当盾构（顶管）掘进工程周边存在历史建筑物时，由于其保护标准高，需要严格控制由盾构（顶管）引起的周围地层位移变形，以确保历史建筑物的安全。不同的历史建筑物的基础结构形式与隧道开挖的变形控制要求也是不同的，需要针对不同的情况进行分析。
3.4.2.1 有无桩基
1.天然地基
当历史建筑物的基础为天然地基时，一般情况下地质条件较好或者历史建筑物的高度较低，自然状态下即可满足承担基础全部荷载的要求，不需要人工处理。盾构（顶管）掘进施工会扰动周围土层，需要控制扰动程度，尽量保持周边土质的原状性，控制土体位移。
2.桩基
盾构（顶管）掘进施工引起土体附加应力的因素主要有正面附加推力、掘进机和后续管道与周围土体之间的摩擦力以及土体损失。从作用的时间上看，正面附加推力、掘进机和后续管道与土体之间的摩擦力首先产生作用，随着掘进机的推进，土体损失的作用才开始发挥出来。当掘进隧道周围历史建筑的基础是桩基时，会改变桩基的附加荷载分布规律。
隧道的盾构（顶管）施工不可避免地靠近已有建筑物，如图3-29所示，这会引起相邻建筑物中的桩基产生附加内力和变形，甚至会造成桩基础的破坏而威胁上部结构的安全，因此，研究盾构（顶管）开挖引起的地层位移及其对邻近桩基础的影响是很有必要的。
图3-29 盾构（顶管）开挖对邻近桩基影响示意图
图3-30 桩单元受力图
熊巨华等（2013）在前人研究的基础上，基于荷载传递法引入API规范推荐的t-z和Q-z曲线，考虑桩-土界面的非线性特征，通过有限差分法的迭代求解，给出隧道开挖与邻近单桩相互作用的弹塑性解答；然后利用已有离心机试验结果验证本方法的合理性，并对其中的差异原因进行分析；最后研究了隧道开挖对邻近单桩竖向受力特性的影响规律。
（1）基本方程的建立
为了推导隧道开挖条件下被动单桩的基本方程，现作如下假定：①桩为弹性体；②土为弹塑性连续变形体；③桩土间相互作用是用连续分布的弹簧模拟，桩土不发生分离，满足变形协调条件。
根据图3-30中桩身单元的平衡条件：
式中，Up为桩界面周长；P（z）为深度z处桩的轴力；t（z）为深度z处桩侧摩阻力。
微分体的竖向应变为
式中，Ep为桩身弹性模量；Ap为桩身横截面积；Wp（z）为深度z处桩身位移。
由式（3-61）和式（3-62）可得到桩身的位移方程为
隧道开挖时在深度z处桩侧摩阻力为
式中，kz为桩侧土体弹簧刚度；Sgfz（z）为隧道开挖引起的土体自由场位移。
由式（3-63）和式（3-64）可得土体竖向位移对桩身影响的沉降控制方程为
式中，
。
（2）计算参数的选取
桩-土间的荷载传递关系采用API规范推荐的桩侧摩阻力t（或桩端抗力Q）与剪切位移z间的关系曲线，如图3-31、图3-32所示。其中，D为桩径；tmax为桩侧极限摩阻力；tres为残余侧摩阻力；Qp为极限桩端阻力；zu为临界桩端位移。
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图3-31 桩侧摩阻力-位移（t-z）关系曲线
图3-32 桩端阻力-位移（Q-z）关系曲线
极限侧阻力和极限端阻力的选取采用API规范中的方法。桩身任一点处的极限侧阻力为
式中，α为无量纲系数；su为土体的不排水抗剪强度。其中系数α可由以下方程确定：
当α＞1.0时，取α=1.0，其中ψ=su/p0，p0为有效上覆土压力。
桩基的极限端阻力为
（3）基本方程求解结果
隧道开挖引起邻近单桩竖向位移为
式中，[Wp]为桩身节点竖向位移列向量；[Kpz]为桩身竖向刚度矩阵；[Kgfz]为土体竖向刚度矩阵；[Sgfz]为隧道开挖引起的土体自由场位移列向量；[Fz]为桩身竖向外荷载列向量。
（4）隧道开挖对邻近桩基竖向影响规律
基于相关研究分析，可知隧道开挖对邻近桩基竖向影响规律有：
①随着隧道中心线与地表距离的增加，桩处土体自由场竖向位移、桩身沉降和桩身轴力先增大然后逐渐减小。
②随着隧道轴线与桩轴线距离的增加，桩处土体自由场竖向位移、桩身沉降逐渐减小，桩身轴力增大到一定值后逐渐减小。
③随着平均地层损失比的增加，桩处土体自由场竖向位移和桩身沉降不断增大，桩身轴力逐渐增大到稳定值。
④随着桩长的增加，桩身沉降不断减小，桩身轴力呈现先受拉后受压的竖向受力变化；随着桩径的增加，桩身沉降和桩身应力不断减小，桩身轴力不断增大；随着桩身刚度的增加，桩身沉降逐渐减小，桩身轴力逐渐增大到一定值。
3.4.2.2 条形基础
历史建筑物多采用条形浅基础，当其周边有隧道开挖时，为了确保历史建筑区基础的安全，需要研究盾构（顶管）隧道开挖对周边历史建筑物条形基础的影响特征，结合相应的历史建筑物保护规范进行设计。
隧道开挖对周边历史建筑物的影响因素有：隧道与建筑之间的位置关系，隧道开挖直径，隧道挖深等。盾构（顶管）隧道开挖会引起条形基础的不均匀沉降，其中当隧道处于条形基础正下方时，条形基础的不均匀沉降幅度最大，应采取加固措施，防止由于隧道开挖引起的不均匀沉降造成基础差异变形过大，进而可能引起基础破坏，甚至危及历史建筑物本身的安全。
3.4.2.3 历史建筑与盾构（顶管）隧道位置关系
盾构（顶管）开挖隧道与相邻历史建筑物之间的位置关系错综复杂，典型的位置关系有建筑物处于隧道正上方、建筑物与隧道有一定偏移。
如图3-33所示，建筑物处于隧道正上方，条形基础的变形为中间沉降最大，往两边的沉降越来越小，表现为中间大两头小。隧道与条形基础的距离用H表示，H值越小，隧道开挖对条形基础的影响越大。
图3-33 建筑物处于隧道正上方
如图3-34所示，建筑物与隧道有一定偏移，条形基础的变形为离隧道水平距离越近，沉降值越大，整体表现为向隧道方向倾斜。隧道与条形基础的距离用H表示，H值越小，隧道开挖对条形基础的影响越大。
图3-34 建筑物与隧道有一定偏移
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