道路工程土石方優(yōu)化調(diào)配模型與工程應(yīng)用探究

李金龍

摘要：隨著我國建筑工程的不斷發(fā)展，道路工程的發(fā)展也越來越快，在道路工程建設(shè)中確保土石方優(yōu)化調(diào)配，能夠有效利用資源，合理地進(jìn)行土石方調(diào)配，在一定程度上能夠提高道路工程的經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：道路工程；土石方優(yōu)化；調(diào)配模型；建筑工程；施工成本 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：U416 文章編號：1009-2374（2015）29-0044-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.29.022

隨著道路工程的快速發(fā)展，如何提高道路工程施工工程中的施工效率，提高資源使用率，減少施工成本變得非常重要。在進(jìn)行道路工程的施工過程中，采用優(yōu)化的土石方的調(diào)配方案能夠提高工程的經(jīng)濟(jì)性。通過對土石方調(diào)配方案的優(yōu)化可以在最大程度上利用開挖出的土石方進(jìn)行回填，這樣可以保證資源的重復(fù)使用，同時在進(jìn)行土石方優(yōu)化的時候也會選擇一條最近的路線，以此來減少裝運(yùn)的成本，提高工程的經(jīng)濟(jì)性。

1 土石方調(diào)配的基本條件

1.1 土石方調(diào)配的意義及條件

土石方調(diào)配的意義：在進(jìn)行路基施工中，施工道路的設(shè)計(jì)高程和施工現(xiàn)場的原有地面的高程會有所差異，此時我們就可以采用土石方的調(diào)配來解決問題。對于高程較高的地方進(jìn)行開外，低處回填，以此來確定道路的水平度，在土方開挖過程中產(chǎn)生的廢料或者是進(jìn)行開挖的土方量過大就會產(chǎn)生廢料，這樣就會造成成本的浪費(fèi)，有時還會出現(xiàn)開挖量到運(yùn)輸?shù)攸c(diǎn)距離過大的現(xiàn)象，為了防止此類問題的發(fā)生，我們就要對土方的開挖進(jìn)行一定的規(guī)劃，使土方的開挖量滿足于回填量，同時又可以選擇一條最短的運(yùn)距，盡可能的減少土方的浪費(fèi)，和運(yùn)距偏大導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)等現(xiàn)象。

土石方的調(diào)配包括是施工的組織和管理兩個方面。土石方調(diào)配的基礎(chǔ)條件是工程的設(shè)計(jì)方案。工程的進(jìn)度計(jì)劃、施工的技術(shù)水平和施工機(jī)械及施工道路等方面。優(yōu)化的土石方的調(diào)配對工程的進(jìn)度、工程的成本以及工程區(qū)域的水土流失、景觀和噪音及粉塵等環(huán)境污染等因素都有一定的影響。

工程進(jìn)度：工程進(jìn)度的計(jì)劃對確定施工的平面布置及施工的先后順序有著重要的作用。

工程的基本設(shè)計(jì)方案：工程的基本設(shè)計(jì)方案是決定施工要求和土石方調(diào)配工程量的主要限制條件和約束的因素。

道路系統(tǒng)的布置：道路系統(tǒng)的布置會直接影響到運(yùn)輸費(fèi)的多少，對運(yùn)輸?shù)耐緩竭M(jìn)行優(yōu)化，能夠有效的節(jié)約經(jīng)濟(jì)，達(dá)到資源利用最大化。

施工的技術(shù)水平：施工的技術(shù)水平會直接影響到土石方用料的程度，是土石方技術(shù)優(yōu)化的邊界因素。

施工機(jī)械的組合與配套：機(jī)械的使用會直接影響到土石方調(diào)配系統(tǒng)的開挖和回填的費(fèi)用。

土石方調(diào)配模型的好壞會影響道路工程中多個因素，如工程成本、工程的進(jìn)度、工區(qū)的景觀、噪音和粉塵污染、工區(qū)新增的水土流失量等方面。

1.2 土石方調(diào)配的影響因素

土石方調(diào)配方案的好壞會直接影響到土石方調(diào)配中所使用的費(fèi)用，與此同時，一個合理的優(yōu)秀的土石方的調(diào)配系統(tǒng)可以有效地防止道路堵塞、多次倒運(yùn)和料物不足等問題，以此來保證道路工程的正常進(jìn)行。由于在道路工程中會大規(guī)模的對土方進(jìn)行開挖和回填，這樣就會影響到周邊的環(huán)境，因此在進(jìn)行土方優(yōu)化調(diào)配的過程中，通過控制土方的開挖量能夠有效地減少因土方開挖而對周圍環(huán)境造成的影響。在施工過程中，各種機(jī)械相互協(xié)調(diào)進(jìn)行，難免會產(chǎn)生很多的噪音，這時我們就可以通過土石方調(diào)整方案的優(yōu)化，采取一定的措施，以此來減少噪音和粉塵的污染。在進(jìn)行道路的施工過程中，受一些施工措施的影響，如開挖斷面、棄渣場等工區(qū)會產(chǎn)生水土流失的問題，這樣采用土石方的優(yōu)化都可以對這些問題進(jìn)行有效的解決。

2 道路工程的土石方優(yōu)化的調(diào)配模型

土石方的優(yōu)化模型是通過建立優(yōu)化的調(diào)配模型，來盡可能地使施工費(fèi)用達(dá)到最小化的土石方的調(diào)配方式。土石方的優(yōu)化的調(diào)配模型在一定程度上能夠使材料利用率達(dá)到最大化，從而實(shí)現(xiàn)道路工程的經(jīng)濟(jì)性。土石方優(yōu)化的調(diào)配模型和傳統(tǒng)的調(diào)配模型有著很大的區(qū)別，采用土石方優(yōu)化調(diào)配模型能夠更好地控制土石方的用量，保證道路工程的經(jīng)濟(jì)性，同時該方式通過建立模型的形勢，能夠更加清晰地觀察到土方調(diào)配的優(yōu)化方式。在進(jìn)行土方優(yōu)化調(diào)配模型的建立中，大部分?jǐn)?shù)據(jù)都比較容易獲得，獲得數(shù)據(jù)后通過簡單的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算就可以得到一個優(yōu)秀的土石方優(yōu)化的調(diào)配方案，從而滿足道路工程中對土石方調(diào)配的要求。

2.1 建立模型的準(zhǔn)備工作

2.1.1 劃分運(yùn)輸?shù)木嚯x：在進(jìn)行土石方優(yōu)化之前，我們要充分考慮土石方工程的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間存在的距離，在距離選擇時盡量選擇一條較短的距離，以此來保證運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性。如果工程規(guī)模很大，有很多數(shù)據(jù)需要進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，這時我們可以選擇建立坐標(biāo)系的方式，在坐標(biāo)系上對各個開挖點(diǎn)以及填筑點(diǎn)間的距離進(jìn)行計(jì)算，選擇一條可以減少工程量的路線。

2.1.2 注意土體的密實(shí)度：不同區(qū)域內(nèi)土體的性質(zhì)都不同，土石方的體積和密實(shí)度都會受土體的影響產(chǎn)生一定的差距，因此在進(jìn)行土石方優(yōu)化調(diào)配的時候，要注意考慮的土體的性質(zhì)，將土體不同的性質(zhì)進(jìn)行歸納總結(jié)，確保工程的順利進(jìn)行。

2.1.3 廢料區(qū)的設(shè)置：在進(jìn)行土方開挖的過程中會產(chǎn)生一定的廢料，此時就需要一個適當(dāng)?shù)膮^(qū)域來進(jìn)行企圖的分配。廢料區(qū)是土石方調(diào)配過程中不可忽視的一部分，在進(jìn)行廢料區(qū)的布置的時候，應(yīng)該全方面考慮多種因素。比如運(yùn)距問題和數(shù)量問題等。產(chǎn)生的廢料是不能使用的，因此在建設(shè)模型的時候，應(yīng)該設(shè)置相應(yīng)的廢料區(qū)，這個區(qū)位存放開挖的廢料。

2.1.4 開挖區(qū)和回填區(qū)的合理分布：將開挖區(qū)和回填區(qū)內(nèi)相對較為集中的路線作為土石方量的中心，也就是坐標(biāo)軸上的一點(diǎn)。由于施工過程的開挖區(qū)和回填區(qū)的位置都是離散型分布的，也就是說在坐標(biāo)軸上任意一點(diǎn)的開挖區(qū)和回填區(qū)都應(yīng)相應(yīng)的開挖量和回填量。在進(jìn)行土石方優(yōu)化調(diào)配中應(yīng)盡可能保證開挖量和回填量較小。

2.2 土方優(yōu)化調(diào)配模型的優(yōu)化

在進(jìn)行模型的優(yōu)化主要有以下五個步驟：

2.2.1 對各個區(qū)域進(jìn)行系統(tǒng)的編號：土方優(yōu)化調(diào)配的過程中主要涉及到以下幾個區(qū)域：填筑區(qū)域、開挖區(qū)域、棄土區(qū)域、借土區(qū)域以及廢料區(qū)域，我們要分別對這些區(qū)域進(jìn)行編號：

填筑區(qū)的編號（J個）：j=1，2，…，J；

開挖區(qū)的編號（I個）：i=1，2，…，I；

棄土區(qū)的編號（L個）：l=1，2，…，L；

借土區(qū)的編號（K個）：k=I+1，I=2，…，I+K；

廢料區(qū)的編號（T個）：t=I+K+1，I+K+2，…，I+K+T。

進(jìn)行完各個區(qū)域的劃分之后就該對土石方的優(yōu)化調(diào)配采用一定的措施。

2.2.2 設(shè)立目標(biāo)函數(shù)：采用土石方優(yōu)化調(diào)配模型能夠?qū)崿F(xiàn)土石方在調(diào)配過程中使費(fèi)用達(dá)到最小。我們首先要確定開挖回填的區(qū)域，以及這些區(qū)域所需要的固定費(fèi)用，在進(jìn)行方案的優(yōu)化時，我們可以通過進(jìn)行運(yùn)距的選擇優(yōu)化和土方的開挖回填的優(yōu)化來減少施工費(fèi)用。

2.2.3 土方優(yōu)化的決策變量：土方優(yōu)化的決策變量是從借土區(qū)域、廢料區(qū)域、開挖區(qū)域當(dāng)中進(jìn)行一定的調(diào)配，將料量運(yùn)輸?shù)綏壨羺^(qū)域還有填筑區(qū)域，即從開挖區(qū)域或者是借土區(qū)域以及廢料區(qū)域m處運(yùn)輸?shù)綏壨羺^(qū)域或者是填筑區(qū)域n處所需的土石方的用量。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：p（m，n）。其中：

m=1，2，…，I，I+1，…，I+K，I+K+1，…，I+K+T；

n=1，2，…，J，J+1，…，J+L。

2.2.4 優(yōu)化模型的分析：在進(jìn)行模型優(yōu)化的分析中，我們要獲得一些模型的參數(shù)，比如說土方調(diào)配的運(yùn)距和土方調(diào)配的數(shù)量，這些參數(shù)的獲取方式都比較簡單，因此利用土方優(yōu)化調(diào)配模型對土石方的開挖和回填進(jìn)行優(yōu)化就變得更為切實(shí)可行。

2.2.5 土方優(yōu)化模型求解：當(dāng)我們建立好土石方的調(diào)配模型后，我們就能夠清楚的觀察到土石方的運(yùn)距和土石方的開挖回填量，這樣一個線性規(guī)劃的模型能夠清楚的表現(xiàn)出土方調(diào)配的方案，我們選擇一個消耗最少，成本最低的方案后按照相關(guān)公式進(jìn)行求解，得到一個土石方優(yōu)化調(diào)配的方案。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

某公路為小區(qū)對外樞紐的對外通道，施工期間，該道路主要負(fù)責(zé)貨物材料的運(yùn)輸，建成之后會成為該小區(qū)的永久的交通道路。該道路全長20km，按照國家公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為三級。路面的結(jié)構(gòu)材料為混凝土，三車道，路面寬10.5m，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)和規(guī)范，對該道路的土石方情況進(jìn)行調(diào)配。

用傳統(tǒng)的道路的設(shè)計(jì)規(guī)范和該道路所處的地理環(huán)境進(jìn)行分析，對棄土區(qū)和借土區(qū)進(jìn)行一定的控制和布置，先通過傳統(tǒng)的計(jì)算方式進(jìn)行土石方的調(diào)配，我們之后采用的方式是土石方優(yōu)化的調(diào)配模型。采用這種模型之后，我們不難發(fā)現(xiàn)這兩個計(jì)算方式有著很大的差別，在進(jìn)行優(yōu)化模型的調(diào)配后，借土區(qū)和棄土區(qū)的開挖量都會有所減少，開挖出的土方量能夠最大限度的進(jìn)行回填，以此來減少棄土所占面積和借土的多少，讓建筑成本有所下降。該道路施工規(guī)劃中的土石方工程量如表1所示。該工程有3個開挖區(qū)、3個填筑區(qū)、1個采土區(qū)、1個棄土區(qū)?；诒疚乃⒌哪Ｐ鸵约肮こ虒?shí)例的數(shù)據(jù)，建立該道路工程的土石方調(diào)運(yùn)線性規(guī)劃模型，并通過單純型法的求解進(jìn)行過土方調(diào)配的情況如表2所示：

該道路工程通過對土石方優(yōu)化的調(diào)配模型下進(jìn)行分析，減少了借土區(qū)的開挖量和棄土區(qū)的土方含量，一定程度上減少了借土區(qū)和棄土區(qū)的用地范圍和開挖量，同時該道路工程選擇了一條合理的運(yùn)距，盡可能地利用開挖出的土進(jìn)行回填，降低工程建設(shè)的成本，提高了道路建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性，同時由于采用了合理的土方優(yōu)化的調(diào)配方案，有效地控制了道路施工的過程中對周圍環(huán)境的影響。該道路設(shè)計(jì)在優(yōu)化過程中所需要的數(shù)據(jù)都比較容易獲得，對滿足工程的需求具有建設(shè)性的意義。

4 結(jié)語

在進(jìn)行道路土石方優(yōu)化的調(diào)配模型的建立中，要根據(jù)工程的實(shí)際情況，按照一定的模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。在進(jìn)行分析的同時不光要考慮到土方的開挖和回填的數(shù)量，還要做好運(yùn)距的調(diào)整，以此來降低工程的成本，達(dá)到成本最優(yōu)化。綜上所述，可見土石方優(yōu)化調(diào)配在工程中的重要性。

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（責(zé)任編輯：陳 倩）