上爬升，它们看起来与传统扶梯没什么不同，实则不然。在伦敦地铁沿线，仍有一些车站还在继续使用那些年头很长、耗电量较高的扶梯，这些扶梯故障频繁，修理改装动辄需要数月时间。而横贯城铁的自动扶梯更多地采用现成可替换零件，能够缩短维护时间。同时，由于这些零件的加工和成型工艺借鉴了飞机制造业，它们也比传统零部件轻很多。
金丝雀码头站于2018年底开通后，每天将有约8.5万人乘坐自动扶梯上上下下。在横贯城铁的利物浦大街站和法灵顿站，自动扶梯旁边甚至还安装了沿30度倾角升降的装有玻璃外墙的电梯。威廉姆斯介绍说：“这样，倾斜电梯内推着婴儿车的妈妈便可以看到乘坐自动扶梯的大孩子向自己挥手了。”
威廉姆斯补充道，目前已经有多部倾斜电梯在欧洲和美国投入运行（例如弗吉尼亚州亚历山德里亚市的惠灵顿地铁站），但横贯城铁是英国第一个使用倾斜电梯的项目，并且为此类电梯的安装设定了相应的英国标准。威廉姆斯的团队还说服了伦敦地铁的工程师们采用这项技术。去年10月，伦敦地铁的格林福德站成为首个拥有倾斜电梯的车站。威廉姆斯说：“几年之前的主流态度还是‘我爷爷并没这么做’，不过现在人们已经开始拥护支持这些成果了。”
回到威廉姆斯的办公室，我问他，随着这个大型工程进入最后阶段，还有什么问题没有解决吗？答案是，还有很多。尽管目前大部分施工作业已经完成，但横贯城铁的很多方面还没有形成最终一致的设计方案。原因在于，建造如此庞大的地下建筑，意味着具体的“精装修”设计只能在外观空间相对明确之后开始进行。
威廉姆斯指了指摞得高高的纸堆，笑着说：“这些都是。”他拍着其中一叠补充道：“这些是伍尔维奇站的（设计方案）。材料才刚刚送到，所以我们还没开始对设计方案进行审议。”他希望剩余的设计方案审议工作能够在7月底之前完成，这样这些车站的精装修工作便可以尽快开始。“现在，横贯城铁项目中我们真正完成的部分只有研究院。”威廉姆斯补充说道。
他所说的研究院便是位于伊尔福德的隧道挖掘和地下施工研究院，该研究院开设于2011年，为1万多名参与横贯城铁隧道施工的人员提供相应培训。一直以来，横贯城铁的隧道和车站成为数百名年轻工程师们宝贵的实践场所。在这些年轻工程师中，许多人还将继续为横贯城铁2号线工作，这条纵贯南北的“孪生”线路预计将在2020至2030年间施工建造（如果获得批准的话）。威廉姆斯相信，从横贯城铁项目中总结得出的经验有助于推动这个未来项目更加顺利地开展。
尽管横贯城铁尚未开通，但这一新铁路系统已经赢得了一些关键人物的青睐。曾在去年竞选伦敦市长的著名交通记者克里斯蒂安•沃玛（Christian Wolmar）一直反对某些大型基建项目，但他对横贯城铁项目表示支持。他曾批判连接伦敦、伯明翰、曼彻斯特、利兹的英国拟建高铁线路HS2是一个“选在错误地点的错误方案”。然而，当被问起对横贯城铁的意见时，沃玛话间却全是抑制不住的热情。
“这是个颠覆性的项目，”沃玛说，“它带来的影响将是巨大的。人们将成群结队地涌入横贯城铁。”
与此同时，随着横贯城铁的开通日期日渐临近，威廉姆斯和其他工作人员都在继续推进各方面的工作。他们希望自己的努力成果能成为一项可传承后世的宝贵工程遗产。“我们并不是在为了2019年12月的横贯城铁全线贯通而开展建造工作。”威廉姆斯说道，“我们放眼的是120年后的未来。”■
作者： Mark Peplow