葉志榮

（同濟(jì)大學(xué)，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(yīng)與日俱增，如何處理這些棄土和建筑垃圾成為一個(gè)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(jìn)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(duì)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(shí)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(gè)區(qū)域，破壞了公園景觀的完整性。在此背景下，當(dāng)?shù)刂鞴懿块T組織了龍湖公園山體方案設(shè)計(jì)，通過在森林公園內(nèi)人工堆山來解決棄土問題，同時(shí)保證公園空間整體的完整性，加強(qiáng)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(chǎng)地條件

場(chǎng)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(chǎng)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(shí)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(chǎng)原位測(cè)試和土工試驗(yàn)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(jì)全新世沖積形成地層，主要為粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂；30～80m為第四紀(jì)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(duì)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(chǎng)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(gè)完全以園林學(xué)為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則建立的公園，是美國第一個(gè)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(jì)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(jī)動(dòng)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(dòng)。至今人們?nèi)哉J(rèn)為在組織和協(xié)調(diào)城市交通方面，這一設(shè)計(jì)不愧是一個(gè)成功的先例（見圖5）。

4 山體設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)靈感

設(shè)計(jì)以“有風(fēng)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(yīng)，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(jì)靈感

4.2 山體造型設(shè)計(jì)

在對(duì)相關(guān)工程實(shí)例及學(xué)術(shù)論文分析研究之后，通過對(duì)地基的加固處理和對(duì)填土的足夠壓實(shí)，配合以合理的施工方法和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)堆填49m高的山。

山體設(shè)計(jì)占地92.2 h m2，主峰高度49 m，設(shè)計(jì)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(dòng)的形態(tài)。同時(shí)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(yīng)，相應(yīng)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(jì)

以龍湖內(nèi)環(huán)路為例介紹穿越公園市政道路的設(shè)計(jì)。龍湖內(nèi)環(huán)路森林公園段南起北三環(huán)，北至龍?jiān)匆唤?，在進(jìn)行龍湖內(nèi)環(huán)路森林公園段設(shè)計(jì)時(shí)，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(duì)森林公園的分隔。該方案龍湖內(nèi)環(huán)機(jī)動(dòng)車道以隧道形式下穿公園。隧道引道縱坡采用3.5%，標(biāo)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(jì)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(shí)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(jì)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(jìn)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(jià)和后期維護(hù)費(fèi)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(jì)

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(jī)動(dòng)車道和雙向非機(jī)動(dòng)車道四孔布置。利用人行道和非機(jī)動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)橫斷面（單位：m）

6 關(guān)鍵技術(shù)

6.1 山體數(shù)值模擬評(píng)估以及地基加固

研究以往工程以及相關(guān)文獻(xiàn)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(jì)損失，因此對(duì)山體所處地基的承載力以及變形進(jìn)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(jì)算地基壓力以及地基土層的變形?？紤]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(jìn)行有限元分析，適當(dāng)簡(jiǎn)化模型，通過山體的逐步堆載，得到地基壓力以及應(yīng)力分布，對(duì)地基承載力、地基變形以及周邊建筑物的變形進(jìn)行評(píng)估，并制定相應(yīng)的地基處理方案。

6.1.1 數(shù)值模擬地基應(yīng)力計(jì)算

山體平面形狀相當(dāng)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(jì)算量以及網(wǎng)格劃分，對(duì)已有的等高線數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波簡(jiǎn)化，以此建立山體三維模型。

考慮到上部山體特性對(duì)地基變形影響不大，因此堆山土體采用彈性模型進(jìn)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(yīng)力以及沉降與所堆山體的絕對(duì)標(biāo)高關(guān)系很大，表面附加應(yīng)力最大值為711 kPa，位于主峰投影區(qū)域。另外，場(chǎng)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(yīng)力處相對(duì)應(yīng)。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(duì)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(dá)不到充分固結(jié)，強(qiáng)度就不能相應(yīng)增長。此時(shí)若開始下一級(jí)荷載的加載，地基就可能由于抗剪強(qiáng)度不足而引起剪切破壞。另一方面，過大沉降會(huì)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(huì)增加隧道接縫滲漏水的可能性，加大差異沉降量，對(duì)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(yīng)力很大，為了提高場(chǎng)地的地基承載力和穩(wěn)定性，加快施工進(jìn)度，考慮對(duì)地基進(jìn)行處理，并且通過分級(jí)加載方式使地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)工程環(huán)境、工程特點(diǎn)，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)進(jìn)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(dòng)大、噪聲大、對(duì)周邊地面影響大的強(qiáng)夯和強(qiáng)夯置換地基處理方法。

（2）由于場(chǎng)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(fù)合地基造價(jià)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(qiáng)地基強(qiáng)度，施工方便、造價(jià)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(yīng)平整場(chǎng)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(yù)制混凝土管接長并及時(shí)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(yīng)力擴(kuò)散以及側(cè)向土壓力會(huì)對(duì)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(duì)其進(jìn)行影響評(píng)估。

圖14 分析斷面（1-2-3）

隧道采用實(shí)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(jì)方案，為簡(jiǎn)化建模，通信電纜及冷熱管不予考慮。為減少邊界效應(yīng)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(duì)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(jì)，如模型所示，對(duì)4個(gè)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(jìn)行詳細(xì)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(yīng)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。

圖16 沉降分析路徑

圖17 底部沉降曲線

圖18 、圖19給出了隧道箱體靠近山體側(cè)土壓力的分布以及分析路徑。從圖中可以看出，土壓力基本為線性分布，并且從上到下土壓力逐漸增大。最大土壓力為190 kPa，最小土壓力為40 kPa。

圖18 土壓力分析路徑

圖19 土壓力分布曲線（從上到下）

箱體1～4沉降結(jié)果（左側(cè)、右側(cè)參見模型圖）見表1。

表1 箱體1～4沉降結(jié)果

6.2.3 隧道地基處理

因?yàn)樗淼啦糠纸^對(duì)沉降以及相對(duì)沉降均較大，對(duì)隧道地基采用長度為21m的三軸攪拌樁進(jìn)行加固，并在距離箱體2、3，靠近主峰12m處打入直徑800mm、間距1.5 m、長20m的雙排隔離樁，雙排隔離樁間距2m，中間采用冠梁連接。

7 結(jié) 語

本文介紹了龍湖森林公園山體及隧道的總體設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)，為城市解決建筑垃圾、工程棄土提供了一種新的思路，供類似工程進(jìn)行參考。進(jìn)行類似項(xiàng)目設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)充分重視堆山的地基處理和堆山對(duì)周邊構(gòu)筑物的影響。