龙湖森林公园山体及隧道工程总体设计及关键技术

叶志荣

（同济大学，上海市 200092）

0 引 言

随着高速度的城市建设，大量的工程弃土和建筑垃圾也相应与日俱增，如何处理这些弃土和建筑垃圾成为一个重要的课题。郑州龙湖森林公园利用城市建设产生的弃土和建筑垃圾进行“堆山造景”，既解决了工程弃土、建筑垃圾无处处理之苦，又起到了城市道路对森林公园的分隔作用，还增加了公园的景观观赏性。

1 工程背景

龙湖森林公园位于郑州中心城区的东北部龙湖地区，位于中州大道东侧、北三环北侧。公园占地总体面积134.7 h m2，现状以林地、苗圃地、鱼塘、现状堆土为主（见图1）。

图1 森林公园现状地形分布图

一方面，郑东新区在龙湖开挖时产生了大量工程弃土，杂乱地堆置在龙湖森林公园及周边地块内；另一方面，围绕龙湖的龙湖外环、中环、内环三条环路，三条主、次干路纵向贯穿森林公园，将森林公园分为了四个区域，破坏了公园景观的完整性。在此背景下，当地主管部门组织了龙湖公园山体方案设计，通过在森林公园内人工堆山来解决弃土问题，同时保证公园空间整体的完整性，加强道路两侧景观轴的连贯性（见图2）。

图2 龙湖区域道路规划示意图

2 场地条件

场地所处地貌单元为黄河冲积平原郑州东部泛滥平原区。场地地貌单一，地形较平坦，局部起伏较大，最大高差约20m。现状龙湖森林公园内堆有挖龙湖时堆积的弃土三堆，约100万m3（见图3）。

根据地质钻探、现场原位测试和土工试验成果，勘探揭露80m深度内，除表层分布有厚度不均的杂填土外，约7m以浅为新近沉积地层；7～30m为第四纪全新世冲积形成地层，主要为粉质黏土、粉土、粉细砂；30～80m为第四纪晚更新世冲积形成地层，主要为粉土、粉质黏土层。

图3 龙湖森林公园现状堆土示意图

3 工程案例分析

“仰山”是奥林匹克森林公园内的主山，海拔86.5m，相对高度48m，位于五环路南侧、北京城中轴线上，是公园的核心景区。“仰山”的建设是利用“鸟巢”“水立方”等周边场馆建设以及公园挖湖产生的土方堆筑完成，填方总量约500万m3（见图4）。

图4 仰山效果图

纽约中央公园是纽约最大的城市公园，是第一个完全以园林学为设计准则建立的公园，是美国第一个城市公园。地处纽约曼哈顿中央，占地843英亩（约5 000多亩）。该设计根据地形高差采用立交方式构筑了四条不属于公园内部的东西向穿园公路，机动车辆从地下隧道穿越而过，既隐蔽又方便，也不妨碍园内游人的活动。至今人们仍认为在组织和协调城市交通方面，这一设计不愧是一个成功的先例（见图5）。

4 山体设计

4.1 设计灵感

设计以“有风来仪”为主题，拟利用森林公园现状堆土和次生林结构，打造人工自然环境，完善城市空间格局，营造绿色城市背景，突显森林公园生态效应，营造现代山水格局，形成登山望湖的城市景观空间（见图6）。

图5 纽约中央公园主干路处理

图6 设计灵感

4.2 山体造型设计

在对相关工程实例及学术论文分析研究之后，通过对地基的加固处理和对填土的足够压实，配合以合理的施工方法和现场监测，可以实现堆填49m高的山。

山体设计占地92.2 h m2，主峰高度49 m，设计部分利用现状堆土，模拟自然山林，串联公园空间，形成“山如凤舞、水似游龙”的山形空间。通过山体形态与路径的串联，模拟凤凰舞动的形态。同时山体环抱的溪流犹如一条蟠曲的玉龙。游越入水，龙凤呼应，相应成趣（见图7）。

图7 龙湖森林公园总体鸟瞰图

主峰位于龙湖内环和中环之间，距离两侧道路180m左右，主峰高度为49m左右，辅峰五座，形成“一主五辅”的基本骨架。

5 市政道路设计

以龙湖内环路为例介绍穿越公园市政道路的设计。龙湖内环路森林公园段南起北三环，北至龙源一街，在进行龙湖内环路森林公园段设计时，需综合考虑道路与公园景观的关系。

5.1 道路总体方案比选

方案一：隧道下穿方案。为保证公园完整性，减少过境交通对森林公园的分隔。该方案龙湖内环机动车道以隧道形式下穿公园。隧道引道纵坡采用3.5%，标高下降至可穿越公园内景观水系（见图 8）。

图8 方案一纵断面设计图（单位：m）

方案二：半暗埋式隧道方案。为保证公园完整性，同时兼顾过境交通行车舒适性，该方案拟在公园核心区域以隧道形式下穿公园。隧道引道纵坡采用3.5%，在隧道暗埋段上方需堆4m高的土坡，以保证暗埋段长度。为了保证核心区域完整性，公园规划景观河道需向南偏移200m（见图9）。

图9 方案二纵断面设计图（单位：m）

方案三：隧道平穿方案。仅在道路穿越山体段设置平穿隧道。森林公园在龙湖内环路其他位置通过天桥进行沟通。道路在隧道位置设置马鞍形纵坡，保证隧道能够自然排水，无须设置泵站（见图 10）。

图10 方案三示意效果图

为了兼顾森林公园的完整性、整体景观以及行车舒适性，有效沟通公园各功能区域，降低造价和后期维护费用。龙湖内环隧道方案推荐采用方案三，即隧道平穿方案。

5.2 隧道总体设计

隧道采用平穿的方案通过山体，在隧道纵段呈马鞍形隧道能够实现自排水，隧道无须设置雨、污水泵房和变电站。隧道暗埋段采用矩形箱现浇钢筋混凝土结构，分双向机动车道和双向非机动车道四孔布置。利用人行道和非机动车道箱内下层空间，设置通信电缆和冷热水管等综合管线分箱（见图 11）。

图11 隧道暗埋段标准横断面（单位：m）

6 关键技术

6.1 山体数值模拟评估以及地基加固

研究以往工程以及相关文献发现，部分人工堆山工程由于地基承载力不足或地基变形过大而发生坍塌事故，造成巨大的经济损失，因此对山体所处地基的承载力以及变形进行分析显得十分必要。由于山体结构以及形状的不规则性，难以直接计算地基压力以及地基土层的变形。考虑采用数值模拟的方法来分析地基的承载力以及变形情况。用ABAQUS6.11软件进行有限元分析，适当简化模型，通过山体的逐步堆载，得到地基压力以及应力分布，对地基承载力、地基变形以及周边建筑物的变形进行评估，并制定相应的地基处理方案。

6.1.1 数值模拟地基应力计算

山体平面形状相当不规则，分为四座山峰，山体底部面积约351 337m2，东西跨950m，南北跨799m。考虑到数值计算量以及网格划分，对已有的等高线数据进行滤波简化，以此建立山体三维模型。

考虑到上部山体特性对地基变形影响不大，因此堆山土体采用弹性模型进行模拟，选取材料弹性模量为5×107，泊松比0.25，密度1 900（见图12、图 13）。

图12 地基压力云图

从图中可以看出，地基表面附加应力以及沉降与所堆山体的绝对标高关系很大，表面附加应力最大值为711 kPa，位于主峰投影区域。另外，场地的最大沉降为1.244m，位于主峰投影区域，与表面最大附加应力处相对应。地基最大隆起为275mm，位于主峰北部区域。为了加快地基固结以及提高地基土的承载力，防止地基失稳，需采取合理的施工措施以及地基处理方案。

图13 沉降云图

6.1.2 山体地基处理

对于高填土堆载工程，如果堆填速度过快，孔隙水压力没有得到充分消散，土体达不到充分固结，强度就不能相应增长。此时若开始下一级荷载的加载，地基就可能由于抗剪强度不足而引起剪切破坏。另一方面，过大沉降会影响地面道路的线位，引起路面结构破坏，造成市政管线下沉，影响隧道内一些配套设施使用；也会增加隧道接缝渗漏水的可能性，加大差异沉降量，对结构安全产生不利影响。通过前面的数值模拟分析可知，山峰投影区域附加应力很大，为了提高场地的地基承载力和稳定性，加快施工进度，考虑对地基进行处理，并且通过分级加载方式使地基承载力满足设计要求。

根据工程环境、工程特点，结合经验进行地基处理方案的比选，结果如下：

（1）工程地处中心城区，在该环境内不宜采用振动大、噪声大、对周边地面影响大的强夯和强夯置换地基处理方法。

（2）由于场地面积巨大，采用水泥土搅拌桩、碎石桩、石灰桩、C F G桩或钢筋混凝土桩等形成复合地基造价较高。

（3）通过排水固结法加快地基固结，控制施工荷载，逐步增强地基强度，施工方便、造价较低。

最终地基处理方案如下：设置9m长的塑料排水板，打穿第三层粉质黏土。按照堆高范围，设置间距1m、1.3m两种布置，并铺设砂垫层，以增加孔隙水排出途径，缩短排水距离，有效减少超静孔隙水压力的增长和改善土性。

在堆填砂垫层前应平整场地，布置排水盲沟，在盲沟交叉位置，设置集水井收集雨水，在堆山过程中采用预制混凝土管接长并及时抽出。

6.2 山体与隧道相互作用分析

6.2.1 数值模型建立

由于中环隧道以及内环隧道横穿山体，山体堆筑过程的附加应力扩散以及侧向土压力会对隧道的变形以及沉降产生影响，故选取山体以及隧道最不利断面（见图14），利用aba q u s二维有限元对其进行影响评估。

图14 分析断面（1-2-3）

隧道采用实体单元，中环、内环隧道均为两幅，隧道尺寸参照设计方案，为简化建模，通信电缆及冷热管不予考虑。为减少边界效应影响，地基宽度取为山体宽度的2倍，地基深度取为山体高度的3倍，经过试算，边界处相对位移较小。隧道与土体之间接触包括法相接触和竖向接触，法相接触采用硬接触，切向约束为摩擦接触，摩擦系数取为0.42。模型如图15所示（左侧隧道为中环隧道，右侧隧道为内环隧道）。

图15 隧道与山体关系模型

6.2.2 隧道变形分析

中环、内环隧道分别采用双幅箱体设计，如模型所示，对4个箱体从左至右分别命名箱体1、箱体2、箱体3、箱体4。箱体2由于中环隧道距离主峰较近，受力以及变形情况最为不利，故选取最不利箱体进行详细分析，并将所有箱体的沉降以及土压力情况汇总成表格。

最不利箱体（靠近主峰）沉降以及土压力分布分析如图16、图17所示。由于山体高度不一致，造成隧道箱体两侧附近应力大小不同，致使隧道底部产生不均匀沉降。图中给出了隧道沉降的分析路径和沉降曲线。从图中可以看出，隧道底部沉降基本为线性分布，靠近主峰一侧山体沉降大，不均匀沉降差为50mm，最大竖向沉降为210mm。

图16 沉降分析路径

图17 底部沉降曲线

图18 、图19给出了隧道箱体靠近山体侧土压力的分布以及分析路径。从图中可以看出，土压力基本为线性分布，并且从上到下土压力逐渐增大。最大土压力为190 kPa，最小土压力为40 kPa。

图18 土压力分析路径

图19 土压力分布曲线（从上到下）

箱体1～4沉降结果（左侧、右侧参见模型图）见表1。

表1 箱体1～4沉降结果

6.2.3 隧道地基处理

因为隧道部分绝对沉降以及相对沉降均较大，对隧道地基采用长度为21m的三轴搅拌桩进行加固，并在距离箱体2、3，靠近主峰12m处打入直径800mm、间距1.5 m、长20m的双排隔离桩，双排隔离桩间距2m，中间采用冠梁连接。

7 结 语

本文介绍了龙湖森林公园山体及隧道的总体设计及关键技术，为城市解决建筑垃圾、工程弃土提供了一种新的思路，供类似工程进行参考。进行类似项目设计施工时应充分重视堆山的地基处理和堆山对周边构筑物的影响。