龍湖森林公園山體及隧道工程總體設計及關鍵技術

2019-07-20 03:14:50葉志榮

城市道橋與防洪 2019年7期

葉志榮

（同濟大學，上海市 200092）

0 引言

隨著高速度的城市建設，大量的工程棄土和建筑垃圾也相應與日俱增，如何處理這些棄土和建筑垃圾成為一個重要的課題。鄭州龍湖森林公園利用城市建設產生的棄土和建筑垃圾進行“堆山造景”，既解決了工程棄土、建筑垃圾無處處理之苦，又起到了城市道路對森林公園的分隔作用，還增加了公園的景觀觀賞性。

1 工程背景

龍湖森林公園位于鄭州中心城區的東北部龍湖地區，位于中州大道東側、北三環北側。公園占地總體面積134.7 h m2，現狀以林地、苗圃地、魚塘、現狀堆土為主（見圖1）。

圖1 森林公園現狀地形分布圖

一方面，鄭東新區在龍湖開挖時產生了大量工程棄土，雜亂地堆置在龍湖森林公園及周邊地塊內；另一方面，圍繞龍湖的龍湖外環、中環、內環三條環路，三條主、次干路縱向貫穿森林公園，將森林公園分為了四個區域，破壞了公園景觀的完整性。在此背景下，當地主管部門組織了龍湖公園山體方案設計，通過在森林公園內人工堆山來解決棄土問題，同時保證公園空間整體的完整性，加強道路兩側景觀軸的連貫性（見圖2）。

圖2 龍湖區域道路規劃示意圖

2 場地條件

場地所處地貌單元為黃河沖積平原鄭州東部泛濫平原區。場地地貌單一，地形較平坦，局部起伏較大，最大高差約20m。現狀龍湖森林公園內堆有挖龍湖時堆積的棄土三堆，約100萬m3（見圖3）。

根據地質鉆探、現場原位測試和土工試驗成果，勘探揭露80m深度內，除表層分布有厚度不均的雜填土外，約7m以淺為新近沉積地層；7～30m為第四紀全新世沖積形成地層，主要為粉質黏土、粉土、粉細砂；30～80m為第四紀晚更新世沖積形成地層，主要為粉土、粉質黏土層。

圖3 龍湖森林公園現狀堆土示意圖

3 工程案例分析

“仰山”是奧林匹克森林公園內的主山，海拔86.5m，相對高度48m，位于五環路南側、北京城中軸線上，是公園的核心景區。“仰山”的建設是利用“鳥巢”“水立方”等周邊場館建設以及公園挖湖產生的土方堆筑完成，填方總量約500萬m3（見圖4）。

圖4 仰山效果圖

紐約中央公園是紐約最大的城市公園，是第一個完全以園林學為設計準則建立的公園，是美國第一個城市公園。地處紐約曼哈頓中央，占地843英畝（約5 000多畝）。該設計根據地形高差采用立交方式構筑了四條不屬于公園內部的東西向穿園公路，機動車輛從地下隧道穿越而過，既隱蔽又方便，也不妨礙園內游人的活動。至今人們仍認為在組織和協調城市交通方面，這一設計不愧是一個成功的先例（見圖5）。

4 山體設計

4.1 設計靈感

設計以“有風來儀”為主題，擬利用森林公園現狀堆土和次生林結構，打造人工自然環境，完善城市空間格局，營造綠色城市背景，突顯森林公園生態效應，營造現代山水格局，形成登山望湖的城市景觀空間（見圖6）。

圖5 紐約中央公園主干路處理

圖6 設計靈感

4.2 山體造型設計

在對相關工程實例及學術論文分析研究之后，通過對地基的加固處理和對填土的足夠壓實，配合以合理的施工方法和現場監測，可以實現堆填49m高的山。

山體設計占地92.2 h m2，主峰高度49 m，設計部分利用現狀堆土，模擬自然山林，串聯公園空間，形成“山如鳳舞、水似游龍”的山形空間。通過山體形態與路徑的串聯，模擬鳳凰舞動的形態。同時山體環抱的溪流猶如一條蟠曲的玉龍。游越入水，龍鳳呼應，相應成趣（見圖7）。

圖7 龍湖森林公園總體鳥瞰圖

主峰位于龍湖內環和中環之間，距離兩側道路180m左右，主峰高度為49m左右，輔峰五座，形成“一主五輔”的基本骨架。

5 市政道路設計

以龍湖內環路為例介紹穿越公園市政道路的設計。龍湖內環路森林公園段南起北三環，北至龍源一街，在進行龍湖內環路森林公園段設計時，需綜合考慮道路與公園景觀的關系。

5.1 道路總體方案比選

方案一：隧道下穿方案。為保證公園完整性，減少過境交通對森林公園的分隔。該方案龍湖內環機動車道以隧道形式下穿公園。隧道引道縱坡采用3.5%，標高下降至可穿越公園內景觀水系（見圖 8）。

圖8 方案一縱斷面設計圖（單位：m）

方案二：半暗埋式隧道方案。為保證公園完整性，同時兼顧過境交通行車舒適性，該方案擬在公園核心區域以隧道形式下穿公園。隧道引道縱坡采用3.5%，在隧道暗埋段上方需堆4m高的土坡，以保證暗埋段長度。為了保證核心區域完整性，公園規劃景觀河道需向南偏移200m（見圖9）。

圖9 方案二縱斷面設計圖（單位：m）

方案三：隧道平穿方案。僅在道路穿越山體段設置平穿隧道。森林公園在龍湖內環路其他位置通過天橋進行溝通。道路在隧道位置設置馬鞍形縱坡，保證隧道能夠自然排水，無須設置泵站（見圖 10）。

圖10 方案三示意效果圖

為了兼顧森林公園的完整性、整體景觀以及行車舒適性，有效溝通公園各功能區域，降低造價和后期維護費用。龍湖內環隧道方案推薦采用方案三，即隧道平穿方案。

5.2 隧道總體設計

隧道采用平穿的方案通過山體，在隧道縱段呈馬鞍形隧道能夠實現自排水，隧道無須設置雨、污水泵房和變電站。隧道暗埋段采用矩形箱現澆鋼筋混凝土結構，分雙向機動車道和雙向非機動車道四孔布置。利用人行道和非機動車道箱內下層空間，設置通信電纜和冷熱水管等綜合管線分箱（見圖 11）。

圖11 隧道暗埋段標準橫斷面（單位：m）

6 關鍵技術

6.1 山體數值模擬評估以及地基加固

研究以往工程以及相關文獻發現，部分人工堆山工程由于地基承載力不足或地基變形過大而發生坍塌事故，造成巨大的經濟損失，因此對山體所處地基的承載力以及變形進行分析顯得十分必要。由于山體結構以及形狀的不規則性，難以直接計算地基壓力以及地基土層的變形。考慮采用數值模擬的方法來分析地基的承載力以及變形情況。用ABAQUS6.11軟件進行有限元分析，適當簡化模型，通過山體的逐步堆載，得到地基壓力以及應力分布，對地基承載力、地基變形以及周邊建筑物的變形進行評估，并制定相應的地基處理方案。

6.1.1 數值模擬地基應力計算

山體平面形狀相當不規則，分為四座山峰，山體底部面積約351 337m2，東西跨950m，南北跨799m。考慮到數值計算量以及網格劃分，對已有的等高線數據進行濾波簡化，以此建立山體三維模型。

考慮到上部山體特性對地基變形影響不大，因此堆山土體采用彈性模型進行模擬，選取材料彈性模量為5×107，泊松比0.25，密度1 900（見圖12、圖 13）。

圖12 地基壓力云圖

從圖中可以看出，地基表面附加應力以及沉降與所堆山體的絕對標高關系很大，表面附加應力最大值為711 kPa，位于主峰投影區域。另外，場地的最大沉降為1.244m，位于主峰投影區域，與表面最大附加應力處相對應。地基最大隆起為275mm，位于主峰北部區域。為了加快地基固結以及提高地基土的承載力，防止地基失穩，需采取合理的施工措施以及地基處理方案。

圖13 沉降云圖

6.1.2 山體地基處理

對于高填土堆載工程，如果堆填速度過快，孔隙水壓力沒有得到充分消散，土體達不到充分固結，強度就不能相應增長。此時若開始下一級荷載的加載，地基就可能由于抗剪強度不足而引起剪切破壞。另一方面，過大沉降會影響地面道路的線位，引起路面結構破壞，造成市政管線下沉，影響隧道內一些配套設施使用；也會增加隧道接縫滲漏水的可能性，加大差異沉降量，對結構安全產生不利影響。通過前面的數值模擬分析可知，山峰投影區域附加應力很大，為了提高場地的地基承載力和穩定性，加快施工進度，考慮對地基進行處理，并且通過分級加載方式使地基承載力滿足設計要求。

根據工程環境、工程特點，結合經驗進行地基處理方案的比選，結果如下：

（1）工程地處中心城區，在該環境內不宜采用振動大、噪聲大、對周邊地面影響大的強夯和強夯置換地基處理方法。

（2）由于場地面積巨大，采用水泥土攪拌樁、碎石樁、石灰樁、C F G樁或鋼筋混凝土樁等形成復合地基造價較高。

（3）通過排水固結法加快地基固結，控制施工荷載，逐步增強地基強度，施工方便、造價較低。

最終地基處理方案如下：設置9m長的塑料排水板，打穿第三層粉質黏土。按照堆高范圍，設置間距1m、1.3m兩種布置，并鋪設砂墊層，以增加孔隙水排出途徑，縮短排水距離，有效減少超靜孔隙水壓力的增長和改善土性。

在堆填砂墊層前應平整場地，布置排水盲溝，在盲溝交叉位置，設置集水井收集雨水，在堆山過程中采用預制混凝土管接長并及時抽出。

6.2 山體與隧道相互作用分析

6.2.1 數值模型建立

由于中環隧道以及內環隧道橫穿山體，山體堆筑過程的附加應力擴散以及側向土壓力會對隧道的變形以及沉降產生影響，故選取山體以及隧道最不利斷面（見圖14），利用aba q u s二維有限元對其進行影響評估。

圖14 分析斷面（1-2-3）

隧道采用實體單元，中環、內環隧道均為兩幅，隧道尺寸參照設計方案，為簡化建模，通信電纜及冷熱管不予考慮。為減少邊界效應影響，地基寬度取為山體寬度的2倍，地基深度取為山體高度的3倍，經過試算，邊界處相對位移較小。隧道與土體之間接觸包括法相接觸和豎向接觸，法相接觸采用硬接觸，切向約束為摩擦接觸，摩擦系數取為0.42。模型如圖15所示（左側隧道為中環隧道，右側隧道為內環隧道）。

圖15 隧道與山體關系模型

6.2.2 隧道變形分析

中環、內環隧道分別采用雙幅箱體設計，如模型所示，對4個箱體從左至右分別命名箱體1、箱體2、箱體3、箱體4。箱體2由于中環隧道距離主峰較近，受力以及變形情況最為不利，故選取最不利箱體進行詳細分析，并將所有箱體的沉降以及土壓力情況匯總成表格。

最不利箱體（靠近主峰）沉降以及土壓力分布分析如圖16、圖17所示。由于山體高度不一致，造成隧道箱體兩側附近應力大小不同，致使隧道底部產生不均勻沉降。圖中給出了隧道沉降的分析路徑和沉降曲線。從圖中可以看出，隧道底部沉降基本為線性分布，靠近主峰一側山體沉降大，不均勻沉降差為50mm，最大豎向沉降為210mm。