廠區(qū)和場站工程場地平整優(yōu)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(wǎng)法確定土石方數(shù)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(diào)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(diào)配計算，改用最小二乘法確定最佳設計平面，用表上作業(yè)法計算調(diào)整得到土方調(diào)配方案，更符合工程實際。

1 場地豎向規(guī)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(guī)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(wǎng)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(shù);

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(jù)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(wǎng)

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(shù)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(wǎng)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(wǎng)角點的施工高度為:

式中:Hi——方格網(wǎng)各角點的施工高度;

zi′——方格網(wǎng)各角點的設計平面標高;

zi——方格網(wǎng)各角點的原地形標高;

n——方格網(wǎng)角點總數(shù)。

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(wǎng)各點施工高度在計算土方量時被應用的次數(shù)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(shù)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(shù)c，ix，iy，可以對上式c，ix，iy分別求偏導數(shù)，并令其為0，于是得:

解聯(lián)立方程(9)，可求得最佳設計平面(未考慮工藝、運輸?shù)纫?的三個參數(shù)c，ix，iy，然后根據(jù)式(7)算出各點的施工高度。

1.3 設計標高的調(diào)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(diào)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(jù)經(jīng)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(diào)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(wǎng)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(qū)與填方區(qū)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(diào)配

土方調(diào)配是場地平整施工設計中的一個重要內(nèi)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(qū)土方的調(diào)配方向和數(shù)量，從而縮短工期，降低施工成本。

3.1 劃分土方調(diào)配區(qū)

劃分土方調(diào)配區(qū)需要注意以下幾點:

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

2)土方調(diào)配區(qū)的大小應該滿足土方施工主導機械的技術參數(shù)要求。

3)調(diào)配區(qū)的范圍應該和土方工程量計算用的方格網(wǎng)協(xié)調(diào)，通?？捎扇舾蓚€方格組成一個調(diào)配區(qū)。

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

3.2 確定平均運距

調(diào)配區(qū)的大小及位置確定之后，計算各挖填方區(qū)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(nèi))。

可將挖土調(diào)配區(qū)與填土調(diào)配區(qū)土方重心之間的距離作為挖填方調(diào)配區(qū)之間的平均運距。根據(jù)現(xiàn)場實際情況選擇相應的調(diào)運方式。

3.3 土方調(diào)配

根據(jù)施工周期計劃，確實所需的設備數(shù)量，并計劃到每個有效施工作業(yè)天數(shù)必須完成的土石方數(shù)量，進行確定每天施工作業(yè)的時間。并結合場地壓實情況以及壓實機械數(shù)量是否合理，工作場面的大小，運輸?shù)缆窢顩r等等影響因素，進行土石方調(diào)配方案的編制。

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