福州地铁4号线起于半洲站，终于帝封江站，全长28.4km，均采用地下方式，设站23座，线路连接主城区重要节点，实现了与1号线、2号线、5号线、6号线的全线网换乘，标志着福州轨道交通迈入“环线换乘”的新阶段。
隧道股份上海隧道承建的金洪区间线路出金牛山站后沿杨桥西路向西行进，沿线穿越西区水厂、金牛山公园过街天桥、多栋小区房屋后沿洪塘路到达洪塘站。左线全长1192.145m，994环，右线全长1185.420m，988环；左右线平面曲线最小半径为450m，纵断面为“V”字坡，最大坡度为28.8‰，隧道埋深为14.20～35.00m。盾构选型过程中受到种种限制，最终采用2台φ6480mm复合泥水气垫式平衡盾构机掘进。
施工过程中，由于地质复杂，导致频繁发生开挖面坍塌、刀具异常损坏等情况。自2021年4月11日左线盾构始发，至2023年1月11日洞通，耗时640d，其中330d在攻坚440多米过闽江段施工。
右线隧道的难题更加严峻。虽然两条隧道相隔仅6m，但由于右线恰巧地处2条断裂带交汇处，在地下形成了三座最难啃的、坚硬如钢又支离破碎的“大山”，面临更大的挑战。
4号线其余区间虽也有类似工况，但困难程度没有这么高，总体施工顺利，因此帝封江站—凤凰池站区间于2023年先期通车运营。
在全线贯通之际，让我们一起了解过江段施工面临的挑战和解决措施。
挑战一：异常破碎带复合地层
福州地铁4号线金洪区间位于桐口－洪山桥断裂（f22）与大梦山－登云水库断裂（f13）交汇处。此类断裂均非全新世活动断裂，断裂错动易产生陡坎、破碎带，沿断裂侵入的正长斑岩、辉绿岩岩脉分布区域常产生基岩突起，造成隧道围岩软硬严重不均，建设团队通过以下措施应对挑战。
关键技术1：多种勘察手段“号脉”破碎岩层
现有的勘察手段无法完全揭示异常破碎带不利地质条件，建设团队通过多阶段勘察结合开舱实地量测围岩异常破碎情况，准确排摸基岩在隧道断面内分布规律，为盾构穿越异常破碎带复合地层打下坚实基础。
（1）多次勘探排摸基岩分布
建设团队2017年完成初勘钻孔（3个），2018年4月、2019年1月分别完成详勘和补勘工作。详细勘探点沿左、右线两侧交错布置在隧道结构外侧的3～5m处，钻孔间距按10～30m进行控制。为了更精准排摸基岩突起、孤石等不良地质的分布情况，对于基岩突起段，增加19处补勘钻孔，并采用地震波跨孔层析成像（跨孔CT）排摸岩石分布，完成20条断面扫测。
金洪区间穿越闽江段详勘、补勘布孔图及跨孔CT布置图
（2）开舱期间测定围岩破碎情况
结合开舱检查，统计各围岩碎块所占比例得出准确围岩破碎程度，以右线521～623环为例，开舱清理石块总量167.08m3，从分流器清理石块总量57.95m3，其中40cm以上石块占比12.45%，30～40cm石块占比33.85%。
（3）开挖面围岩产状、节理分析
在基岩突起段开舱前往开挖面，实地进行围岩产状和完整性分析。发现基岩在节理裂隙切割作用下形成大小不一的岩块，多数岩块块径为30～80cm，部分块径小于20cm，且存在不利结构面，节理结构面胶结程度差。沿区间轴线全断面岩面软硬不均，盾构掘进过程中岩体易产生临空面而倾倒或崩塌。
金洪区间开舱实测围岩破碎程度
金洪区间舱内围岩产状、节理分析示意图
关键技术2：砂层、破碎地层预加固
（1）砂层预加固
隧道在闽江段穿越砂层，由于砂层自身的稳定性差、在高水压作用的情况下可能产生突然涌水、涌砂的风险，为降低风险，在相应地段的砂层进行江上预注浆加固，采用袖阀管后退式注浆工艺，注浆孔分布2m×2m，断面加固范围为隧道上半洞身两侧2m及拱顶以上3m，累计注浆约1200m3。
（2）上软下硬异常破碎地层注浆加固
上软下硬异常破碎地层开挖面极不稳定，先后对6段上软下硬异常破碎地层进行8次江面预注浆加固，其中左线3段共计3次，右线3段共计5次。注浆工艺采用袖阀管后退式注浆工艺，梅花形错位布孔，注浆孔分布1.5m×1.5m。加固深度为岩面至隧道顶部往上7m，采用注浆压力控制，累计注浆量11200m3。
关键技术3：推进参数优化控制
金洪区间盾构断面主要涉及地层达21种，包括软土、软岩、硬岩，组合形式达66种，属于典型的上软下硬复合地层。根据出渣判断地层变化情况，及时优化调整盾构推进参数，确保正常掘进。
金洪区间破碎地层预注浆示意图
挑战二：破碎地层滞排及江面冒泡填舱处置
泥水盾构在断裂带异常破碎地层发生滞排现象主要有以下3种：
1）当正面塌落或切削的石块尺寸过大，无法通过泥水舱底部前闸门（前闸门尺寸70cm×43cm）时，造成前闸门堵塞滞排；当无法通过气泡舱破碎机吸口格栅（原格栅开口尺寸15cm×15cm）时，会造成吸口堵塞滞排；当无法通过分流器格栅（原格栅开口尺寸12cm×12cm）时，会造成分流器堵塞滞排。
分流器格栅示意图 分流器石块堵塞
2）当盾构泥水环流泥浆粘度、比重等指标过低时，导致泥浆携渣能力下降，环流无法带出大石块，导致滞排，该类滞排通常位于气泡舱破碎机吸口处及各排泥管向上弯头处。
3）当突发开挖面破碎岩层失稳坍塌时，大量石块泥沙瞬间涌入泥水舱，造成泥水舱底部前闸门淤积滞排。
关键技术1：格栅改制
为减少破碎机吸口处大石块滞排，对吸口格栅进行改制，将原尺寸15cm×15cm的格栅开口扩大为25cm×30cm。
将破碎机吸口格栅改大后，石块通过粒径增大，粒径20～30cm的大石块可顺利进入排泥管，但无法通过分流器格栅（通过粒径12cm），造成分流器处石块滞排。相应改制分流器格栅，将原通过粒径12cm的格栅扩大为12cm×18cm，最大可通过石块粒径20cm，分流器处石块滞排情况极大改善，少量大于20cm的大石块常压打开分流器人工清理。
关键技术2：优化新浆拌制及循环
泥水盾构环流携渣能力与泥浆粘度、比重相关，当环流泥浆粘度在22～25s、比重在1.15～1.20g/cm3时，具有较好的携渣能力。由于岩石地层基本无造浆能力，加之泥水场地旋流泵轴封水持续流入调整池，盾构推进过程中环流泥浆指标持续降低，粘度仅16s，比重1.05g/cm3。
使用优质钠基膨润土和HS-1、HS-3两种高分子材料拌制新浆，额外加入重钙粉，经多次试验调整，得出一组适用于破碎岩石地层的新浆材料配比，拌好后的新浆比重达1.26g/cm3，加入泥水环流后可提升泥水环流泥浆比重至1.20g/cm3以上，极大改善泥浆携渣能力。
关键技术3：泥水舱填舱工艺
金洪区间右线隧道穿越断裂带交汇时，该处地质异常复杂，岩层裂隙发育、异常破碎，开挖面石块极不稳定，发生坍塌险情后，如不能及时清理堵塞石块恢复推进，长时间停机处置导致开挖面围岩自稳性变差，进而引发上方砂土状强风化岩层持续塌落，出现连锁反应造成更大范围坍塌，直至切口与江水联通，盾构机上方江面出现冒泡冒浆情况。
金洪区间右线盾构推进至567环上部油缸行程1426mm时，突发前闸门和破碎机吸口堵塞严重，连续带压开舱进气泡舱清理堵塞大石块14d，清出坍塌大石块和碎石30余方，仍未能疏通环流，石块和上部砂土状强风化层、全风化层持续塌落，江面出现冒泡情况。经过方案研究，最终采用泥水舱填舱+江面注浆加固+带压开舱成功清理大石块，恢复推进。
清理出的塌落大石块 清理出上方坍塌的全强风化岩
（1）泥水舱填舱
使用同步注浆泵通过胸板往泥水舱的注浆口注入惰性砂浆，加入少量熟石灰，压注砂浆的同时打开泥水舱顶部放水阀置换舱内泥浆，更换注浆位置，从泥水舱底部至顶部逐层填充密实，泥水舱顶部注浆时在惰性砂浆中适当加入水泥，增加砂浆凝固强度，保障后续开舱作业安全。
（2）江面注浆加固
利用江面应急船对盾构机周边地层进行江面注浆加固，采用梅花形错位加密布孔，盾构机上方排间距1.5m，孔间距1.5m，盾构机前方排间距1.0m，孔间距1.0m。钻孔期间发现盾构机上方40、47号孔有明显空洞区域，空洞高度达6.8m，表明开挖面坍塌严重。
金洪区间右线567环填舱江面注浆加固布孔平面图
注浆材料选用水泥水玻璃双液浆和磷酸水玻璃双液浆，其中盾构机周边地层注磷酸水玻璃双液浆，防止卡盾，其余位置注水泥水玻璃双液浆。采用注浆压力控制注浆量，靠近盾构机的孔峰值注浆压力达2.0MPa，其余孔峰值注浆压力达2.5MPa。
（3）带压开舱清理回填砂浆
带压开舱清理泥水舱回填砂浆，先清理主舱门周边区域，再从上往下依次清理泥水舱内回填砂浆，最后清理刀盘刀箱和开口区域，确保开挖面稳定性。经计算江面高低潮开舱压力为2.7bar，随着开挖深度增加，适当增加开舱压力至2.8bar。本次开舱共清理回填砂浆约30方，清理出尺寸20～30cm中等大小石块98块，尺寸30cm以上大石块72块。
泥水舱清理出的大石块
挑战三：复杂工况开舱作业
福州地铁4号线金洪站区间过江段由于复杂地质情况，导致开舱频繁。如何保证开舱施工的安全，也是需要解决的难题。
关键技术1：把握停机开舱关键节点
（1）首次预检查
为减少被动停机频次，在穿越重要建（构）筑物或上软下硬地层前10～15环主动停机，对全盘刀具进行预检查、更换，尤其注意确保周边滚刀使用正常，确保刀具螺栓紧固到位。
（2）结合勘察资料和出渣判断停机检查
在穿越上软下硬段后即进入全断面硬岩，为尽早核查刀具情况，在进入全断面硬岩高于开挖面以上1～1.5m时，及时主动带压开舱检查。这需要对地质钻孔和勘察资料进行分析，再结合跟进出渣渣样判断是否满足条件。
（3）结合推进参数异常变化及时停机检查
对比试验段盾构机推进主要参数，如扭矩、贯入度、推进速度、推力等的变化，在全强风化岩段，结合出渣总量减少，泥团占比增多，推力、扭矩持续缓慢增高，判断刀盘结泥饼时择机停机开舱清理。在硬岩段，结合吸口频繁滞排，出渣大块硬岩增大，刀盘扭矩波动大，且多次出现高扭矩（如超过1000kN·m，平稳推进时扭矩为500～650kN·m），判断刀具存在卡岩块损伤，或搅拌棒出现断裂、变形等损伤，应立即停机开舱检查。出渣中出现部分刀具部件的碎片，应立即停机开舱检查，避免刀盘出现严重磨损。
关键技术2：多种工况下被动开舱应对和处置
（1）石块卡刀盘，刀盘高扭矩跳停
右线盾构掘进至521环时，突发刀盘跳停，采集到最大扭矩达到4955KN·m（额定扭矩5630kN·m），随即暂停推进，避免了刀盘二次损伤。结合出渣和勘察分析停机位置开挖面为全断面中风化正长斑岩，常压进舱检查刀盘正面为中风化正长斑岩，但中心以上区域岩体破碎，顶部右侧上方有侵入辉绿岩，含大量碎块状强风化岩；同时发现3号搅拌棒断裂，正面部分石块塌落至泥水舱底部，检查期间，顶部碎块状岩持续塌落，人员立即撤出，关闭舱门，回升液位。因开挖面顶部出现碎块大范围塌落，建泥膜开舱已无法有效保压，采用泥水舱填舱+江面注浆加固+带压开舱成功清理大石块、打捞断裂的搅拌棒后恢复推进。
（2）刮刀大范围损伤和掉落
为满足软土和硬岩段复合地层施工，刀盘采用6面板+6辐条结构，配置滚刀46把，可拆卸刮刀72把，滚刀和刮刀刀高差为4cm。在进入全断面岩层后，因岩体裂隙发育，节理交错，频繁出现大石块卡刮刀，引起固定螺栓断裂或刀座翘曲，后采取常压分阶段拆除刮刀，对刀座脱落位置恢复，保护刀盘，螺栓孔填充平螺丝，同时加强对刀盘面板的检查。在出岩层前5～10环再进行常压恢复刮刀，并焊接筋板加固。
（3）大石块塌落淤积在泥水舱造成滞排
首先应判断泥水舱石块积舱情况，第一时间带压进气泡舱，降低气泡舱液位至前闸门上15～20cm，进舱人员通过工具将泥水舱石块挪动至气泡舱，再使用吊带和手拉葫芦运出人舱。
当石块尺寸过大不能通过前闸门，如左线665环时，清理泥水舱石块最后阶段，发现1块大石块（长0.8m×宽0.6m×高0.55m），而前闸门尺寸仅为长0.65m×高0.45m，后采用液压镐接入气泡舱，经过20d连班作业，将大石块破碎后取出。
清理石块过程中，如发现开挖面破碎岩块持续塌落，以及软硬交界面的强风化或全风化岩遇水软化塌落，清理的速率严重滞后于塌落的速率，此时应拌制厚浆，提高泥浆指标至粘度40～50s后尝试恢复推进，如仍然出现泥水舱频繁滞排，无法推进，应研判是否采用泥水舱填舱+江面注浆加固+带压开舱工艺进行清渣排障。
(4）大石块淤积在气泡舱造成滞排
首先切换泥水循环模式，开启颚式破碎机进行破碎，单独用P02冲洗气泡舱。当淤积较多时，采用人工带压进气泡舱搬运石块。
根据淤积石块粒径分析，主要为20～40cm，通过对排泥管吸口和破碎机之间的格栅进行扩大，大部分20～30cm进入泥水管，排至分流器处进行常压清理，大幅减少了带压进舱清理频次，保证快速恢复推进。经过多次优化，在分流器前增加液压闸阀，单次清理分流器堵塞石块的时长由35min缩减至15min。
关键技术3：复杂破碎地层建泥膜带压开舱
在破碎带、上软下硬地层等复杂工况，带压开舱风险点多、风险高，施工团队创新建泥膜工艺，提高开舱作业的效率，保障施工安全 。
作业准备——在破碎带或上软下硬段建泥膜，考虑岩土裂隙发育，泥浆中需添加更多高分子或纤维，用以堵塞孔隙。在建立泥膜前，为阻隔后方渗水，利用盾构壳体及管片预留孔进行注浆止水，将常规的3道止水环增加至5道。
泥膜制作——考虑破碎带裂隙较大，采用分级加压，加长渗透距离，有效分段填充孔隙，提高了泥膜质量，确保保压时间尽可能延长。
带压环境建立——因制作泥膜时采用较高压力进行保压渗透，在降压过程中需合理控制，保证泥膜维持支护效果，避免受损。降压过程中应关注切口压力波动及液位变化。
气浆置换——缓慢排浆，利用Samson系统，向舱内间断补气，营造气压作业环境。气浆置换过程中需加强舱压平衡控制，预防泥膜被高压击穿。
进舱作业——进舱前、后第一时间应确保作业环境安全。进舱后第一时间观察开挖面稳定性，正面及壳体上方是否存在超挖区域、渗水点及渗水量等。开舱作业后应第一时间关闭舱门，根据进舱工具清单，将舱内工具带出，出现应急状况立即快速关门。当开挖面不稳定时，立即通知舱内人员撤离。
挑战四：盾构关键设备异常损坏修复
金洪区间盾构穿越洪山桥闽江段地处2条地质断裂带的影响区域内，穿越基岩突起段硬质岩与断裂破碎带、风化带无规律交替的地层，地质情况极为复杂，异常破碎的地层造成盾构机环流严重滞排，无法正常推进，致使盾构机设备异常损坏。
金洪区间右线盾构关键设备异常损坏修复历程
（1）搅拌棒掉落
现场停机保压后带压人工进舱，应用手拉葫芦打捞原断裂、掉落搅拌棒，定制高强新制搅拌棒，采用多次焊接、钢板补强确保搅拌棒连接牢固。
（2）前闸门损坏
填舱停机后，人工进舱更换断裂的前闸门油缸插销。
（3）刀盘牛腿连接螺栓断裂
人工进舱，在刀盘横梁上对断裂的刀盘牛腿连接螺栓完成取出断丝、螺栓孔修复、改制高强螺栓安装等复杂工序。
（4）排泥管路损坏
利用现有管路材料研制管路抱箍处漏浆修复设备，定期对排泥管进行壁厚检测、加固。
回顾金洪区间施工过程，可谓“步步惊心”，但万般磨砺玉始成。4号线后通段的贯通，不仅是线路建设过程的一个重要里程碑，也为福州地铁攻克过江和复杂地质难题积累了丰富经验，推动了复合地层盾构施工技术的发展。