廠區和場站工程場地平整優化設計

鐘仕林 黃洪谷* 張志榮

(四川蜀渝石油建筑安裝工程有限責任公司，四川成都 610017)

0 引言

場地平整施工方案設計通常采用方格網法確定土石方數量，用填挖平衡找出零界點以及土石方重心。但是，當所需平整的場地面積大、地形復雜時，導致土方量計算誤差大，考慮邊坡土方和土的可松性調整設計平面后，填挖土方就會失去平衡。因此，不能用填挖平衡假設進行土方調配計算，改用最小二乘法確定最佳設計平面，用表上作業法計算調整得到土方調配方案，更符合工程實際。

1 場地豎向規劃設計

1.1 確定場地設計標高

對地形較為平緩的鉆前工程項目，對場地設計標高無特殊要求時，可按場地平整施工中挖填方量相等的原則進行確定。

場平工程的場地通常都為不規則的幾何圖形，因此可將場地劃分為邊長為a的若干方格，并將方格網角點的原地形標高標在圖上，如圖1所示。

原地形標高可利用已有的等高線用線性插值求得。按照挖填方量相等的原則，場地設計標高可按下式計算:

式中:n——方格個數;

z0——所計算場地的設計標高;

zi1，zi2，zi3，zi4——第i方格四個角點原標高。

由圖1所示，11角點為一個方格所有，而12，13，21，24號角點為兩個方格所共用，22，23，32，33為四個方格所共有，用式(2)計算z0的過程中類似11號角點的標高僅計算一次，類似12號角點的標高加兩次，可見各個角點的權重并不相同。當考慮各角點權的影響時，式(2)可修正為如下形式:

其中，z1為一個方格獨有的角點標高;z2，z3，z4分別為二、三、四個方格所共有的角點標高。

式(3)得到的設計平面為以水平的挖填方相等的場地，但是實際的場平工程為了排水的需要均有一定的泄水坡度。因此，應根據泄水要求計算出實際施工時選用的設計標高。

以z0作為場地中心標高，則場地各點標高可按下式修正:

其中，zi′為考慮排水要求修正后角點標高。

則可得到各點的施工高度Hi:

其中，zi為i角點測量得到的實際標高;Hi的正負分別表示該點為填方和挖方。

1.2 最佳設計平面

上述計算方法計算得到的設計平面，能夠滿足挖填方量相等的要求，但是卻不能保證總的土方量最小。要得到挖填方量平衡，同時滿足總的土方量最小的設計平面，本文采用最小二乘法原理，計算最佳設計平面。

圖1 地形圖方格網

圖2 一個平面的空間位置

由幾何學可知，一個平面在直角坐標系中都可以用三個參數c，ix，iy來確定，如圖2所示。在這個平面上任何一點i的標高zi′，可由下式確定:

式中:xi——i點在x方向上的坐標;

yi——i點在y方向上的坐標。

與前述方法類似，將場地劃分為方網格，并將原地形標高zi標于圖上，設最佳設計平面的方程如式(6)所示，則該場地方格網角點的施工高度為:

式中:Hi——方格網各角點的施工高度;

zi′——方格網各角點的設計平面標高;

zi——方格網各角點的原地形標高;

n——方格網角點總數。

由于施工高度有正有負，當施工高度總和為零時，表明該場地土方的填挖平衡，但不能反映出填方和挖方的絕對值之和為多少。為了不使施工高度正負相互抵消，若把施工高度平方之和再相加，則其總和能反映土方工程填挖絕對值之和的大小。此時應考慮方格網各點施工高度在計算土方量時被應用的次數pi，令σ為土方施工高度之平方和，則:

當σ的值最小時，該設計平面既能使土方工程量最小，又能保證填挖方量相等(填挖方不平衡時，上式所得數值不可能最小)。這就是最小二乘法求最佳設計平面的方法。

為了求得σ最小時的設計平面參數c，ix，iy，可以對上式c，ix，iy分別求偏導數，并令其為0，于是得:

解聯立方程(9)，可求得最佳設計平面(未考慮工藝、運輸等要求)的三個參數c，ix，iy，然后根據式(7)算出各點的施工高度。

1.3 設計標高的調整

在實際的工程中，對計算所得的設計標高，還應該考慮以下因素進行調整，這些工作應在完成土石方量的計算后進行。

1)考慮土的最終可松性，需相應提高設計標高，達到土方量的實際平衡。

2)考慮工程余土或工程用土，相應提高或降低設計標高。

3)根據經濟必選結果，如采用場外取土或棄土的施工方案，則應考慮因此引起的土方量的變化，需要重新調整設計標高。

2 計算場地平整土方量

設計標高得到后，就可計算場地各點的施工高度，然后按每個方格網角點的施工高度算出挖填土方量，并計算場地邊坡的土方量，這樣就可以得到整個場地的挖填土方總量。

2.1 確定零線

零線是挖方區與填方區的交線，在該線上，施工高度為0。確定零線的方法是:在相鄰角點施工高度為一挖一填的方格邊線上，用線性插值求出零點位置，然后將相鄰的零點連接起來即是零線。如果不需要計算出零線的確切位置，則只需要繪出零線的大體位置即可。

2.2 土方量計算

零線確定以后，就進行土方量的計算。可以采用“四方棱柱體法”進行計算。

1)當方格四個角點全部都為挖方或填方時，

其中，V為挖方或填方體積;H1，H2，H3，H4為方格四個角點填挖高度絕對值。

2)當方格四個角點為部分挖方，部分填方:

其中，∑H填(挖)為方格點中填(挖)方施工高度的總和，取絕對值;∑H為方格四個角點施工高度的總和，取絕對值。

3 土方調配

土方調配是場地平整施工設計中的一個重要內容，其目的是在土方總運輸量(m3·m)最小或土方的運輸成本最小的前提下，確定填挖方區土方的調配方向和數量，從而縮短工期，降低施工成本。

3.1 劃分土方調配區

劃分土方調配區需要注意以下幾點:

1)調配區的劃分應與工程的平面位置相協調，并考慮它們的開工順序、工程的分期施工順序。

2)土方調配區的大小應該滿足土方施工主導機械的技術參數要求。

3)調配區的范圍應該和土方工程量計算用的方格網協調，通常可由若干個方格組成一個調配區。

4)當土方運距較大或場地范圍內土方不平衡時，可根據井場附近的地形，考慮就近取土或棄土，這時一個取土區或棄土區可作為一個獨立的土方調配區。

3.2 確定平均運距

調配區的大小及位置確定之后，計算各挖填方區的平均運距，當用以下方式機械組合方式:

1)挖掘機配自卸汽車;

2)裝載機配自卸汽車;

3)推土機和裝載機短距離直接運輸(40 m以內)。

可將挖土調配區與填土調配區土方重心之間的距離作為挖填方調配區之間的平均運距。根據現場實際情況選擇相應的調運方式。

3.3 土方調配

根據施工周期計劃，確實所需的設備數量，并計劃到每個有效施工作業天數必須完成的土石方數量，進行確定每天施工作業的時間。并結合場地壓實情況以及壓實機械數量是否合理，工作場面的大小，運輸道路狀況等等影響因素，進行土石方調配方案的編制。

土方調配的最優方案可不止一個，這些方案調配區或調配土方量可以不同，有了幾個優先方案后，就可為工程施工提供更多的選擇。