非火災工況金塘海底隧道內停車疏散效果圖。受訪者供圖
繼港珠澳大橋後，又一項挑戰世界難題、突破科技壁壘的超級跨海工程——甬（寧波）舟（舟山）鐵路項目準備開建。「全線控制性工程——金塘海底隧道，全長16.2公裡，海底盾構段長10.87公裡，最大埋深78米，直徑14米。建成後將刷新世界紀錄。」中國鐵建第四勘察設計院集團公司（以下簡稱鐵四院）金塘海底隧道項目負責人唐雄俊告訴科技日報記者。
7月底，歷經2年多，由鐵四院勘察設計的「隧道風險評估與金塘海底隧道關鍵技術方案」，通過了以中國工程院院士錢七虎為組長的專家組評審，標誌著這條世界最長海底高鐵隧道，技術方案已準備就緒。
看似簡單增加長度，實則挑戰科技極限
甬舟鐵路全長77公裡，設計時速250公裡，主體工程採用橋＋隧組合，被譽為「鐵路版港珠澳大橋」。寧波北侖至金塘島，設計為海底隧道；金塘島至舟山島，設計為主跨1488米的特大橋。
「港珠澳大橋越海隧道全長6.7公裡，屬沉管公路隧道，而金塘隧道是高鐵盾構隧道，16.2公裡佔全線五分之一裡程，都將沉在東海。」唐雄俊說，長度的簡單增加看似輕鬆，工程背後從量變到質變的難度跨越，挑戰著科技極限。
據唐雄俊介紹，金塘海底隧道主要面臨如下技術挑戰。
首先是地質條件差。隧道海中段位於巖土複合地層，硬巖與粉質黏土，使地層軟硬不均，區域共有9處斷層，6處節理密集帶。盾構機在這樣的地層掘進，硬巖加快磨損刀具，粉質黏土又結成泥餅貼在刀盤上，大大增加了大直徑、長距離、高水壓更換刀具的風險和施工難度。
其次是水壓高。相比港珠澳大橋隧道海底埋深40多米，甬舟鐵路金塘盾構隧道需承受78米的最大海底埋深，海水壓力高達1.0兆帕（MPA）以上，而目前國內水下施工技術水平可承受的壓力為0.8MPA。
再有是防災救援難度大。世界已建成的鐵路海底隧道均採用一條線路、兩個隧洞設計，一旦出現災情事故，可利用兩個隧洞互相疏散。受地質條件所限，金塘隧道則採用單洞設計，且海中段長約9公裡，無法設置直通地面的出入口，對隧道內的防災救援設計難度極大，要求極高。
此外，還面臨海中對接難度大。金塘隧道建設採用兩頭盾構掘進、中途對接貫通模式，寧波側4920米，金塘側約5950米。長距離相向掘進，對接精度要求更高，技術更複雜。
進行勘察設計嘗試，探索最先進的技術
面對諸多技術挑戰，2017年，鐵四院成立了以全國勘察設計大師、副總工程師肖明清為首的設計團隊，立項「隧道風險評估與金塘海底隧道關鍵技術方案」，初設14個課題。
勘察設計嘗試探索了諸多最先進的技術手段和理念。
「為詳細收集海域地質資料，隧道加大了鑽孔採樣密度，平均30米一個孔。而此前鐵路地質勘探基本為50米—100米。」唐雄俊說，金塘海域還是寧波港黃金航道，這也加大了鑽孔難度。因此，勘探首次採用了三維物探、海上鑽井平臺以及智能化勘察手段。
針對含粉質黏土、凝灰巖又有多處斷層的軟硬不均的複雜地質，盾構隧道採用單洞雙線不設隔牆橫斷面，設計研發團隊專門進行了盾構選型專題的研究，經反覆比選、模擬計算和驗證，設計出適合該地質的盾構刀具參數。
長距離海底兩頭掘進，怎樣保證精準對接？
唐雄俊說：「通過對國內外對接案例的調研，對海底對接位置、對接段不同襯砌結構形式的受力與變形、不同加固方案圍巖穩定性、盾構對接精度及姿態控制進行了研究，最後根據實際情況，做出洞外貫通中誤差18毫米、洞內貫通中誤差17毫米或洞內外貫通中誤差25毫米的設計。」
隧道設計為單洞雙線，防災檢修通道利用雙線軌道之間下方的空間，設置疏散與檢修廊道，這也是鐵路建設中首次採用的設計方案。
除金塘海底隧道外，甬舟鐵路橋＋隧組合中的「一橋」，即主跨1488米的西堠門特大橋，將突破不久前通車的滬通鐵路大橋單跨1092米紀錄，成為世界同類項目中跨度最大的公鐵合建大橋。
甬舟鐵路建成後，將結束舟山群島不通火車的歷史，屆時從寧波到舟山只要30分鐘，從杭州至舟山只需80分鐘。專家表示，該項目的建設，將使我國隧道、橋梁設計水平提升到一個新高度。