地质条件和盾构设备的适应性极大影响工程质量、进度和成败，地质条件决定使用的盾构设备，由于跨海隧道工程水文地质情况复杂且不确定性较强，盾构设备的适应性分析尤为重要^[1,2,3]。

国内学者就地铁盾构隧道的适应性问题开展相关研究。周迎等^[4]结合武汉越江地铁高水位、浅覆土、复合地层等环境特点，分析越江泥水盾构适应性，并提出相应控制措施;张兵等^[5]针对北京砂卵石地层，进行砂卵石地层中的大直径泥水盾构刀盘刀具配置及换刀;章龙管等^[6]针对成都地区富水砂卵石地层，分析2种不同盾构类型的适应性;龙国强^[7]结合广州地铁9号线施工经验，分析泥水盾构在上软下硬地层中的施工难点，从盾构适应性的要求和掘进参数的控制提出解决措施;冯淑芳等^[8]阐述不同地层中泥水盾构刀具磨损机理，对不同地层切刀的选择和掘进参数设置给出建议。但目前对由多孤石、上软下硬地层等多种特殊地层结合成的跨海盾构适应性还未进行研究。厦门轨道2号线海东段作为国内第1条海下盾构地铁，穿越地层条件复杂，包括淤泥、土层 (黏土、残积土) 、全风化花岗岩、辉绿岩、安山岩，全、强风化泥岩、砂岩，中、微风化变质石英砂岩、上软下硬地层及多孤石地层等。此外隧道水土压力大，施工中盾构机、管片及泥膜系统均面临挑战^[9,10]。因此，有必要针对厦门轨道2号线海东段穿越的特殊复杂地层进行适应性分析。

本文结合厦门轨道2号线穿越特殊复杂地层区间实际工况，针对盾构施工过程中可能遇到的重难点进行盾构适应性分析，并根据工程实际情况，提出主要施工难点解决措施。

厦门轨道2号线海沧大道站—东渡路站区间自海沧大道站起，先沿海沧大道向北敷设，然后以500m曲线半径下穿海沧湾公园后入海，经大兔屿穿越厦门西港，于国际码头1号泊位上岸，然后以350m曲线半径下穿邮轮城二期地块，到达东渡路站，跨海段穿越厦门西港海域，海岸线较顺直，海沧侧为滩涂潮间带，厦门西港主航道靠近厦门岛侧，宽260m。线位经过区地面标高-28.900～36.500m。勘测期间最高潮水位为3.580m、最低潮水位为-3.080m，如图1所示。

海沧大道站—东渡路站区间主要穿越地层为 (4) ₂淤泥质黏土，呈深灰色，流塑，含少量有机质，具臭味，土质较均匀。该层具天然含水量高、孔隙比大、强度低的特性，属高压缩性软弱土，工程性能不良。场区内大面积分布，层厚0.3～13.0m。 (5) ₁²粉质黏土，呈褐黄色，可塑为主，局部硬塑，土质较均匀，场区大面积分布，层厚0.4～9.95m。土体参数如表1所示。

本工程作为跨海地铁盾构隧道，施工中面临水土压力较大、地质情况复杂等施工难点，对盾构适应性提出较高要求，本项目施工难点主要如下。

1) 刀盘刀具磨损严重盾构在全断面硬岩或软硬不均地层掘进时，易发生盾构刀具磨损、偏磨等现象，甚至会造成刀盘磨损。同时，孤石及基岩凸起易造成盾构机较大磨损甚至无法正常推进，需加强刀具、刀盘、排浆泵和管路的耐磨性设计。

2) 环流系统出渣困难大粒径孤石、砂砾含量高，需有效的破碎设施、合理的泥浆配合比、排泥流速和排浆管径，避免泥浆携渣能力不足引发管路堵塞等问题。

3) 盾构密封由于本项目跨越厦门西港，施工过程中水土压力较大、盾尾密封困难，掘进中盾尾密封装置随掘进向前滑动，当配置不合理或受力后被磨损和撕拉损坏时，会使密封失效，导致隧道涌水涌泥，危及隧道内人员及设备安全。

4) 海底换刀由于地质条件复杂、埋深较大、水土压力高，在海底换刀时，容易发生涌水、涌砂、掌子面塌方等问题，直接影响人身安全。

5) 上软下硬地层盾构掘进隧道穿越特殊地层段 (软硬不均、硬岩、断裂带) 盾构掘进时，易发生盾构刀具磨损、偏磨等现象，甚至会导致刀盘脱落，造成重大影响。此外盾构穿越断裂带，不易形成泥膜，掌子面易与海水贯通。

海沧区间分盾构段、矿山段。通过专家讨论，确定盾构段施工采用泥水平衡盾构机进行，由海沧大道站始发，矿山段盾构空拼管片通过。

1) 刀盘优化设计本项目盾构机开挖直径7.043m，采用复合式刀盘 (面板+辐条) ，为使刀盘前方小粒径孤石、破碎的大粒径孤石及凸起基岩不产生堆积及撞击刀具并及时排出，需设计较大的刀盘开口率，但泥水环流系统的进浆管及排浆管直径均为300mm，因此为保证粉碎后的孤石及基岩凸起出渣顺畅，考虑刀盘开口率对掌子面稳定性的影响，厦门地铁泥水盾构刀盘开口率设计为30%，最大通过粒径29cm，刀盘开口部分设计为便于流动的楔形结构，开口逐渐变大，如图2所示。此设计有利于开挖面长条形孤石尽快进入土舱，避免在刀盘前方聚集影响刀盘顺利掘进，也减少孤石对刀盘的撞击和磨损，延长刀具使用寿命。

刀盘通过法兰安装在主轴承的内齿圈上，通过变频电机驱动。刀盘设计为双向旋转，其转速可无级调节。为使安全换刀作业，所有刀具都采用背装式，可在刀盘背面进行更换。刀盘设计为6臂式重载的理念提高了刀盘的可靠性和耐久性。此外刀盘面板焊接耐磨材料，刀盘边缘焊接耐磨条提高刀盘的耐磨损、耐冲击性能，延长刀盘寿命和提高切削精度。为加强盾构机在掘进中的适应性，本项目采用可伸缩刀盘的盾构机。

2) 刀具配置厦门轨道2号线跨海隧道区间内面临孤石及基岩凸起风险，因此盾构机刀盘应具备一定的破岩能力，故在刀盘中心配备双刃滚刀，既缩小刀间距中心，又提高刀盘破岩能力。由于本项目区间为复合地层，为满足不同地质情况，刀盘除配备滚刀外也可配备不同形式齿刀，实现滚刀和齿刀互换，同时满足软土地层与硬岩地层，刀具配置4把中心双刃滚刀、39把滚刀、42把周边刮刀、54把切刀、12把撕裂刀。合理的刀盘开口率和刀具布置能提高刀盘工作效率。

采用复合式刀盘，双刃和单刃滚刀可背后更换，刮刀和切刀可前部更换。盾构机刀盘和面板设置磨损检测装置。

本项目施工可能遇到上软下硬地层掘进困难、刀盘刀具磨损严重、掌子面坍塌、喷涌等难题，提出相应改造要求: (1) 具有破碎和排出大粒径孤石的能力，刀盘开口率为30%; (2) 盾构机应具有较高耐磨性的消耗部件 (刀具、刀盘面板等) ，以提高掘进长度、降低换刀频率; (3) 盾构机应具有防喷涌和防水性能，建议在盾尾设置4道密封刷，以保证盾构机顺利掘进; (4) 盾构机应具有地质改良的辅助性能，以适应地层变化。

受成岩环境及构造作用的影响，基岩风化极不均匀，普遍存在差异风化现象，局部中等～微风化岩凸起侵入隧道洞身范围内，花岗岩残积土及全强风化带内分布球状风化体 (孤石) 。此外沉积岩中存在抗风化能力强的硬夹层等，使隧道断面上下左右软硬不均，对盾构施工极为不利。

穿越上软下硬地层时，应首先在施工前期加强地质勘察工作，尽可能提前发现不良地质并预先完善处置措施。其次应合理设计盾构机选型，加强盾构机械与刀盘、刀具耐久性设计，通过合理选择刀盘、刀具、控制掘进参数并做好同步注浆等辅助工作，满足不同地层条件要求。此外掘进过程中应控制泥浆参数及盾构机掘进速度，减少刀具磨损;施工过程中加强对盾构设备、刀盘、刀具的管理、检修与修护，并在盾构推进过程中调整千斤顶的推力，控制盾构姿态，防止盾构机偏离设计轴线。

由于本项目地质条件复杂，存在上软下硬地层、孤石、基岩凸起段，且埋深较大、水土压力高，掘进过程中刀具将不可避免地产生严重磨损，导致偏磨、崩裂甚至脱落。为保障施工进度及施工安全，应进行海底开舱换刀。但由于海底段水土压力大、穿越土层渗透系数较高，掘进过程中面临涌水、涌砂、掌子面塌方等风险，这种风险在海底段开舱换刀过程中更大，处理不当直接影响人身安全。为妥善处理这种风险，首先应根据地层合理配置盾构刀盘、刀具，加强盾构刀具耐久性设计，尽量减少换刀次数。其次应详细分析地层特点，合理选择掘进中刀具的更换位置，高危段提前进行换刀处理。换刀前应制定换刀操作标准流程，选择合理开舱换刀工法，安全、快速更换刀具。此外，掘进过程中盾构刀具应配备刀具磨损监测装置;盾构机配备人员舱及保压装置，以满足人员带压进舱作业;盾构设备配备超前地质预报和超前注浆加固系统。

由于风化不均，盾构掘进过程中将在部分区间穿越以中风化及微风化安山岩或花岗岩为主的孤石区段及基岩凸起段，如图3所示。该区段掘进易造成盾构机较大磨损甚至无法正常推进。为保障盾构施工的安全性，应在盾构施工前对区间进行加密补勘，提前对发现的孤石及基岩凸起进行地面爆破预处理，对掘进中发现的孤石进行高压进舱处理。

对补勘发现的大块孤石及大规模基岩凸起，在条件允许的情况下进行海上爆破初步处理。

由于本项目具有水土压力大、穿越地层渗透系数较高等特点，较难平衡盾构掘进过程中的开挖面，开挖面失稳将致使前方地表产生较大隆起或沉陷;地表产生较大变形，危及地表和周边建 (构) 筑物及地下管线等，海中掘进将导致冒顶、海水回灌、泥水冒溢等事故。

为最大限度防止开挖面失稳，保障施工安全，盾构掘进中应正确计算并合理选择舱压，掘进中严格控制推进速度和排浆量，及时补给新鲜泥浆。其次应加强地表或海底沉降监测，并及时反馈监测数据，通过分析监测数据进一步调整掘进参数。本项目为实现掌子面稳定，部分区段采用海上地层注浆加固的处理方式，通过对盾体周边被扰动土体进行填充、加固，实现掌子面稳定、保压;同时加固前方地层，固结隧道范围内孤石，以利于刀具破除孤石，盾构顺利通过孤石密集段及基岩凸起段。注浆采用聚氨酯与水泥、水玻璃双液浆相结合的方式，注浆加固平面及断面如图4所示。

为尽可能避免盾尾密封失效，在盾构机上设置4道密封刷，并采用自动或手动装置经常向密封刷灌注油脂;控制注浆压力，避免同步注浆浆液损害钢丝刷，提高管片拼装质量，控制盾构姿态，以防盾构与管片间建筑空隙一边增大、一边减少，降低盾尾密封效果。盾尾密封结构如图5所示。

本项目采取如下保压措施: (1) 向盾构四周8个径向孔注入聚氨酯; (2) 脱出盾尾后，管片四周注入聚氨酯; (3) 海上注浆加固; (4) 采用平衡盾泥，在高压作用下向地层渗透，形成泥膜。

粗砂层中盾构掘进一方面对刀盘、刀具产生额外磨损，另一方面由于粗砂的高渗透性，掘进中面临更严峻的涌水涌泥问题。此外，还面临掌子面顶部砂层坍塌及掌子面与海水贯通的风险。

为使盾构机安全迅速地通过粗砂层，掘进过程中应采取如下措施:通过粗砂层前首先加强盾构机械耐久性与刀盘、刀具耐磨性设计，合理选择刀盘、刀具，控制掘进参数并做好同步注浆等辅助工作。其次，穿越粗砂层过程中，应严格把控泥浆参数及盾构机掘进速度，减少刀具磨损;施工过程中加强对盾构设备、刀盘、刀具的管理、检修与维护。此外，在上软下硬隧洞段及上土下基岩隧洞段，盾构推进需调整千斤顶的推力，控制盾构姿态，防止盾构机偏离设计轴线。对下部强度较高、体积较大的基岩凸起，盾构施工前先利用矿山法段端部对微风化变质石英砂岩采取爆破处理，然后注浆加固盾构开挖范围及拱部3m内的粗砂层。此外，掘进过程中应加强监控量测，及时反馈并分析监控量测数据，依据该数据进一步修正优化施工参数。

厦门轨道2号线跨海段主要穿越上软下硬地层段，同时面临孤石及基岩凸起、部分区段盾构拱部穿越粗砂层等地质问题，面临的施工技术难题主要包括:上软下硬地层掘进困难、刀盘刀具磨损严重、开挖面易失稳等。针对以上施工技术重难点，本文提出相应的应对措施及设备改造要求，主要包括: (1) 具有破碎和排出大粒径孤石的能力，刀盘开口率为30%; (2) 盾构机应具有较高耐磨性的消耗部件 (刀具、刀盘面板等) ，以提高掘进长度、减少换刀频率; (3) 盾构机应具有防喷涌和防水性能，建议在盾尾设置4道密封刷，以保证盾构机顺利掘进; (4) 盾构机应具有盾体注浆等辅助性能，以适应地层变化。