龍湖森林公園山體及隧道工程總體設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)

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(shè)，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(shè)產(chǎn)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(qū)的東北部龍湖地區(qū)，位于中州大道東側(cè)、北三環(huán)北側(cè)。公園占地總體面積134.7 h m2，現(xiàn)狀以林地、苗圃地、魚塘、現(xiàn)狀堆土為主（見圖1）。

圖1 森林公園現(xiàn)狀地形分布圖

一方面，鄭東新區(qū)在龍湖開挖時產(chǎn)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(nèi)；另一方面，圍繞龍湖的龍湖外環(huán)、中環(huán)、內(nèi)環(huán)三條環(huán)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(qū)域，破壞了公園景觀的完整性。在此背景下，當?shù)刂鞴懿块T組織了龍湖公園山體方案設(shè)計，通過在森林公園內(nèi)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(cè)景觀軸的連貫性（見圖2）。

圖2 龍湖區(qū)域道路規(guī)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(qū)。場地地貌單一，地形較平坦，局部起伏較大，最大高差約20m?，F(xiàn)狀龍湖森林公園內(nèi)堆有挖龍湖時堆積的棄土三堆，約100萬m3（見圖3）。

根據(jù)地質(zhì)鉆探、現(xiàn)場原位測試和土工試驗成果，勘探揭露80m深度內(nèi)，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(zhì)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(zhì)黏土層。

圖3 龍湖森林公園現(xiàn)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(nèi)的主山，海拔86.5m，相對高度48m，位于五環(huán)路南側(cè)、北京城中軸線上，是公園的核心景區(qū)?！把錾健钡慕ㄔO(shè)是利用“鳥巢”“水立方”等周邊場館建設(shè)以及公園挖湖產(chǎn)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(shè)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(shè)計根據(jù)地形高差采用立交方式構(gòu)筑了四條不屬于公園內(nèi)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(nèi)游人的活動。至今人們?nèi)哉J為在組織和協(xié)調(diào)城市交通方面，這一設(shè)計不愧是一個成功的先例（見圖5）。

4 山體設(shè)計

4.1 設(shè)計靈感

設(shè)計以“有風來儀”為主題，擬利用森林公園現(xiàn)狀堆土和次生林結(jié)構(gòu)，打造人工自然環(huán)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(tài)效應，營造現(xiàn)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(shè)計靈感

4.2 山體造型設(shè)計

在對相關(guān)工程實例及學術(shù)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(xiàn)場監(jiān)測，可以實現(xiàn)堆填49m高的山。

山體設(shè)計占地92.2 h m2，主峰高度49 m，設(shè)計部分利用現(xiàn)狀堆土，模擬自然山林，串聯(lián)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(tài)與路徑的串聯(lián)，模擬鳳凰舞動的形態(tài)。同時山體環(huán)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(nèi)環(huán)和中環(huán)之間，距離兩側(cè)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(shè)計

以龍湖內(nèi)環(huán)路為例介紹穿越公園市政道路的設(shè)計。龍湖內(nèi)環(huán)路森林公園段南起北三環(huán)，北至龍源一街，在進行龍湖內(nèi)環(huán)路森林公園段設(shè)計時，需綜合考慮道路與公園景觀的關(guān)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(nèi)環(huán)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(nèi)景觀水系（見圖 8）。

圖8 方案一縱斷面設(shè)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(qū)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(qū)域完整性，公園規(guī)劃景觀河道需向南偏移200m（見圖9）。

圖9 方案二縱斷面設(shè)計圖（單位：m）

方案三：隧道平穿方案。僅在道路穿越山體段設(shè)置平穿隧道。森林公園在龍湖內(nèi)環(huán)路其他位置通過天橋進行溝通。道路在隧道位置設(shè)置馬鞍形縱坡，保證隧道能夠自然排水，無須設(shè)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(qū)域，降低造價和后期維護費用。龍湖內(nèi)環(huán)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(shè)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?qū)崿F(xiàn)自排水，隧道無須設(shè)置雨、污水泵房和變電站。隧道暗埋段采用矩形箱現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，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(nèi)下層空間，設(shè)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(guān)鍵技術(shù)

6.1 山體數(shù)值模擬評估以及地基加固

研究以往工程以及相關(guān)文獻發(fā)現(xiàn)，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(fā)生坍塌事故，造成巨大的經(jīng)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(jié)構(gòu)以及形狀的不規(guī)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(shù)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(shù)值模擬地基應力計算

山體平面形狀相當不規(guī)則，分為四座山峰，山體底部面積約351 337m2，東西跨950m，南北跨799m?？紤]到數(shù)值計算量以及網(wǎng)格劃分，對已有的等高線數(shù)據(jù)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(guān)系很大，表面附加應力最大值為711 kPa，位于主峰投影區(qū)域。另外，場地的最大沉降為1.244m，位于主峰投影區(qū)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(qū)域。為了加快地基固結(jié)以及提高地基土的承載力，防止地基失穩(wěn)，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(jié)，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(jié)構(gòu)破壞，造成市政管線下沉，影響隧道內(nèi)一些配套設(shè)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(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生不利影響。通過前面的數(shù)值模擬分析可知，山峰投影區(qū)域附加應力很大，為了提高場地的地基承載力和穩(wěn)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(shè)計要求。

根據(jù)工程環(huán)境、工程特點，結(jié)合經(jīng)驗進行地基處理方案的比選，結(jié)果如下：

（1）工程地處中心城區(qū)，在該環(huán)境內(nèi)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(jié)法加快地基固結(jié)，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(shè)置9m長的塑料排水板，打穿第三層粉質(zhì)黏土。按照堆高范圍，設(shè)置間距1m、1.3m兩種布置，并鋪設(shè)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(shè)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(shù)值模型建立

由于中環(huán)隧道以及內(nèi)環(huán)隧道橫穿山體，山體堆筑過程的附加應力擴散以及側(cè)向土壓力會對隧道的變形以及沉降產(chǎn)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(huán)、內(nèi)環(huán)隧道均為兩幅，隧道尺寸參照設(shè)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(jīng)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(shù)取為0.42。模型如圖15所示（左側(cè)隧道為中環(huán)隧道，右側(cè)隧道為內(nèi)環(huán)隧道）。

圖15 隧道與山體關(guān)系模型

6.2.2 隧道變形分析

中環(huán)、內(nèi)環(huán)隧道分別采用雙幅箱體設(shè)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(huán)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(cè)附近應力大小不同，致使隧道底部產(chǎn)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(cè)山體沉降大，不均勻沉降差為50mm，最大豎向沉降為210mm。