海底工程的重大突破
中國已啟用全球首套三元混合氣體盾構系統，支援金塘海底隧道施工。這條全長 16.18 公里的鐵路通道完工後，將成為全球最長的海底高速鐵路隧道。這項自主研發技術讓工人能在遠超傳統限制的壓力環境下安全作業，為地下工程帶來重大進展。系統已在隧道舟山側區段投入使用，施工人員面臨鐵路建設史上最嚴峻的作業條件之一。設備透過精確調配氦氣、氮氣和氧氣的比例，讓人員在水壓與土壓達到極高程度的環境中維持生命與清醒；這類環境通常與深海探勘有關，而非隧道挖掘。
全球最長海底高速鐵路隧道內部
金塘隧道將穿越浙江省東部繁忙水道，連接寧波與舟山。這條全長 16.18 公里的通道完工後，將刷新全球最長海底高速鐵路隧道紀錄，長度與工程複雜度都遠超現有海底鐵路。這項工程是大型交通網絡的重要一環，旨在進一步串聯大陸與舟山。這座群島城市長期受地理隔絕所限，通勤與貨運都面臨物流挑戰。
舟山側施工團隊負責長 6,270 公尺的盾構隧道區段，必須耗時數月，在海床下穿越多變的地質環境持續掘進。盾構機又稱隧道鑽掘機（TBM），能挖出圓形通道，並同步安裝支撐結構以防坍塌。這些龐大的機械仰賴旋轉刀盤切削岩石與沉積物，但刀具會逐漸磨損，必須定期檢查或更換。在水線下方深處、加壓艙內進行維護，是土木工程中最危險的工作之一。
傳統方法為何受限
超高壓艙內作業是盾構隧道產業最嚴峻的挑戰之一。數十年來，施工團隊一直仰賴壓縮空氣系統，將水阻隔在開挖艙外，讓工人能進入艙內維修刀盤。傳統壓縮空氣技術公認的安全壓力上限為 0.5 百萬帕斯卡。超過這個門檻後，減壓症及其他生理危害的風險便會急遽升高，使人員進入艙內變得極度危險。
然而，金塘隧道突破了傳統界線。隧道最深處位於海平面下 78 公尺，水壓與土壓合計達 0.85 百萬帕斯卡。若要理解這股力量，可以想像約 30 公斤的重量壓在不比一元硬幣大的面積上。使用標準壓縮空氣作業規範，工人不可能承受如此集中的壓力。這項工程必須採取截然不同的生命維持與壓力管理方式。
借鑑深海技術
面對這道極高門檻，施工團隊沒有採用傳統採礦技術，而是轉向深海潛水技術。飽和潛水與混合氣體呼吸系統，長期用於支援商業潛水員在深海作業；在那樣的深度，單靠壓縮空氣會致命。無論是維修離岸油平台設施，或是更換數百公尺地下隧道刀盤上的磨損零件，適用的生理原理都相同。工程師將這些海事原理調整應用，研發出專為隧道施工設計的氦、氮、氧三元混合氣體系統。
氦氣是這項技術的關鍵突破。與構成一般空氣主要成分的氮氣不同，氦氣密度低，且能迅速穿過人體組織。在極高壓力下，正常呼吸氣體中的氮氣會大量溶入血液，造成氮醉；這種狀況有時稱為「深海狂喜」，會使判斷力受影響、反應變慢。在數百公尺地下，神智不清的工人會危及自己與同事的安全。若長時間在高分壓下呼吸，氧氣本身也會產生毒性。氦氣能避開這兩種問題，提供較安全的介質，讓工人在宛如深海海床的環境中作業時，仍能保持思緒清晰、生理狀態穩定。
將潛水技術應用於隧道工程，反映出基礎建設工程日益跨越專業領域尋求解方的趨勢。經過審慎調整後，適用於離岸鑽油平台潛水員的技術，也能保護在數百公尺地下作業的鐵路施工人員。海洋科學與土木工程的結合，或許將塑造全球沿海地區下一代地下工程的樣貌。
三元混合氣體系統如何運作
這套新設備不只是推車上幾個氣瓶，而是整合了兩大模組：一套負責混氣，一套負責供氣，並由 113 個專用子模組支援，包括氣體分配樞紐、供氣樞紐及個人呼吸器。這種模組化架構能精確控制送入加壓艙內、供各名工人呼吸的混合氣體。
系統可支援 0.5 至 1 百萬帕斯卡的壓力範圍作業。這項壓力上限甚至高於金塘隧道最深處的 0.85 百萬帕斯卡，為未來更具挑戰性的工程預留安全餘裕。混氣演算法會即時調整氦氣、氮氣與氧氣的比例，以配合刀盤作業面的環境壓力，確保無論隧道深度如何，工人都能獲得適當的呼吸氣體。
每個元件都必須承受腐蝕性海水環境、盾構機持續產生的震動，以及高壓環境帶來的機械應力。工程師設計了備援安全系統，確保任何單一子模組故障都不會危及整個施工團隊的生命維持系統。地面團隊可透過遠端監控追蹤氣體流量、壓力數值及個別工人的生命徵象，無須親自進入艙內。
在極端環境中保障工人安全
只要有人進入加壓開挖艙，安全就是首要考量。氮醉是高壓環境中最難察覺的威脅之一。惰性氣體在壓力下溶入神經組織，會產生類似酒醉的症狀。受到氮醉影響的工人可能感到亢奮或迷失方向，讓例行維護變成攸關生死的冒險。氦氣不會造成這種麻醉效應，因此深海潛水員如今也包括隧道工人，都仰賴氦氣作業。
氧中毒是另一項危險。氧氣雖是維持生命的必要氣體，但長時間在高分壓下呼吸，可能傷害肺部與中樞神經系統。三元系統以氦氣稀釋氧氣，並精確控制混合比例，避免氧氣累積至有毒程度，同時仍提供足以支撐高強度體力勞動的氣體。
減壓程序也必須審慎管理。工人結束輪班後，必須分階段逐步減壓，讓溶解在體內的氣體慢慢排出。快速減壓會使血液中形成氣泡，引發減壓症；這種病症疼痛難耐，嚴重時可能致命。混合氣體系統可根據工人每班累積的氣體負荷，採取相應的減壓時程。
對全球基礎建設的意義
中國成功啟用這套三元混合氣體盾構系統，為全球基礎建設工程帶來借鏡。從東京到紐約，沿海城市都面臨擴建水道下方交通網絡的壓力，但許多潛在路線的地質條件，與寧波至舟山通道下方相似。能在最高 1 百萬帕斯卡的壓力下安全作業，將使過去無法施工的路線成為可能，工程師也能考慮更深、更直接的路線配置，縮短交通時間並減少對環境的干擾。
在中國國內，這項創新進一步鞏固中國工程師在大型隧道工程中的領先地位。中國已建成地球上規模最宏大的地下交通系統之一，而這項技術排除了長期限制海底鐵路發展的一大瓶頸。其他產業也可能受惠。地下採礦、海底電纜鋪設與科學鑽探工程都涉及高壓環境，混合氣體生命維持系統在這些領域也可能發揮作用。
就金塘隧道而言，這套系統能確保舟山側長 6,270 公尺的區段按期施工，同時不以犧牲工人安全換取進度。隧道完工後，往返大陸與群島的時間將大幅縮短，促進浙江省的經濟整合與觀光發展。
重點整理
- 中國已在浙江省金塘海底隧道工程啟用首套自主研發的三元混合氣體盾構系統。
- 全長 16.18 公里的隧道將成為全球最長的海底高速鐵路隧道，連接寧波與舟山。
- 傳統壓縮空氣方法的壓力上限為 0.5 百萬帕斯卡，但金塘隧道最深處位於海平面下 78 公尺，壓力達 0.85 百萬帕斯卡。
- 新系統混合氦氣、氮氣與氧氣，為超高壓作業創造更安全的呼吸環境，並預防氮醉與氧中毒。
- 工程師借鑑深海潛水技術研發這套系統，透過 113 個整合子模組支援 0.5 至 1 百萬帕斯卡的壓力範圍作業。
