2010年3月8日，“十一五”国家重大科技成就展在北京国家会议中心隆重开幕。在南水北调三维GIS仿真系统演示平台，看到南来的江水穿过黄河时，不少人惊问：“这是怎么穿过去的呀！”据现场讲解员介绍，在郑州花园口西黄河河床底部40米深处，开凿两条4250米长的隧道,南来的汉江水由此穿越黄河北上。要保证江水不犯河水，复杂地质条件下中线穿黄隧洞工程关键技术研究功不可没。
一项世界难题
如何从黄河底下复杂的地层中开凿出数千米的隧洞？如何在承载内外水压保证隧洞不漏水……作为最具技术难度的单项工程之一，穿黄工程被称为南水北调中线的“咽喉”工程。作为“十一五”国家科技支撑计划项目课题——复杂地质条件下穿黄隧洞工程关键技术研究，开创了我国的数个第一：第一次采用大直径隧洞穿越黄河，第一次在我国水利史采用泥水平衡加压式盾构进行隧洞施工，第一次应用双层衬砌的结构。
复杂地质条件下穿黄隧洞工程关键技术研究课题负责人、长江勘测规划设计研究院院长钮新强说，穿黄河段是典型的游荡性河段，地质条件极为复杂，恰恰又赶上地震带。在高地下水位下，在密实砂层、砂砾石层、黏土层等复杂地层中，采用盾构机一次性长距离掘进穿越大河，这是一项世界难题。我们开展了穿黄隧洞工作条件与建筑物型式、衬砌结构受力与变形特性、大型盾构工作竖井结构特性、抗震技术等八项技术攻关，开展了穿黄隧洞1：1仿真实验，较真实地模拟隧洞水土环境和受力条件，验证设计方案，提出优化措施，为整体提升技术理论水平提供实验依据。
钮新强说，穿黄隧洞工程关键技术研究解决了13项关键技术难题。其中，穿黄隧洞抗震技术研究取得可喜成果，通过进行三维地震反应分析，证实在设计地震动作用下，隧洞结构基本安全。建立拼装式管片结构接头计算模型，以及外部土体与外衬的相互作用模型，并应用于穿黄隧洞衬砌结构设计。穿黄工程开工后，通过数项穿黄隧洞施工成熟经验，以及穿黄隧洞1∶1仿真实验研究成果，又进一步研究制定了穿黄工程输水隧洞施工控制标准和措施，在穿黄隧洞工程施工和全线贯通中发挥了重要作用。
实践中创新工艺
穿黄隧洞工程采用盾构机掘进，需在河边建造超深竖井，作为始发端，穿越古老的黄河。然而，黄河滩地砂土地层和高地下水位两个难题，拦住了研究者和建设者的脚步。
穿黄隧洞盾构始发竖井设置于黄河北岸，为圆筒结构，内径16.4米，井深50.5米。据中线建管局有关负责人介绍，为确保竖井井壁牢固结实，采用地下连续墙形式，厚1.5米，深76.6米，均居当前国内之最。地下连续墙施工对成槽技术要求非常高，现场组织了多项生产性试验，采用了先进的成槽设备液压双轮铣，并在施工中运用了多种新技术，最终确保了地下连续墙在保证质量的前提下按期完工。
竖井施工采用“逆作法”顺序，先造好地下连续墙，然后在其防护下，边开挖边进行衬砌。开挖衬砌到设计高程后，怎样封闭底板，是一大技术难题。通过现场试验，将常规的三重管双高压旋喷工艺，调整为单管法高压旋喷，采用了一体式整体滑模，提高了浇筑质量和施工效率，最终顺利封底。
竖井胜利完工之后，主角——盾构机就像一条钻地巨龙登场了。盾构机从地下50多米处掘进，创造了我国目前盾构机始发最深的纪录。掘进始发端采取了冷冻封水措施和高压旋喷桩加固地层，进行洞口密封。始发时对反力架、始发架进行密切监控，严格控制始发时的泥水压力。
穿黄隧洞单长4250米，盾构机一次性掘进，只能前进，不能后退，更没有回旋的余地。为确保信息长距离传输准确，进行了接线方式的研究与优化，完善了洞内接线技术、电缆牵引技术，成功研制水下集线器；为监测内衬环锚预应力，成功研制了薄壁环锚矩形测力器。这两项成果都取得了国家知识产权局技术专利。
解难题迎接挑战
穿黄工程并非一帆风顺，施工过程中，一个个现实的技术挑战如同拦路虎接踵而来。
盾构机在掘进的过程中，就是靠刀盘上的100多把刀具来对付各种各样复杂的地层。盾构机穿越地层有砂层、土层及砂土混合地层，地层中的砂粒、卵石、钙质结核等对盾构机刀具磨损非常严重，因此需要定期对刀具检查并进行维修。高必华介绍，下游线隧洞掘进到1360米时，发现刀具及刀盘严重磨损，已不能继续掘进施工。于是采用了三轴搅拌桩对刀盘修复区域进行加固，通过焊接增加了30多把刀，还在滚刀上增加合金柱，强化了耐磨性能，以适应穿黄复杂地层的掘进。
“根据不同地质条件，盾构机掘进参数，如推力、扭矩、掘进速度、贯入度都不同，我们基本摸透了土层的脾气，掌握了盾构机掘进规律。”钮新强说，盾构掘进初期出现了管片破碎、错台量超出允许值、安装困难等问题。经过数月反复研究和实践，改进了管片结构型式，调整了K块偏转角和插入角等。改进后的新管片拼装顺利，也为国家节约了大量资金。
目前，两条穿黄隧洞全部贯通运行。钮新强说，穿黄隧洞工程关键技术研究，来源于工程，服务于工程，应用于工程，为节省投资、提升技术水准、确保工程安全顺利实施提供了技术保障，也为同类地质条件下大型输水工程建设提供了借鉴。