复杂地质条件下地铁盾构始发井主体结构受力特性与优化设计研究

1、引言

近年来，城市轨道交通快速发展起来，地铁建设在复杂地质条件下暴露出越来越多技术难题，地铁工程遭遇软弱地层、高地下水位、不均匀地层等复杂地质状况且这直接危及盾构始发井主体结构的安全稳定。地铁盾构施工中始发井是重要部分，承担盾构机安装和始发关键工作且在整个工程里起着连接隧道与地面作业的核心作用，但在复杂地质条件下始发井结构常被多方面不利因素影响，如地层承载力不够、地下水渗透压力变大、地基沉降不均，这可能使结构失稳引发安全事故，所以面对这样的行业情况，研究复杂地质条件下地铁盾构始发井受力特性和优化设计非常重要。经现场调查和地质勘察发现不同地质条件对始发井结构影响差别很大，软弱地层里围护结构变形、支撑体系失效风险特别明显，而且高地下水位导致的渗漏问题也让止水措施要求更高了。为了应对这些挑战，用数值模拟和有限元分析方法建立始发井结构力学模型以全面评估它在多种工况下的受力状态。本研究想要揭示复杂地质条件下始发井结构受力规律并拿出有针对性的优化设计方案来提高结构安全性和耐久性给类似工程提供理论依据和技术支持。

2、复杂地质条件下地铁盾构始发井受力特性分析

2.1 始发井所处地质条件特征

近年来，城市轨道交通建设迅猛发展使得地铁盾构施工在复杂地质条件下的应用越来越广，近五年的统计数据表明中国每年新增地铁线路长度超 1000公里且大概 30% 的工程得在软弱地层、高地下水位或者不均匀地层这种复杂地质条件下进行，这些地质条件让始发井结构的安全性与稳定性面临严重挑战，拿某个典型工程来说，它的始发井处在深厚软土层里且地层含水量能达到 40%还存在很明显的不均匀沉降现象，并且高地下水位也让基坑开挖和支护结构设计的难度大增，研究显示这种地质条件不但会造成很大的侧向土压力，而且会引发渗流破坏、地表沉降之类的问题从而直接危始发井结构的整体性能，所以要研究始发井受力特性，深入分析地质条件特征是关键的前提。

2.2 始发井主体结构受力模式

复杂地质条件下地铁盾构始发井的力学模型是依据数值模拟和有限元分析方法建立起来的，这揭示出其主体结构的主要受力模式。研究表明，在软弱地层里，土体的侧向压力和水压力共同作用于始发井的围护结构上，且地下水位高的时候水压力对结构稳定性影响特别大，并且地层不均匀会使局部区域可能出现严重的附加应力集中现象从而造成墙体变形和裂缝扩展 [1]。模拟不同施工工况下的受力状态能发现支撑体系对控制结构变形很重要，例如初期开挖的时候支撑轴力很快变大，开挖深度超出一定临界值后墙体水平位移明显增加。另外，设置止水帷幕能有效减少渗流破坏并降低地下水压力。综合分析可知，始发井主体结构受力特性和地质条件关系紧密，所以优化设计得重点放在提高围护结构强度和刚度以及合理布置支撑体系上。

2.3 关键影响因素识别与评估

系统分析复杂地质条件下始发井结构受力特性后识别出软弱地层、高地下水位和不均匀地层是三大关键影响因素，软弱地层存在时侧向土压力会显著增加从而使围护结构变形风险加大，高地下水位因水压力作用会使结构受力负担加重且可能引发渗流破坏，不均匀地层导致附加应力集中会使墙体受力状态进一步恶化，在评估这些因素后提出一系列针对性优化措施，如加强围护结构钢筋配置、提高混凝土强度等级可有效增强抗变形能力，优化支撑体系布置方式能更好分散荷载并减小局部应力集中，改进止水措施有助于减少地下水对结构稳定性不利影响，该优化方案经多个实际工程验证结果表明其能使始发井结构安全性和耐久性明显提升，这为复杂地质条件下地铁盾构始发井设计与施工提供重要参考。

3、地铁盾构始发井主体结构优化设计方法

3.1 结构形式优化

复杂地质条件下，地铁盾构始发井面临软弱地层、高地下水位和不均匀沉降等诸多挑战从而使得主体结构稳定性要求更高，针对此情况优化设计先从结构形式着手并改进围护结构和支撑体系来提升整体承载能力。研究显示，在软弱地层里传统直壁式结构往往因土体侧向压力太大而变形甚至失稳，所以用斜撑式或者弧形支撑结构能明显改善受力分布。而且现场调查数据显示，高地下水位的地方要加大止水帷幕设计，一般把深层搅拌桩和地下连续墙相结合既可有效阻止地下水侵入又可提高结构整体刚度。这几年，中国城市轨道交通建设规模持续扩大且 2022 年全国新增地铁里程超 1000 公里，复杂地质条件下的施工案例也一年比一年多，这使结构形式优化有了大量实践依据 [2]。

3.2 材料选择与配比优化

始发井主体结构的力学性能和使用寿命直接受材料选择与配比的影响，并且在复杂地质条件下，普通混凝土往往难以兼顾高强度、高抗渗性、良好耐久性的综合要求，于是就有人提出一种高性能混凝土（HPC）优化方案，该方案的主要做法是加入适量粉煤灰、矿渣粉之类的矿物掺合料以及高效减水剂，借此把水胶比降下来、密实度提上去，实验数据表明，粉煤灰掺量在 20%-30% 的时候，混凝土抗压强度能提升大概 15% 且抗渗等级能达到 P12 及以上，这就能完全满足高地下水位环境中的使用需求，而且针对不同的地质条件还有差异化配合比设计方案，比如在富水砂层里多加纤维以增强韧性，在软弱黏土层里着重调整粗细骨料比例来减少收缩裂缝。

3.3 施工工艺改进

始发井主体结构优化方案要落地实施，施工工艺改进是重要一环，由于在复杂地质下传统开挖支护工艺常存在效率低、风险高的情况，所以本研究探寻一种新型分步开挖和动态支护相融合的方法，即开挖时带入实时监测系统，全程紧盯土体位移、地下水变况、支护应力并依据反馈数据适时调整施工参数，例如在软弱地层中，预先用超前注浆加固技术稳住周边土体后再分层开挖，一步步释放土压力以防止一次性开挖引发大面积塌方，并且针对高地下水位的涌水风险，把真空降水和深井降水创造性地结合起来形成双重降水体系，从而有效降低基坑里的水头高度。

3.4 数值模拟与参数优化

在始发井主体结构优化设计里，数值模拟技术起到关键作用，尤其在复杂地质下能精准预测结构受力状态与变形规律。研究构建起三维有限元模型并把软弱地层、高地下水位、不均匀沉降等多种因素耦合作用纳入考量范围，对不同工况下的应力场、位移场、稳定性进行全面分析。根据模拟结果，重点优化围护结构厚度、支撑间距、锚固深度等关键参数，例如在软弱地层里适当加大地下连续墙嵌固深度能大幅提高抗倾覆能力，而在高地下水位区域缩小支撑间距可分散集中荷载以降低局部失稳风险。再者，经敏感性分析发现土体弹性模量和摩擦角的变化对结构响应影响显著，所以在实际工程中应优先得到准确的地质参数 [3]。

4、结论

在轨道交通建设里，地铁盾构始发井于复杂地质条件下的设计与施工是个极具挑战性的课题，研究发现软弱地层、高地下水位、不均匀地层等地质因素显著影响始发井结构稳定性和变形特性，从而增加工程风险并让施工技术要求提高，用数值模拟和有限元分析方法明确始发井不同工况下受力特性后就能有针对性地提出像加强围护结构刚度、优化支撑体系布局、改进止水措施之类的优化设计方案，实际工程验证了这些优化措施且使始发井安全性和耐久性有显著提升，近年城市轨道交通建设规模不断增大且全国每年新增地铁里程超 800公里，使得复杂地质条件下的工程问题更突出了，这一研究成果能给类似工程提供重要参考并且对推动行业技术进步、提升工程质量有帮助。

参考文献

[1]汪涌 . BIM 技术在地铁工程项目管理中的深度应用与实践 [J]. 建设科技 , 2025, (15): 51-55.

[2]张若松 . 盾构隧道管片结构受力特性现场实测研究 [J]. 河北建筑工程学院学报 , 2025, 43 (01): 87-92+98 .

[3]胡日成. 大面积开洞盾构井结构力学特性分析[J]. 广东土木与建筑,2024, 31 (12): 73-76.