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摘 要：随着我国城市交通的日益发展，现有的地面交通已不能满足各大城市的需求，地下轨道交通成为了一些大城市的首选。在地下轨交的新建过程中，不可避免的会与已有建筑、在建建筑、以及同时开工的建筑物的地下基础有所冲突。本课题就是以2016年～2017年间同步建设的苏州某大型卖场卖场及其下方盾构推进区段作为研究对象，通过理论估算、分析，软件建模、有限元分析，以及现场实测数据的反馈对比，较全面的总结、归纳了在特定工况的软土条件下，盾构穿越建筑物桩群对建筑物桩群、基础及主体建筑的影响。
关键词：地铁、桩群、沉降、Peck法分析、Plaxis软件分析、微扰动控制
1、工程概况及背景介绍
1.1工程概况
场地位于苏州地铁沿线“苏州新区站和发展路站”之间的区段中段内。项目用地面积约65000平方米，由主卖场、附属卸货区和室外停车场组成。
主卖场平面尺寸约为200mx100m，高度约15m，結构形式为钢筋混凝土框架，地上2层，局部夹层，无地下结构。柱网尺寸为8mx16m，基础采用预应力管桩。附属卸货区面积约100m×50m，设计荷载约20KN/m2。工程重要性等级为二级，场地等级、地基等级均为二级（中等复杂），地基基础设计等级为乙级。
1.2背景介绍
地铁将在卖场完工后推进经过其下方。地铁隧道施工方法采用盾构法推进，穿越卖场建筑物下方的地铁隧道共有两根，左线长度约两百米，右线红线内长度约一百米。其中右线上方区域仅涉及绿化带，而左线上方区域涉及附属结构卸货平台和主卖场西南角。
2、最终采用的解决方案
对于主结构西南角部分位于隧道范围内的角柱，将调整下方桩基承台位置至隧道影响范围两侧，地梁架于隧道上方，并采用地梁中段生柱的形式形成转换层，从而可以不用调整柱的位置。
虽然形成结构转换层使空间受力变得复杂，对抗震不利，需在估算时提高地梁的刚度并对转换节点部位进行加强。但考虑到当时的现场现实状况，此方案也不失为一个有效可行的应对措施。
3、地铁区段施工对已完建筑基础的影响分析
3.1Peck法估算分析
地面上任意一点沉降量估算公式如下：
式中，S（x，y）——地面任意一点沉降量（m）；S（y）——沿纵线隧道轴线分布的沉降量（m）；
i ——沉降宽度系数（m）；R——隧道半径（m）；z——地面至隧道中心的深度（m）。
采用以上描述的Peck公式，选择盾构前进方向中距离建筑物主体最靠近的情况为最不利估算工况，以盾构施工中心点为原点，盾构前进方向为y方向，建立坐标系（左下图），对盾构施工影响范围内地面的沉降进行估算预判。
根据工程参数估算结果，沿隧道轴线的纵向地面沉降见右上图。
盾构经过建筑物下方的推进过程中，在坐标的Y方向上，盾构前侧约13m地面会有上隆，最大上隆值约为0.95mm；在盾构通过的后侧，地面将表现为沉降，而且随着与盾构距离的增大，沉降值越来越大，直至趋于稳定，施工过程中最大沉降量约13mm。
从左上图可以看出相邻两个柱间的差异沉降，由于在掌子面附近地面沉降变化趋势较大，在这附近的柱子之间的差异沉降也会较大，从图中可以看出，最大的差异沉降约为（8.6-2.2）=6.4mm，柱间距为8m，基础倾斜率为0.8‰<2‰。根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011），满足差异沉降要求。
另外，在盾构推进过程中，一般情况下，在盾构推进的Y轴方向上，地面会有先上隆，然后再下降的普遍规律，这种现象也是对建筑物的不利影响，施工时需要严格控制各项参数，密切观察并控制地面位移和沉降变化。
但总体来说，盾构前侧上隆的理论估算值非常小，连1mm都未达到。所以，在采取正常、规范的施工控制措施下，完全可以做到顺利穿越。
当左线全部穿越建筑物后，地面沉降槽在纵向上一致，可以用Peck公式算得每个断面的沉降曲线，作沉降等值线图，见左上图。
根据右上图可以发现，左线隧道完全通过后，在纵向上，地面沉降分布一致，均为轴线处沉降最大，向两侧逐渐减小，影响范围约为20m（i=7.14m，约为2.5i）。
轴线处最大沉降量约为16.9mm，在20mm以内。柱间差异沉降最大约为（13.51-5.43）=8.08mm，基础倾斜率为1‰<2‰，说明在正常施工控制条件下，隧道施工完成后同样满足沉降控制要求。
左线隧道施工完成的基础上，考虑右线隧道施工至与建筑物最近的工况，并考虑左、右线隧道轴线距离为26m，估算二者叠加所产生的地面沉降值，做叠加后的地面沉降等值线图。两条隧道开挖所引起的地面沉降有叠加效应，尤其在两条隧道中间的位置，相比单线开挖时，沉降量有所增大。但是由于两线之间的间距为26m，大于沉降影响范围（约20m），所以叠加后，地面沉降的最大值增大并不明显，仍然在先前施工的右线隧道轴线处，最大沉降量约16.9mm。
同样由于两线所产生的沉降叠加效应较小，柱间的差异沉降与单线施工时相比，变化不大，从图上分析发现，该工况下，最大差异沉降同样控制在了7mm以内。因此在施工第二条线时，正常施工控制下，同样可以满足沉降控制要求。
3.2有限元软件分析
在以上采用Peck公式进行理论估算的基础上，我们再使用有限元软件“Plaxis”软件进行二维建模，选取地铁区段从侧方穿越主体结构和从下方下穿结构桩群，这两种不同工况分析隧道施工对建筑物的不利影响，确保项目的可行性。
为解决隧道穿越附属结构桩基的问题，选择增大隧道穿越部分桩基间距为9m，即隧道边界与桩基水平距离为1.5m。为分析此方案的可行性，运用Plaxis建立二维有限元模型，分析隧道开挖对既有建筑的影响。 根据隧道与附属結构的空间位置，综合选取最不利断面为14轴线断面，建立有限元模型，见下图。其中，为模拟附属结构与主体结构之间的沉降缝，将附属结构与主体结构用具有一定转动刚度的弹性铰链接；主体结构每层楼板施加4KPa活荷载，附属结构底板施加20KPa活荷载；左线隧道与相邻桩基础的水平间距为1.5m；隧道开挖引起的地层损失为1%；隧道埋深取平均埋深16m，左、右两线隧道轴线距离25m。
左下图为地面沉降曲线，可以看到最大地面沉降为17.5mm，位于右线隧道轴线附近。右下图为主体结构底板全长沉降曲线，其中，虚线表示每跨分界。可知主体结构沉降较小，最大沉降量仅为2.1mm，倾斜率远小于0.2%。由于未考虑桩基弹性压缩变形，故主体结构以下桩基最大沉降量为2.1mm，发生于紧邻附属结构的那一排桩基础。
4、分析结果汇总对比
4.1利用PECK公式估算分析表明
（1）在整个相应地铁区段施工过程中，我们定义推进前后侧地层损失率为10‰和-3‰，盾构前侧13m左右处地面会有轻微上隆，最大上隆值约为0.94mm；在盾构后方，地面沉降最大值约为13mm。
（2）盾构穿越过程中，绘制地面沉降等值线图可得柱间差异沉降最大值为6.4mm，倾斜率为0.8‰，根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011），满足差异沉降要求。
（3）右线隧道穿越完成后，轴线处地面最大沉降量约为16.9mm，在20mm以内。柱间差异沉降最大约为8.08mm，与穿越过程的工况相比，沉降的最大值增大，但柱间差异沉降为柱间距的1‰，说明在正常施工控制条件下，隧道施工完成后同样满足沉降控制要求。
（4）在右线隧道穿越完成的基础上，考虑左线隧道二次穿越的影响。估算二者叠加所产生的地面沉降值，并绘制地面沉降等值线图可知两条隧道中间位置，相比单线开挖时，沉降量有所增大。但是由于两条隧道轴线间距为26m，大于沉降影响范围（约20m），故沉降槽叠加后地面沉降的最大值仍在先前施工的右线隧道轴线处，最大沉降量约16.9mm。柱间最大差异沉降同样控制在了7mm以内。因此在施工第二条线时，正常施工控制下，同样可以满足沉降控制要求。
4.2利用Plaxis有限元分析软件表明
（1）隧道开挖对建筑物的主要影响范围为卸货区附属结构以及主体结构邻近隧道的2跨框架结构。
（2）地层损失率定义为1%时，地面最大沉降值为17.5mm，与PECK公式估算结果（16.9mm）相差约3.4%。
（3）主体结构底板最大变形发生在靠近隧道的端部，最大沉降值为2.1mm，倾斜率<0.2%，满足变形控制要求。
5、现场实测数据的反馈与分析总结
由于地铁公司的现场盾构施工有效的采取了微扰动措施，避免了额外的不利因素的影响。从现场反馈的监测数据来看，结构底板最大沉降发生在靠近隧道的端部，最大沉降量为2.3mm，斜率小于0.2%；地面的最大沉降值发生在靠近右线隧道处，最大沉降处沉降值为18mm。
从现场实测的数据来看，与Peck法理论估算值和Plaxis有限元分析软件估算结果的误差均在5%以内，相差无几。
因此，我们可以推断，在类似工况的软土地基条件下，地铁区段工程采用微扰动措施盾构推进时，由此产生的不良影响是可以依靠上述理论估算和分析，进行可靠预判的。
关键词：地铁、桩群、沉降、Peck法分析、Plaxis软件分析、微扰动控制
1、工程概况及背景介绍
1.1工程概况
场地位于苏州地铁沿线“苏州新区站和发展路站”之间的区段中段内。项目用地面积约65000平方米，由主卖场、附属卸货区和室外停车场组成。
主卖场平面尺寸约为200mx100m，高度约15m，結构形式为钢筋混凝土框架，地上2层，局部夹层，无地下结构。柱网尺寸为8mx16m，基础采用预应力管桩。附属卸货区面积约100m×50m，设计荷载约20KN/m2。工程重要性等级为二级，场地等级、地基等级均为二级（中等复杂），地基基础设计等级为乙级。
1.2背景介绍
地铁将在卖场完工后推进经过其下方。地铁隧道施工方法采用盾构法推进，穿越卖场建筑物下方的地铁隧道共有两根，左线长度约两百米，右线红线内长度约一百米。其中右线上方区域仅涉及绿化带，而左线上方区域涉及附属结构卸货平台和主卖场西南角。
2、最终采用的解决方案
对于主结构西南角部分位于隧道范围内的角柱，将调整下方桩基承台位置至隧道影响范围两侧，地梁架于隧道上方，并采用地梁中段生柱的形式形成转换层，从而可以不用调整柱的位置。
虽然形成结构转换层使空间受力变得复杂，对抗震不利，需在估算时提高地梁的刚度并对转换节点部位进行加强。但考虑到当时的现场现实状况，此方案也不失为一个有效可行的应对措施。
3、地铁区段施工对已完建筑基础的影响分析
3.1Peck法估算分析
地面上任意一点沉降量估算公式如下：
式中，S（x，y）——地面任意一点沉降量（m）；S（y）——沿纵线隧道轴线分布的沉降量（m）；
i ——沉降宽度系数（m）；R——隧道半径（m）；z——地面至隧道中心的深度（m）。
采用以上描述的Peck公式，选择盾构前进方向中距离建筑物主体最靠近的情况为最不利估算工况，以盾构施工中心点为原点，盾构前进方向为y方向，建立坐标系（左下图），对盾构施工影响范围内地面的沉降进行估算预判。
根据工程参数估算结果，沿隧道轴线的纵向地面沉降见右上图。
盾构经过建筑物下方的推进过程中，在坐标的Y方向上，盾构前侧约13m地面会有上隆，最大上隆值约为0.95mm；在盾构通过的后侧，地面将表现为沉降，而且随着与盾构距离的增大，沉降值越来越大，直至趋于稳定，施工过程中最大沉降量约13mm。
从左上图可以看出相邻两个柱间的差异沉降，由于在掌子面附近地面沉降变化趋势较大，在这附近的柱子之间的差异沉降也会较大，从图中可以看出，最大的差异沉降约为（8.6-2.2）=6.4mm，柱间距为8m，基础倾斜率为0.8‰<2‰。根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011），满足差异沉降要求。
另外，在盾构推进过程中，一般情况下，在盾构推进的Y轴方向上，地面会有先上隆，然后再下降的普遍规律，这种现象也是对建筑物的不利影响，施工时需要严格控制各项参数，密切观察并控制地面位移和沉降变化。
但总体来说，盾构前侧上隆的理论估算值非常小，连1mm都未达到。所以，在采取正常、规范的施工控制措施下，完全可以做到顺利穿越。
当左线全部穿越建筑物后，地面沉降槽在纵向上一致，可以用Peck公式算得每个断面的沉降曲线，作沉降等值线图，见左上图。
根据右上图可以发现，左线隧道完全通过后，在纵向上，地面沉降分布一致，均为轴线处沉降最大，向两侧逐渐减小，影响范围约为20m（i=7.14m，约为2.5i）。
轴线处最大沉降量约为16.9mm，在20mm以内。柱间差异沉降最大约为（13.51-5.43）=8.08mm，基础倾斜率为1‰<2‰，说明在正常施工控制条件下，隧道施工完成后同样满足沉降控制要求。
左线隧道施工完成的基础上，考虑右线隧道施工至与建筑物最近的工况，并考虑左、右线隧道轴线距离为26m，估算二者叠加所产生的地面沉降值，做叠加后的地面沉降等值线图。两条隧道开挖所引起的地面沉降有叠加效应，尤其在两条隧道中间的位置，相比单线开挖时，沉降量有所增大。但是由于两线之间的间距为26m，大于沉降影响范围（约20m），所以叠加后，地面沉降的最大值增大并不明显，仍然在先前施工的右线隧道轴线处，最大沉降量约16.9mm。
同样由于两线所产生的沉降叠加效应较小，柱间的差异沉降与单线施工时相比，变化不大，从图上分析发现，该工况下，最大差异沉降同样控制在了7mm以内。因此在施工第二条线时，正常施工控制下，同样可以满足沉降控制要求。
3.2有限元软件分析
在以上采用Peck公式进行理论估算的基础上，我们再使用有限元软件“Plaxis”软件进行二维建模，选取地铁区段从侧方穿越主体结构和从下方下穿结构桩群，这两种不同工况分析隧道施工对建筑物的不利影响，确保项目的可行性。
为解决隧道穿越附属结构桩基的问题，选择增大隧道穿越部分桩基间距为9m，即隧道边界与桩基水平距离为1.5m。为分析此方案的可行性，运用Plaxis建立二维有限元模型，分析隧道开挖对既有建筑的影响。 根据隧道与附属結构的空间位置，综合选取最不利断面为14轴线断面，建立有限元模型，见下图。其中，为模拟附属结构与主体结构之间的沉降缝，将附属结构与主体结构用具有一定转动刚度的弹性铰链接；主体结构每层楼板施加4KPa活荷载，附属结构底板施加20KPa活荷载；左线隧道与相邻桩基础的水平间距为1.5m；隧道开挖引起的地层损失为1%；隧道埋深取平均埋深16m，左、右两线隧道轴线距离25m。
左下图为地面沉降曲线，可以看到最大地面沉降为17.5mm，位于右线隧道轴线附近。右下图为主体结构底板全长沉降曲线，其中，虚线表示每跨分界。可知主体结构沉降较小，最大沉降量仅为2.1mm，倾斜率远小于0.2%。由于未考虑桩基弹性压缩变形，故主体结构以下桩基最大沉降量为2.1mm，发生于紧邻附属结构的那一排桩基础。
4、分析结果汇总对比
4.1利用PECK公式估算分析表明
（1）在整个相应地铁区段施工过程中，我们定义推进前后侧地层损失率为10‰和-3‰，盾构前侧13m左右处地面会有轻微上隆，最大上隆值约为0.94mm；在盾构后方，地面沉降最大值约为13mm。
（2）盾构穿越过程中，绘制地面沉降等值线图可得柱间差异沉降最大值为6.4mm，倾斜率为0.8‰，根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011），满足差异沉降要求。
（3）右线隧道穿越完成后，轴线处地面最大沉降量约为16.9mm，在20mm以内。柱间差异沉降最大约为8.08mm，与穿越过程的工况相比，沉降的最大值增大，但柱间差异沉降为柱间距的1‰，说明在正常施工控制条件下，隧道施工完成后同样满足沉降控制要求。
（4）在右线隧道穿越完成的基础上，考虑左线隧道二次穿越的影响。估算二者叠加所产生的地面沉降值，并绘制地面沉降等值线图可知两条隧道中间位置，相比单线开挖时，沉降量有所增大。但是由于两条隧道轴线间距为26m，大于沉降影响范围（约20m），故沉降槽叠加后地面沉降的最大值仍在先前施工的右线隧道轴线处，最大沉降量约16.9mm。柱间最大差异沉降同样控制在了7mm以内。因此在施工第二条线时，正常施工控制下，同样可以满足沉降控制要求。
4.2利用Plaxis有限元分析软件表明
（1）隧道开挖对建筑物的主要影响范围为卸货区附属结构以及主体结构邻近隧道的2跨框架结构。
（2）地层损失率定义为1%时，地面最大沉降值为17.5mm，与PECK公式估算结果（16.9mm）相差约3.4%。
（3）主体结构底板最大变形发生在靠近隧道的端部，最大沉降值为2.1mm，倾斜率<0.2%，满足变形控制要求。
5、现场实测数据的反馈与分析总结
由于地铁公司的现场盾构施工有效的采取了微扰动措施，避免了额外的不利因素的影响。从现场反馈的监测数据来看，结构底板最大沉降发生在靠近隧道的端部，最大沉降量为2.3mm，斜率小于0.2%；地面的最大沉降值发生在靠近右线隧道处，最大沉降处沉降值为18mm。
从现场实测的数据来看，与Peck法理论估算值和Plaxis有限元分析软件估算结果的误差均在5%以内，相差无几。
因此，我们可以推断，在类似工况的软土地基条件下，地铁区段工程采用微扰动措施盾构推进时，由此产生的不良影响是可以依靠上述理论估算和分析，进行可靠预判的。