福州地铁4号线一期工程1标段8区间
福州地铁4号线一期工程1标全长约9.57km，位于福州市仓山区和鼓楼区。区间横穿闽江，自橘园站至塔头站共含8站9区间1停车场1出入场线。车站为地下岛式车站，金牛山站与东街口站为地下3层车站，其余均为地下2层车站。其中白马北路站、东街口站、省立医院站采用盖挖逆作法施工。
圆形主隧道外径Φ6.2m、内径Φ5.5m，管片采用通用双面楔形衬砌环形式，隧道埋深9～35m。区间工程采用土压平衡盾构机、泥水平衡盾构机、多个断面矩形顶管机进行施工。
基坑难题一：“土层“软硬兼备”、差异大
福州地层软硬交互，土质差异大。黄土、淤泥质土、粉质黏土、沉积土、中粗砂及各类硬岩等兼备。以省立医院站为例，车站西段约三分之一的地下二层结构位于坚硬的花岗岩范围内。施工的难点在于地下连续墙施工，如何处理复杂地层中孤石及硬岩层是头等难题。
省立医院站基坑下卧硬质岩层
与之相反的是橘园站，车站底板位于中粗砂地层，土体具有孔隙比较大、渗透性强、强度低、易扰动的特点。地下水系发达，该地层与下部承压水水力联通，处理不当将会造成涌水涌砂，对工程造成不利影响。
橘园站基坑下铺中粗砂层
关键技术一：因地制宜，双管齐下
近几年，在硬岩中施工地下连续墙已经越来越多，一般根据设计要求，地下墙底部进入
中风化岩石不少于2m即可，中风化岩石强度一般在40～60MPa，国内入岩地下墙施工案例记载，岩石强度一般不高于100MPa，当岩石强度超过80MPa时，任何单一的成槽设备都无法铣槽作业，强行铣槽作业效率非常低，且损耗巨大。
上海隧道工程有限公司在2011年首先完成了香港昂船洲泵站地下墙，该工程地下墙厚1.5m，深65m，地下墙遇到花岗岩强度达到120MPa。之后，又先后完成了岳阳洞庭湖大桥、广州虎门二桥、武汉杨泗岗大桥、深圳妈湾隧道、温州瓯江隧道、武汉三阳路隧道、武汉地铁7号线科普公园站等在硬岩地层中施工的地下墙，其中温州瓯江隧道地下墙凝灰岩强度高达160MPa。
在前期积累的实践基础上，上海隧道在硬岩地层地下墙施工中针对不同地下墙厚度、入岩深度和入岩强度总结“锤铣结合”工艺、利用旋挖钻机引孔的“钻铣结合”等硬岩中地下连续墙成槽工艺，显著提高了在超过100MPa岩石中地下连续墙的成槽工效。
针对福州地铁4号线硬质岩层，建立地下墙入岩初步BIM信息模型，增加补勘，摸清底下岩层孤石。不断对施工方案进行优化，最终形成“成槽机+铣槽机+冲锤”施工模式，使得后期地墙施工工期缩短一半，效率大大提升。
省立医院站后期成槽效率图
针对中粗砂地层，北坑利用天然隔水层进行疏水。南中坑施作5m水平封底加固，从而隔断上下部水力联系，疏干降水。同时在坑外设置备用井保驾护航。多种措施下单井出水量从80m3/h降至30m3/h，减渗效果达到62.5%。
基坑难题二：交通动脉下静默施工
白马北路站、东街口站和省立医院站均位于车水马龙的福州中心城区。上覆的杨桥东路、杨桥中路、东街、东大路贯穿鼓楼区，是福州市东西向交通大动脉。交通导行需遵守“借一还一”原则。在东街口站，建设团队在进行道路改造后提供了宽21m的机动车道，而留给自己的施工场地仅有14～18m宽。与之相邻的东百商城引领了福州商业数十年，离地8.8m的东百空中廊桥就横亘在施工场地之上，机械施工受到很大限制。
城区中心狭小施工场地示意图
关键技术一：盖挖逆作法
建设团队大胆求证、因地制宜，最终采用盖挖逆作法进行中心城区地铁车站建设。与明挖顺作法最大不同之处在于：先施作顶板回填后依次“从上而下”施作主体结构，有效降低施工对中心城区的影响。
①显著提高基坑开挖和结构施工阶段场地的利用率。实现挖土、出土连续作业，确保施工效率。
②提前形成框架体系，利于周边重要建(构)筑物的变形控制。
③对地表交通影响最小，保证鼓楼区交通大动脉的顺畅运行。
工程前期至结束进行多达6次的精细化场地翻交，分步骤地完成整个施工，盖挖逆作法的施行让白马北路站在二期围场阶段让出了一条车道；省立医院、东街口站建设时则拓宽了人行道，大大缓解了主干道交通压力。
盖挖逆作法现场施行示意图
基坑难题三：江景巨坑精耕细作
整体下沉式的洪塘停车场是福州4号线项目一大亮点所在，停车场占地面积约16.48公顷，相当于23个足球场大小。基坑开挖深度7.05m～9.0m、坑中坑为12～15m，所处地层为含泥中粗砂，且与周边水系相通，西侧120m是乌龙江，东侧48m则是洪湾河。基坑又大又深、开挖工序复杂且需交叉施工、丰水期土层降水难度大，这一系列的难题给基坑及“坑中坑”的整体安全带来了风险。
停车场现场施工
关键技术一：多重措施、优化工艺
分区块、流水线作业
将16.48公顷场地化整为零，设置42个“小区块”。先移交区块先施工，分批移交，有序搭接流水作业，满足业主移交节点。
增加了“坑中坑”支护措施
与设计院、业主主动沟通，进一步优化施工方案，增加三轴搅拌桩支护措施，以强支护确保坑中坑开挖安全。
优化型钢转换结构安装工艺
深化钢结构图纸设计，将型钢转换结构安装由“3段次安装2次校调”优化成“2段次安装1次校调”。减少吊装次数，降低施工风险的同时提高施工效率。
严格做好生产性降水试验
核对含水层渗透系数及涌水量，降水过程中采取提升降水井施工质量、加强施工巡视等各项保障措施。合理设置明排水体系，确保大流量排水能力。
通过上述措施，单段结构流水段施工节约20d，减少了一次工序交叉更替施工，确保业主施工节点的实现。
停车场分区块流水线作业示意图
隧道难题一：“狡猾多变”的复合地层
福州市区地层多变，隧道设计线路上存在多种性质差异较大的地层：“豆腐状”的流塑性淤泥地层、“粘糕状”的黏土地层、富水砂性地层、遇水易软化砂性风化地层、“金刚石”中风化岩层（岩层强度最高达172MPa）和孤石等，隧道掘进设备在如此多变地层中掘进易出现盾构磕头、刀盘结泥饼、刀具磨损、土体超挖、地面塌陷、滞排冒顶等施工难题。
关键技术一：多手段“号脉”隧道地层
为了更准确地掌握盾构推进时的地层情况，特别是风化岩层中可能存在的孤石、基岩凸起的岩面线等工况，确定了“先分析勘察资料确定可疑区域，其次微动粗探梳理问题区域，再地震波跨孔细探风险区域，最后钻孔取芯判断确认”的地质补勘思路。
微动探测法、地震波跨孔层析成像法以及钻孔取芯法3种相互结合的补勘方法大大提高了盾构推进断面内地层认定的准确度，能够提前确认是否存在孤石，获取更为准确的岩面线和岩层强度等指标，为盾构顺利掘进提供前提保障。
微动探测法
地震波跨孔层析成像法
关键技术二：多角度选型盾构设备
“工欲善其事，必先利其器”。充分考虑福州地区的复杂地层情况、始发接收和切削穿越等工况，开展盾构设备的多角度精细化选型，实现每个区间隧道的量身定制。针对不同区间，盾构机优先确定刀盘扭矩、推力等核心参数和性能，重点核查刀具形式和种类，再合理选配渣体改良、慢速推进、超前注浆、壳体注浆、气压辅助、辅助开舱换刀等系统，以到达适应掘进的需求。如西二环站—白马北路站区间以软土地层为主，盾构始发前减少滚刀数量，既保证了盾构始发切削地墙的能力，又确保了软土地层中刀盘的合理开口率，还改善了因盾构刀盘偏重而引发的软土地层磕头现象。如橘园站—园亭路站区间的砂性地层，盾构刀盘刀具采用球齿滚刀，既保证了推进效率，又不降低了滚刀偏磨现象。
西二环站—白马北路站区间初装刀具布置图及球齿滚刀图
关键技术三：多样化掘进模式控制
福州地区地质多变，不同区间地质差异较大，同一区间内也存在截然不同的地质工况，通过优选多样化的掘进模式保障了盾构施工效率。如东街口站—省立医院站区间存在流塑淤泥地层、硬塑黏粘土地层、风化岩层和全断面硬岩层，还存在基岩凸起的上软下硬复合地层。针对不同的地层采取了不同的掘进模式，淤泥地层采取了土压平衡模式，合理设置土压力、控制盾构坡度等措施避免盾构机磕头；硬塑黏土地层自立性较好，采取气压辅助掘进模式，辅助避免结泥饼现象；全断面硬岩地层采取欠压或敞开式掘进，有效减少刀具磨损；基岩凸起采用爆破预处理，考虑气压冒顶因素，采取了气压辅助和欠压结合的掘进模式。
气压辅助掘进时实施了辅助气压、舱内土面及土压力等参数的动态监控手段，实现了掘进效率、排渣、刀具磨损和泥饼防范等方面的综合控制，同时针对成型隧道沿线地面开展地质雷达地层空洞探测，确保掘进施工沉降切实可控。
东街口站—省立医院站区间地质剖面图
关键技术四：多方法开舱更换刀具
结合地层特征和工况，施工过程中采取了多种方法的开舱更换刀具措施，保障了盾构掘进性能和周边环境安全。开挖面稳定性较好的岩层或自立性较好的硬塑地层，且临近无富水地层的工况条件，采用常压开舱，其作业条件相对好且效率快。直立性差或富水砂层等地层，采用带压开舱防范，是利用气压保持开挖面稳定，一般需采取保障气密性的措施，既通过盾尾环箍注浆、壳体注浆、正面建立泥膜、土舱置换等措施建立保压和舱内作业条件，气压建立且开挖面稳定后再实施开舱换刀。地层气密性差及无法建立泥膜保障气密性的特殊工况，采取地层加固处理，如橘园站—园亭路站区间隧道位于全断面砂层，地层气密性较差无法建立泥膜，采用了磷酸和水玻璃为主材的wss工法加固，既改善了地层气密性，顺利实现带压进舱换刀，又避免了水泥系加固包裹盾构刀盘及本体的不利现象。
常压开舱时舱内情况
在已贯通的盾构区间中，完成了10段中风化岩层基岩凸起段（其中2段实施爆破预处理）掘进，成功实施各类工况的多次开舱换刀作业，所有区间成型隧道质量良好，地面及周边环境安全可控。
带压开舱时舱内情况
隧道难题二：复合地层盾构下穿居民楼
橘园站~园亭路站区间右线隧道430～440环处，盾构穿越了金山工业区鼓楼配套公寓房屋。房屋为7层框架结构，基础采用φ400mm和φ500mm预应力PHC混凝土管桩，1号公寓楼桩基与区间顶部最小竖向距离仅为0.58m。穿越段隧道上部为砂土状强风化地层（遇水易软化，地基承载力500kPa，渗透系数6×10-4cm/s），下部为中风化花岗岩地层（最大强度141.8MPa，岩石完整度高），上部“豆腐”地层易软化透水，下部“硬骨头”地层坚硬。
盾构在上软下硬地层中穿越房屋时，下部岩层硬度大，导致掘进速度较慢和刀具磨损；上部地层稳定性差，易产生超挖；且面临临近房屋的开舱换刀作业风险。掘进超挖和开舱换刀均可能导致房屋的不均匀沉降、开裂、倾斜，进而引发重大风险。
隧道与房屋位置关系图
关键技术一：软弱地层预加固结合房屋隔离桩保护
为主动降低盾构掘进穿越风险，采取地面预加固隧道上部的软弱地层和隔离桩隔离隧道与侧面房屋的保护措施。比选地面加固工艺后，采用了Φ800mm三重管双高压旋喷桩，加固范围是底部至中风化岩层、隧道两侧至地面，隧道中部至顶上6m的区域。隔离桩采用Φ300mm树根桩。
地面预加固处理及隔离树根桩示意图
关键技术二：预设换刀点主动更换刀具
为规避房屋下方开舱换刀的风险，在穿越房屋前预设换刀点进行开舱检查和刀具更换。针对盾构侧穿和下穿的两栋房屋，分别预设刀盘进入前和脱出后的两处换刀点，同时将刀具常规磨损10mm更换的标准提高至磨损5mm即进更换，并结合掘进模式设置、渣土改良和参数控制等措施规避盾构穿越期间的刀具异常磨损。
关键技术三：各环节精细化控制地层损失
充分考虑房屋附加荷载和地层特性，动态设定舱内压力值，结合不同部位的膨润土浆液和泡沫改良，实现盾构刀盘切削开挖面有效稳定。通过壳体3道径向注浆孔（前盾12个、中盾12个，盾尾4个）压注克泥效控制盾构锥形壳体段的沉降。在盾尾处，压注适量的抗剪型大比重厚浆，同时跟踪实施隧道二次双液注浆，及时充填建筑空隙和稳定隧道。针对引发地层损失的各个环节实施精细化严格防控，有效保护了房屋安全。
关键技术四：信息化监测环境变化
除常规地表监测点、建筑物沉降监测点外，隧道轴线上增设土体深层位移监测点，每隔3环布设一个，房屋设置静力水准仪自动实时监测，还配以动态巡查和工后地质雷达探测，由此实现地层、地表、结构、环境的多部位多手段的动态信息化监测和反馈体系，有效指导施工参数及措施优化。深层监测点还作为地下浅层空洞的观察孔和空洞充填的应急注浆孔作用。
盾构机高分子材料
房屋自动化监测注入系统
关键技术五：实时监控土舱内工况
基于气压辅助和欠压结合的掘进模式，在盾构机土舱顶部设置摄像头，动态掌握开挖面稳定、土舱内渣土和刀具磨损等状况，实现更科学的盾构掘进参数设置，有效控制掘进效果和环境影响。
通过有效的施工措施和精细化的管控，仅耗时9d就顺利穿越了上软下硬复合地层段的房屋，其最大沉降量仅为-2.93mm，且无不均匀沉降现象，后续的地质雷达扫描及地面钻孔取芯探测，也未发现地下空洞，房屋和施工隧道全过程处于安全状态。
土舱内摄像头监测舱内工况
隧道难题三：“豆腐块”内交叉渡线大顶管施工
地铁交叉渡线因横向净空要求较大，一般采用明挖方案。明挖方案前期需进行交通管线迁改，且占用场地大、施工周期长、交通影响大，工程造价高。机械法超大断面顶管隧道施工交叉渡线代替明挖方案，地下管线无需迁改、道路无需翻交、施工周期短、工程造价低。
福州4号线塔头站交叉渡线段是福州轨道交通首次采用超大断面类矩形顶管法工艺，区间采用10.82m×7.52m类矩形顶管机进行施工，超大断面顶管需要在“豆腐块”淤泥地层中顶进190.4m，淤泥地层承载能力低、稳定性差，长距离超大断面顶管施工过程顶管姿态、顶管顶力、地面沉降和周边环境影响等施工控制难度大。
施工方案对比
关键技术一：超大断面顶管与正线盾构之间的“敏感邂逅”
顶管隧道与盾构正线隧道之间的净间距仅为3.4～5.3m，软弱地层中两条隧道相对而行，且施工时间存在重叠，易导致地面沉降大、隧道结构变形大、测量相互影响等问题。
两条隧道之间设置Φ800隔离钻孔灌注桩，灌注桩顶端施作800mm×800mm的顶冠梁纵向连接，减少隧道施工相互影响。盾构机与顶管机切口相差5环时，顶管机保压暂停掘进，盾构机低速匀速通过，盾构机盾尾过顶管机切口5环后顶管机再恢复推进。通过加强隧道测量台复台、隧道结构变形和地面沉降监测，信息化调整施工参数、盾构隧道二次注浆和顶管隧道内压注浓泥等措施，有效保障了两隧道的质量和安全。
关键技术二：顶管顶进过程中的“润滑剂”
长距离超大断面施工，顶力控制难度大，必须做好顶管顶进过程中的减摩工作。管节外表面预先涂刷石蜡层，形成一道隔离层，减小管节与地层之间的摩擦系数。顶管机配置集控泥浆压注系统、壳体减摩注浆孔和防背土注浆孔，配合顶进实时压注减摩泥浆，减少顶管机壳体与地层之间的摩擦力，并有效防止壳体背土。管节内利用减摩注浆孔布置电动和人工结合的减摩泥浆压注系统，顶进过程中通过电动球阀定时定量和人工补充压注减摩浆液，确保减摩效果。
减摩泥浆压注系统
顶管机注浆孔与管节内注浆管路布置示意图
关键技术三：“豆腐块”中顶管姿态控制
软弱地层承载力低，顶管掘进姿态和转角难度较大。顶管施工过程中特别注重平衡压力的控制，根据沉降数据及姿态变化及时调整。设置纵向连接措施，提高顶管机与后5节管节的纵向刚度，避免顶管机产生磕头现象。施工过程中对顶管姿态和转角采取分级管控措施，勤测、勤纠、微纠，同时加强顶管和成型隧道管节偏差和转角的监测频率，及时根据不同分级利用顶进油缸、刀盘转向、铰接系统、壳体注浆实时调整姿态和转角。
关键技术四：敏感地层的周边环境控制
整个顶管段加密布置地面沉降点、管线监测点、建筑监测点，加密了监测频率，异常沉降区域每天4次。监测动态反馈指导顶管平衡压力调整和减摩泥浆压注，重点沉降区域跟踪压注浓泥厚浆，填充因顶管通道在土体中移动而造成的局部土体损失。
顶管隧道贯通时，最大顶力仅为3600t，较理论计算降低达35%。隧道轴线平面偏差为-6mm～+15mm，高程偏差为-30mm～+40mm，地面累计变形值为-18.93mm～+13.94mm，周边建构筑物的累计变形值为-5.47mm～+6.75mm。超大断面顶管工法在福州轨道交通区间正线中的首次应用取得良好效果。
并有效防止壳体背土。管节内利用减摩注浆孔布置电动和人工结合的减摩泥浆压注系统，顶进过程中通过电动球阀定时定量和人工补充压注减摩浆液，确保减摩效果。
目前，穿越闽江上软下硬复合地层的洪塘路站—金牛山站区间仍在掘进施工中。