高低湖區下的觀光隧道設計方案探討

張威振，劉維萍

(湖南中大設計院有限公司，湖南 長沙　410075)

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高低湖區下的觀光隧道設計方案探討

張威振，劉維萍

(湖南中大設計院有限公司，湖南 長沙410075)

摘要：松雅湖隧道位于高低湖區交界處，受力復雜，景觀設計要求高。為使結構設計既能滿足交通需求，又能與周邊環境有機融合，通過定性類比與定量分析相結合的方法，根據項目的特點對岸上暗埋段橫斷面形式進行介紹，對水中段采用亞克力頂棚及側墻鑲嵌玻璃2種橫斷面方案進行比選，并對洞門造型所采用的水波方案及雙臂方案進行比選，確定了推薦方案。由于水中段主體結構斷面及所受荷載的不對稱性，采用有限元方法對其進行數值模擬，得到具體的受力分布情況，同時對結構的抗滑移、抗傾覆、防排水、環境保護等進行介紹。

關鍵詞：隧道；高低湖區；景觀設計；結構設計；抗滑移；防排水；環境保護

0引言

市政道路工程經常會遇到穿越湖區的情況，受周邊用地、景觀要求等因素的制約，采用隧道下穿方案是較為合理的選擇。目前國內已建或在建的湖底隧道主要有蘇州獨墅湖隧道、南京玄武湖隧道、杭州西湖隧道、武漢東湖隧道、合肥方興湖隧道等。唐鵬[1]依托合肥方興湖隧道工程，對大跨度框架式明挖暗埋湖底隧道的受力特征進行了系統分析，得到了各個施工階段的受力特征，并對抗浮設計中的抗拔樁進行了優化分析；楊友仉[2]結合南昌市青山湖隧道工程，對隧道平、縱、橫斷面組成，交通組織，施工方法，基坑支護，防水設計等進行了詳細介紹；王松林[3]結合武漢東湖隧道工程特點，對隧道車行道的暗埋段和半敞口段、主線隧道及匝道的敞開段所采用的不同消防系統進行了詳細介紹；章立峰等[4]結合杭州市的具體情況，對地下工程防災問題、景區環境保護問題、地下空間全生命周期數字化工程等領域進行了分析；姚占虎等[5]、拓勇飛等[6]依托南京緯三路過江通道工程，對其具有的超大直徑、超高水壓、復雜地質與環境條件、高巖石強度掘進、高精度施工控制等特點和難點進行了詳細的介紹與分析。

目前國內對湖底隧道的研究熱點主要集中在防排水、消防、基坑支護、工程防災、安全施工控制等方面，對主體及洞門景觀與環境的協調性研究得較少。隨著生活水平的不斷提高，人們對城市建筑景觀品味的需求越來越高，下穿隧道有時需要滿足特定地理環境下景觀對主體結構的需求，比如有時出于湖面總體規劃的需要，需將湖面劃分為高、低湖區，通過下穿隧道形成瀑布，便于休閑觀光。與常規的湖底隧道相比，此類工程由于荷載作用嚴重不對稱，其受力相對復雜，景觀要求更高，且目前國內外可供參考的范例不多。本文依托松雅湖隧道工程，對該水下隧道的斷面組成、景觀協調性、受力合理性等方面進行探討，并從與環境的協調性方面對洞門造型進行了研究，以期為類似下穿湖底工程提供參考。

1工程概況

松雅湖地處長沙縣境內，高湖水域面積約12.8萬m2，常水位為41.0 m，低湖區常水位為32.95 m，高低湖之間水面差約8 m。高湖引入撈刀河河水，低湖通過閘門與松雅河相接，通過人工控制方式對松雅湖進行調蓄，確保常年常水位不變。

松雅湖隧道位于東六線北延線上，隧道主體段(含入口過渡段)全長460 m。其中，K1+360～+400及K1+780～+820為出、入口過渡段，K1+500～+600為水中段，其余為岸上暗埋段。由于松雅湖隧道特殊的地理位置，水中段結構形式及出入口的洞門造型是設計的關鍵。隧道整體鳥瞰圖如圖1所示。

2主體結構設計

2.1高低湖區結構形式研究

2.1.1岸上暗埋段設計

岸上暗埋段采用雙跨箱形結構，結合道路分幅，設

計隧道斷面方案。斷面全寬20.9 m，全高7.95 m。標準段左、右室凈寬=(0.9+0.5+3.5+3.25+0.25+0.7) m=9.1 m。頂、底、側墻厚均為1.0 m，中隔墻厚0.7 m。路面為9 cm瀝青混凝土鋪裝。在隧道內設置檢修道。隧道頂填土厚度為0.5～3.0 m，地下水位較高，埋深位于原始地面以下0.5 m(標高34.0 m左右)，在路面壓重層、頂部填土及結構自身重力、水土壓力的共同作用下，該段能夠滿足抗浮要求，安全系數(不計摩擦力)為1.4，無需進行特殊的抗浮設計。對于兩端與水中段相接的16 m，為加大抗浮安全儲備，在靠近高湖側的底板位置增設長度為2.0 m的墻趾，其橫斷面如圖2所示。

圖1　鳥瞰圖

圖2　岸上暗埋段橫斷面(單位：cm)

2.1.2水中段

K1+500～+600為水中段，是本工程的主要景觀設計亮點。高湖區水位為41 m，低湖區水位為32.95 m，二者高差形成的瀑布在水中隧道主體結構部分實現，設計難度較大。根據景觀要求，在方案選擇階段對亞克力頂棚方案及側墻鑲嵌玻璃方案進行比較。

2.1.2.1亞克力頂棚方案

該方案通過在側墻上方一定高度處設置縱橫向型鋼，組成骨架支撐，上部布設亞克力頂棚，水流從頂部流下，形成瀑布，其效果如圖3所示。

在建設初期應建設單位的要求，對國內外已建成水下亞克力頂棚的建筑進行了大量調研，結果表明，目前亞克力頂棚多用于民用建筑(如海洋館、商場、大劇院等)，尚無用于水下可供行車的隧道中。該方案雖然通透性及采光效果較好，造型大氣，但存在諸多技術問題難以解決。

圖3　亞克力頂棚方案效果圖

2.1.2.2側墻鑲嵌玻璃方案

該方案在綜合考慮結構安全的基礎上對亞克力頂棚方案進行優化，形成如圖4所示的橫斷面形式。該方案效果如圖5和圖6所示。

側墻柱采用1.0 m×1.0 m鋼筋混凝土柱，間距4 m，鑲嵌的玻璃必須進行防眩光處理，玻璃的透光率要求大于92%，漫反射系數不得小于70%，以滿足運營階段的行車安全，且需滿足耐火極限的要求。為便于游客欣賞湖面美景，在外側懸挑2.5 m板形成單向觀光廊道，既能欣賞遠處的湖光美景，又能近距離與飛流的瀑布親密接觸，增強親和力。

圖4　水中段橫斷面(單位：cm)

圖5　日景效果圖

圖6　夜景效果圖

隧道主體處于高湖區，常水位較高,西側為低湖區，因此，需采取抗滑移、抗傾覆措施。由于該結構西側無填土，導致水平向的土壓力不平衡，受力較為復雜，在高壓水差的綜合作用下，使內外側結構受力不對稱。為加大水下隧道的抗傾覆及抗滑移能力，最初設計構思利用2根D32 mm錨桿抗滑移[7]，錨桿成孔直徑15 cm,錨桿長度為15 m，錨桿間距為1.7 m，后根據國內已建成隧道抗滑移設計經驗對其進行了優化調整，改用抗滑樁抗滑移[8-9],樁基直徑為1.0 m,長度為15 m左右，水下部分橫向間距為4.975 m，順向間距為2.5 m左右[10]。樁基按摩擦樁設計，根據橫向受力特點，其鋼筋布置略有不同。

在頂板頂部采用50 cm C40防水混凝土及鵝卵石鋪砌相結合的方式增強防水效果，若松雅湖高湖蓄水達到設計水位時，在隧道頂部水流順柱頂設置的擋水墻而下經過3 m懸挑板形成高差為8 m的瀑布，隧道頂擋水墻及懸臂板的大樣如圖7所示。

若松雅湖高湖蓄水未達到設計水位時，則通過布置在低湖側的噴泉系統形成人工瀑布。在低湖區設置間距為4 m的噴泉專用泵，并在側墻、立柱及頂部擋塊內預埋所需的不銹鋼管，其布置如圖8所示。

亞克力頂棚方案和側墻鑲嵌玻璃方案的詳細對比情況如表1所示。

圖7　擋水墻及懸臂板構造圖(單位：cm)

Fig.7Structural diagram of water retaining wall and cantilever plate (cm)

圖8　噴泉管道布置圖(單位：cm)

方案消防安全美觀效果行車安全后期維護施工難度工程造價(建安費)/萬元結論亞克力頂棚方案 《道路隧道設計規范》17.1.3條規定,隧道頂板的耐火極限不應小于1h,17.2.2條規定,2孔中間的防火隔墻耐火極限不應小于3h;目前的亞克力產品難以達到該要求視覺效果較好 隧道行車時,靠近亞克力側行駛的車輛一旦發生側翻事故,極易損壞側墻亞克力及框架支撐,且采用全亞克力墻體時,由于光線的折射及反射對安全行車極為不利,安全性能差 亞克力板的寬度一般為2.5～3.0m,板與板間通過膠粘材料進行連接,根據目前的情況,一般膠的使用壽命為5～10年,亞克力的質保年限為10～15年,因此需要進行定期修復、維護;支撐部分為鋼結構,運營期間維護成本較高 采用大型亞克力頂棚,每塊質量為4.7t左右,施工時的難度很大4800不推薦側墻鑲嵌玻璃方案容易滿足消防要求外觀視覺沖擊力稍差安全性容易得到保證無需特殊養護施工工藝成熟1980推薦

綜合結構設計、運營安全、運營維護及工程造價等因素,推薦采用側墻鑲嵌玻璃的設計方案，既可以滿足觀光等的需要，又極大地提高了隧道的安全性。

方案確定后，在做具體設計時，由于荷載作用的嚴重不對稱性，為了能準確地模擬結構的受力情況，采用有限元軟件對水下隧道結構進行數值模擬計算。按照結構的實際受力及邊界條件，采用梁單元建立如圖9所示的有限元模型，底板設有樁基處模擬樁基，無樁基處采用只受壓彈簧模擬地基土，共計136個單元。在水、土壓力、汽車荷載等共同作用下的彎矩包絡圖如圖10所示。由圖10可以看出，結構受力呈現明顯的不對稱性，靠近高湖側的側墻受力明顯偏大，在有樁基作用處的底板位置彎矩有明顯突變。具體配筋時，要結合彎矩的分布情況進行布置。

為確保結構的抗滑移能力，取單位長度的隧道作為分析對象，偏于安全不考慮底板摩阻力對結構抗滑的有利影響，僅考慮抗滑樁對抗滑的貢獻。在最不利荷載作用(側向壓力按照水土分算)下，結構的抗滑移系數Kc=抗滑力/滑移力=1.45>1.30，抗滑安全性可以得到保證。

圖9　水下結構有限元模型

圖10　水下結構彎矩包絡圖(單位：kN·m)

Fig.10Envelope of bending moment of lake-crossing tunnel (kN·m)

2.2洞口景觀設計研究

K1+360～+400及K1+780～+820為出、入口洞門過渡段，隧道的洞門造型是景觀設計的關鍵環節，方案選擇階段提供了2種方案進行比選。

2.2.1水波方案

隧道洞口造型寓意取自水波,通過白色實體材質和透明有機玻璃組合成2排從中間向兩邊分開的波浪，中間位置設一線綠化植被,呈曲線狀從地面延伸出來。在松雅湖畔作水波造型,映襯了湖景綠色,讓人們感受到整個生態公園散發出的清新和愜意氣息。該方案效果如圖11所示。

隧道拱體為3段圓弧順滑連接，拱體呈45°傾斜，以烘托波浪的動感，柱子呈“Y”型，順流線走向。拱體連柱共榀，平均布置，高度隨道路坡度依次降低。

圖11　水波方案洞門效果圖

2.2.2雙臂方案

該洞門造型簡潔大方，流線形的造型給人靈動的感覺，猶如張開的雙臂，熱忱迎接來自五湖四海的游客。整體造型好像是一艘船漂浮在松雅湖上，寓意“揚帆起航，一帆風順”，中間的綠色花瓶造型象征著人們以主人翁的身份載歌載舞歡迎各位游客的到來。

該方案在洞門段頂板設置條狀構造物，與中間的花瓶造型相互映襯，效果如圖12所示。

圖12　雙臂方案洞門效果圖

水波方案和雙臂方案的比較情況如表2所示。

表2　洞門方案比較

結合湖區的環境特點及周邊的遠期規劃，最終推薦采用與環境融合度高的水波造型方案。

3隧道環境保護措施

本隧道采用明挖方法施工[11]，圍護結構根據基坑的深淺在隧道長度范圍內采用放坡開挖的支護形式[12-13]。

隧道對湖區環境的生態效應主要體現在物理效應、化學效應和生物效應等方面。根據環境評價報告結論，隧道施工與運營對水文循環、地面沉降等物理效應影響較小?；瘜W效應主要體現在施工期間的水、土環境污染及運營期間的空氣環境污染方面。生物效應主要包含生物組分受隧道工程行為的影響而發生一系列變化，此效應受該隧道工程影響較小。

施工時，該區域為剛剛拆遷完畢的住宅用地，湖泊尚未開挖成型，施工過程中必須減少施工垃圾，設立臨時蓄水池，將廢水引入臨時水池，通過過濾、凈化等措施處理后才能排放[14]。

由于松雅湖地處生態保護區，在隧道投入運營后，隧道對于湖區環境影響主要來自于地表徑流匯集到隧道內的雨水以及路面的粉塵[15]。在設計時，通過合理有序的組織排水、限制危險品車輛通行及運營期間環衛車輛定期灑水除塵等措施解決了這一問題。

隧道工程行為生態化是維護生態系統健康的必然選擇。根據本項目環境評價報告對各環境影響因子的分析，工程建設對周圍環境的影響較小。在施工結束后，通過對隧道影響區域進行綠化、植被補償和景觀修復等措施，以及運營后通過協調隧道建設所帶來的經濟正面效應與環境影響負面效應之間的關系，其景觀格局、植被、生物多樣性等生態系統各因素會逐漸恢復原狀。

4隧道防排水設計

隧道的防水以結構自防水為主，輔助適當的結構外防水措施。隧道結構采用摻入高效復合防水劑的C40防水混凝土,抗滲等級為P8。結構外防水采用橡膠瀝青雙面自粘防水卷材，并作保護層以防止施工作業損傷防水層。

施工縫設置鋼板止水帶，變形縫設置中埋式及外貼式止水帶，在施工縫和變形縫局部設置雙層防水卷材，以達到外防水的要求。隧道主體段內壁搭設龍骨安裝裝飾板，防止滲水影響外觀。

隧道位于縱坡為-2.4%和2.4%的V形坡豎曲線段。隧道出入口范圍內的雨水通過路基兩側的縱向排水溝及橫向排水管匯集至市政管網。隧道洞門處中間部位雨水通過預埋混凝土柱中的排水管排至道路排水溝。拱體側邊雨水則通過在洞門側邊設置的反向排水邊溝匯入橫向排水管進入市政管網。

洞門與主體閉口段銜接處的防水處理是設計的難點。本設計采用將洞門造型弧形鋼板插入隧道主體結構頂板不小于50 cm、頂部采用50 mm厚的鋼板封包、內部填充彈性防水材料相結合的方法以達到防水的目的。防水示意如圖13所示。

圖13　洞門銜接處防水處理示意圖(單位：mm)

Fig.13Waterproof processing at connection section between tunnel portal and main tunnel (mm)

隧道內兩側為縱向排水溝和檢修道。隧道出入口大部分雨水由路兩側排水溝引至市政管網，未收集到的雨水通過橫向排水溝引至隧道中間左側地下泵房，通過泵房提升排放，房門設置在隧道側墻。隧道在兩側沿縱向每10 m設1對平入式雨水口。潛水泵根據暴雨流量選用3臺自動泵(兩用一備)，單泵性能Q=300 m3/h、H=15 m、P=22 kW，按規范泵房內應設有緊急發電設備。

5結論與體會

1)對于景觀要求較高的隧道，在設計時一定要充分考慮周邊的環境特點，既要遵循客觀受力規律，又能突破常規設計理念，通過對新技術、新材料的綜合運用，使主體結構及洞門造型與環境實現有機融合。

2)水中段是本隧道的設計重點和難點，在動水及單側水土壓力等不對稱荷載作用下，結構受力相對復雜，主體結構的配筋必須結合受力情況進行布置。此類結構抗滑移能力較差，可以采取設置抗滑樁等措施提高其抗滑移能力。

3)在遇到具有特殊景觀要求的隧道結構時，必須保證在滿足結構受力、抗浮、抗滑、防水、防滲等要求的前提下進行多方案比選，協調好交通功能與景觀需求之間的關系。

4)主體、洞門景觀設計必須貫徹綠色、環保、經濟的設計理念，充分考慮施工過程及運營過程對周邊環境的影響。

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Discussion on Design Scheme of Songyahu Sight-seeing Tunnel

ZHANG Weizhen，LIU Weiping

(Hunan Zhongda Design Institute Co.,Ltd.,Changsha 410075,Hunan,China)

Abstract:Songyahu Tunnel is located in the connection section between high water-level zone and low water-level zone with complex stress conditions and high landscape design requirement.In order to meet the traffic requirement and surrounding environment requirement,the cross-section modes of mined tunnel at lake shore are introduced;the cross-section scheme of acrylic roof and that of sidewall glass are compared and the shapes of tunnel entrance/exit are selected by means of qualitative analysis and quantitative analysis.Meanwhile,the stress distribution of lake-crossing tunnel is analyzed by means of finite element method;and the anti-sliding,anti-tilt,waterproof and drainage and environmental protection of the tunnel are described too.

Keywords:tunnel;high water-level lake zone and low water-level lake zone;landscape design;structural design;anti-sliding;waterproof and drainage;environmental protection

收稿日期：2015-10-22;修回日期:2016-04-19

第一作者簡介：張威振(1979—)，男，山東安丘人，2004年畢業于中南大學，防災減災工程及防護工程專業，碩士，高級工程師，現從事橋隧設計工作。E-mail:linquanzhang@yeah.net。

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.06.012

中圖分類號：U 452.2+7

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)06-0728-07