引言

地铁隧道工程一般面临复杂的地质态势，这对支护结构的设计及施工构成严峻挑战，支护结构不仅要维持隧道的稳定性，还得抗衡地下水、地震等外部因素的干扰，普通的支护设计措施往往难以应付复杂的地质条件，优化设计成为攻克这些问题的关键，跟随科技的演进，数值模拟技术的施行、新型支护材料的采用，再加上施工技术的革新，皆为地铁隧道支护结构的完善提供新的途径，本文会探寻复杂地质情形里的支护结构优化途径，为地铁隧道安全施工提供科学例证。

1地铁隧道支护结构的重要性

1.1支护结构在地铁隧道施工中的核心作用

支护结构于地铁隧道施工作业中起到十分重要的作用，是维持隧道于开挖进程中稳定及安全的根基，地铁隧道实施开挖作业一般需穿越复杂地质层，这些地层也许涵盖软土、沙土、岩层或地下水充足的区域，使工程施工面临着巨大挑战，处于该种环境之下，支护结构的关键功能是阻止周围土体或岩层产生变形、坍塌或位移，由此保障隧道施工得以顺利推进^[1]。

支护结构凭借支撑四周土体，保障隧道开挖后的地层安稳，预防施工阶段出现塌方，特别是在软质黏土或松散土层剖面，支护结构可有效分散土体所受压力，维护施工人员及设备的安全，支护结构同样能够有力地阻挡地下水渗透，防止水流侵入隧道施工区域，致使渗水与软化难题，由此影响到隧道的稳定性，在高水位状况或地下水充裕的区域，此功能显得尤为关键。

1.2地铁隧道支护结构设计中的关键挑战与重要性

地铁隧道支护结构设计面临大量关键难题，特别是面对复杂地质情形时，跟常规地质条件相异，复杂地质环境体现不均匀性和不可预测性，这让支护结构的设计变得更为棘手，地质情形的变动，诸如软质土层、硬质岩层、断裂地带以及地下水位的起伏，都将对支护结构的抉择与优化产生影响，处于砂质土壤或松散砂层中，支护结构应拥有更强的承载能力以及变形适应能力；处于坚硬岩石层或断裂带周边，支护结构的抗冲击能力和耐久性成为设计重点。

伴随着城市化进程的提速，地铁隧道往往穿过现存的建筑和地下设施，增添施工的难度，尤其是在各类设施密集的城市环境里，隧道修建或许会与现有的道路、桥梁、地下管网等基础设施交叉，在施工阶段一定要高度留意施工安全和周边环境的影响，防止给地面建筑造成不必要的损毁^[2]。

1.3地铁隧道支护结构对施工安全与工程质量的重要保障作用

地铁隧道的施工安全状况和工程质量直接由支护结构设计与实施决定，支护结构在施工阶段保证施工的安全性，在隧道建成以后对其长期稳定运行的安全性起到关键作用，支护结构设计首先得考虑施工阶段中隧道的稳定性，杜绝周边土体和岩层出现失稳、坍塌或位移，尤其是面对复杂的地质条件时，支护结构的设计对保障施工人员安全意义非凡。

支护结构可有效阻止隧道开挖期间出现的地层不均匀沉降，掌控沉降的幅度与速率，防止给地面建筑物或其他地下设施造成影响，遇到软土层与地下水位较高的区域的时候，支护结构防水设计与沉降控制极为关键，能够切实杜绝地层塌方或水流渗入，由此维护施工及运营的安全^[3]。

2复杂地质条件对地铁隧道支护结构的影响分析

2.1复杂地质条件的定义与分类

复杂地质条件是指在隧道施工作业过程中，遇到的多种不稳定情形，这些因素一般会增添施工的难度，进而对支护结构设计与施工方法提出更优要求，复杂地质条件的突出特性为其多变性与不可预知性，囊括地下水位的波动情况、土层结构的非均匀状态、岩土介质的不同物理特征等，面对这些情形，一般的支护结构设计方法往往无法充分满足要求，得凭借更为精准的设计及施工技术来应对。

一般的复杂地质条件主要囊括以下几个种类：软质土层、砾石土层、破碎的岩层以及地下水量大的地区，软土层因承载能力不高且容易出现沉降，成为隧道施工中常见的复杂情形之一，碎石土体现有较强的透水能力，施工阶段容易出现渗水，造成土体失稳，出现破碎岩层及断裂带的区域，基于岩石本身的不稳定性，说不定会有滑坡或塌落现象，地下水资源充沛的区域因水位大幅变化和水压状况，大概会引起支护结构失稳^[4]。

2.2复杂地质条件对隧道支护结构安全性的影响

复杂地质情况对隧道支护结构的安全性造成显著后果，主要反映在地层的稳定情形和地下水的渗透表现，软土、砂层等松散质地的土壤易引发地面沉降、变形或塌方，由此影响到隧道的稳定状况，考虑到这些地质情形，支护结构得具备更强的承载力与变形适应能力，尤其是在软土或者不均匀的土层当中，地层沉降有概率使隧道结构出现裂缝或发生变形，甚至引发支护结构失去效用。

地下水的影响同样不容小觑，在地下水充足的区域，水流的渗透会加大支护结构的压力，引起土体软化、渗漏，从而对支护结构的强度与耐久性产生影响，尤其是在水位偏高的区域，地下水压力会引起支护结构的变形与破坏，甚至引起水流进入隧洞，给施工作业造成极大麻烦，为保证施工得以顺利推进，支护结构的设计必须着重加强防水办法，像设置防水围挡、采用抗渗材料之类，保障防水性能足以抵抗地下水的压力^[5]。

2.3复杂地质条件下常见的地质灾害及其影响

处于复杂地质环境里，常见的地质灾害大多包含涌水、滑坡和地面沉降等，这些灾害对隧道施工的安全性构成直接威胁，有概率引发施工进度的滞后和工程开支的加大，涌水问题一般出现在地下水充裕的区域，地下水突然涌入或许引发隧道开挖期间积水，增添施工难度，而且会对支护结构形成较大破坏，甚至对施工人员的安全构成威胁，为解决用水相关的问题，必须在设计阶段采取行动，像设置实用的排水系统或采用防水支撑架构^[6]。

滑坡问题大多出现在岩土层不稳定的地段，尤其是在山地或者软土层里，滑坡情形会对隧道的安全性造成直接侵害，滑坡不但会引起隧道施工区域的地面位移，还可能引起支护结构的破坏，增添施工的风险程度，在这些地带，支护结构的设计应进一步关注加固与稳定性，保证可以抵抗潜在的地质灾害。

3地铁隧道支护结构的优化设计策略

3.1支护结构的优化目标：安全性、经济性与可持续性

实施地铁隧道施工之际，支护结构开展优化设计要以保障隧道稳定性为前提，兼顾安全性、经济性及可持续性三大目标，安全性作为支护结构设计的首要目标，由于隧道建设面临复杂地质状况和高额结构负载，任何设计方面的疏漏都可能引发严重的工程事故，如遭遇塌方、地面沉降或水灌入隧道，支护结构应当具备充足的强度与稳定性，足以承受施工过程中的各类外力效应，同时维护施工环境及人员的安全^[7]。

为实现安全要求，支护结构进行设计时普遍使用安全系数（Safety Factor,SF）来度量其稳定性，安全系数相关计算公式如下：

抗力体现的是支护结构所能提供的最大抵抗力，一般涉及材料的抗压强度、抗弯强度等；驱动力为外部因素（如土体压力、水流压力等）对支护结构所施的力量，假如SF>1时，说明支护结构在当下设计条件下具备稳定性；若SF≤1时，支护结构面临失稳的风险隐患，大概会导致施工期间出现安全方面隐患。

经济性也是支护结构设计的另一个关键目标，地铁隧道搭建一般是一个长时间、资金密集投入的工程工作，怎样在保障安全性的基础上，减少设计和施工成本是设计优化的核心，工程成本主要囊括材料成本、人工成本、设备成本与施工过程当中的间接费用，为增进经济性，设计人员可凭借优化支护材料的选用、革新施工方法和缩减工期来有效减少总体成本。

为实现经济性量化这一目的，一般选用成本效益比（Cost-Benefit Ratio,CBR）来评判设计的经济性，其计算的公式如下：

效益体现优化设计造成的长期成本节省，成本表示优化设计造成的额外新增的支出，当CBR数值大于1之际，优化设计的获利超出成本，证实该设计拥有较高的经济回报；倘若CBR≤1的情形，设计取得的效益不足以弥补额外成本，应重新考量优化方案。

可持续性成为近年来支护结构设计中的新兴目标，基于环境保护及资源节约，支护结构设计不断强化可持续发展，支护结构的可持续性不只是体现在材料的选定，还囊括施工过程中的环境后果、能源消耗和废物排放等方面，优先选用环保材料，诸如高强度混凝土、可回收利用材料等，减小对环境的消极影响，使用节能的施工工艺及设备同样能进一步提高设计的可持续性^[8]。

在开展可持续性规划设计中，环境影响因子（Environmental Impact Index,EII）常被用以测算材料和施工对环境产生的影响，计算的公式如下：

其中，是指材料生产、施工过程、长期运营期内产生的环境影响（如碳排放、能源消耗等）；是指材料和施工的费用。若EII≤1，说明项目在经济上可行，并且符合可持续设计要求；若EII>1，则说明设计在环境方面的影响超过经济效益，需要考虑更环保的材料和施工方法。

3.2优化设计的方法：数值模拟与理论分析结合

数值模拟技术与理论分析相结合的方法对支护结构优化设计起着极为关键的作用，数值模拟依靠计算机软件可以模拟复杂地质情形与支护结构的动态，辅助工程师识别潜在的安全隐患和设计缺漏，以此改进设计规划，凭借设立合理的数值模型，对不同地质条件下支护结构的受力状况、变形进程和可能的失稳情况进行模拟，可为实际设计给出科学依据^[9]。

有限元分析（FEA）是目前最为普遍运用的数值模拟办法之一，依靠对支护结构开展有限元建模，可以模拟不同材料间力学性能与相互作用，以复杂地质状态下的软土层为例，利用有限元分析方式可模拟软土层在不同压力时的变形，进一步提升支护结构的设计参数，在这一实施过程中，数值模拟不仅可以预判结构的受力情形，还能辅助设计人员在设计初始阶段通过变动支护结构的几何形状、材料挑选和加固举措来提高整体安全性。

理论分析为数值模拟搭建坚实的基石，传统的土压力理论、结构力学理论以及地质学原理为支护结构设计给予理论支撑，利用实际工程案例跟理论分析联合，能够进一步审定数值模拟结果的合理性，保证设计方案的可靠性，采用地下水流模拟、地层稳定性分析和施工过程监测相结合的方式，可以做到支护结构设计的精确化与提升。

3.3新型支护结构材料与施工技术的应用

跟随材料科学和施工技术的演进，更多新型支护结构材料和施工技术投入到地铁隧道施工中，新型材料不仅可提升支护结构的强度和稳固性，还能加快施工速度并降低开支，采用高强度钢材和复合材料，不仅可减轻支护结构的自身重量，减轻施工难题，还可大幅增强支护结构的耐久性与抗腐蚀性，尤其是在湿润度高或腐蚀性强的环境中，选用具备高耐腐蚀性的复合材料可显著增加支护结构的使用时长^[10]。

盾构法作为一项先进的隧道建设技术，可于复杂地质情形下有效减少施工进程中的风险，采用全断面盾构机的方式，可同时达成隧道开挖与支护结构的安设，削减对周边环境的干扰，优化施工效率与安全水平，伴随智能监测技术的进步，实现对支护结构状态的实时监控成为现实，凭借安装传感器及智能监测系统，施工人员可实时掌握支护结构的受力、变形等数据，即时找出潜在问题并施行对应手段，保障工程施工安全。详情如表1所示。

表1新型支护结构材料与施工技术应用

结论

本文借助分析复杂地质条件对地铁隧道支护结构造成的影响，给出相应的优化设计手段，合适的支护结构设计不仅能有效处理复杂地质条件，还能保证地铁隧道施工在安全、经济和可持续方面的要求，随着数值模拟技术跟新型材料的不断进展，地铁隧道支护结构设计会更加科学、精准，期盼本文的研究能为往后的地铁隧道施工提供一定的理论借鉴与实践引导。

参考文献

[1]王远良.某大厦施工阶段地下室加层支护方案及对邻近地铁隧道影响分析[J].工程建设与设计,2025,(05):21-24.

[2]周磊,彭道强,苗龙刚.新建地下通道施工对下卧既有地铁区间隧道的影响分析[J].公路,2024,69(09):426-433.

[3]李维.某深基坑对邻近地铁隧道及车站的影响分析[J].土工基础,2023,37(06):871-876.

[4]徐成斌.下伏既有地铁隧道超大深基坑支护的设计与研究[J].土工基础,2023,37(02):217-222+240.

[5]杨强,田国峰,何博.浅埋地铁区间隧道正穿填土路基超前支护结构优化研究[J].交通世界,2022,(27):29-32.

[6]舒文韬.浅埋大跨地铁区间隧道双层初支拱盖法施工关键技术研究[D].西南交通大学,2022.

[7]钟雪.近邻既有地铁区间隧道基坑工程支护方案研究[J].运输经理世界,2021,(16):7-9.

[8]孔俊强.双排桩支护深基坑开挖对邻近地铁隧道结构安全影响分析[J].市政技术,2019,37(04):232-236.

[9]李倩雯.徐州地铁3号线银焦区间隧道开挖支护技术的研究[D].安徽理工大学,2019.

[10]卜俣帆.青岛地铁区间隧道围岩变形机制及其支护结构力学特征研究[D].山东科技大学,2019.

作者简介：宁大伟（1985.07-），男，河北清河人，汉族，本科学历，中级工程师，研究方向：土木工程。