變電工程基槽余土及土方平衡計算探討

常 偉，王偉軍，梁 偉，張玉明

（中國電力工程顧問集團西北電力設(shè)計院有限公司，陜西 西安710075）

引言

土石方工程是工程建設(shè)的重要組成部分[1]，隨著環(huán)保要求的日益提高，棄土或者外購?fù)潦綄⒆兊迷絹碓嚼щy，余缺土石方處理是否合理、得當(dāng)，直接影響整個工程的順利驗收[2]。合理的確定場地設(shè)計標(biāo)高是變電工程建構(gòu)筑物基礎(chǔ)施工的前提條件。場地設(shè)計標(biāo)高等于場地初平標(biāo)高與基槽余土回填高度之和[3]。變電工程場地平整施工完成后，基槽余土的回填高度決定了場地終平設(shè)計標(biāo)高，也決定了站區(qū)土石方能否平衡，為盡量做到土石方平衡，基槽余土計算的準(zhǔn)確性尤為重要?；塾嗤恋挠嬎阋殉蔀橥潦狡胶庥嬎愕年P(guān)鍵環(huán)節(jié)[4]。

變電工程建構(gòu)筑物基槽數(shù)量多、種類復(fù)雜，國內(nèi)學(xué)者對土方平衡計算方法及誤差分析開展了一定的研究[5-8]，針對基槽余土計算的研究相對較少，而實際工程設(shè)計中，設(shè)計人員常通過估算或經(jīng)驗法確定基槽余土工程量。由于變電工程的地質(zhì)條件的復(fù)雜性和建設(shè)規(guī)模的不同，估算法和經(jīng)驗法往往誤差較大，導(dǎo)致土方平衡計算誤差。因此，有必要對基槽余土的計算進行認真的梳理分析和總結(jié)。

本文結(jié)合工程實例，總結(jié)了基槽余土計算內(nèi)容、統(tǒng)一了基槽余土計算原則，分析了土方平衡計算的誤差原因，并提出了減小誤差的措施。為后續(xù)變電工程基槽余土及土方平衡計算提供參考。

1 基槽余土計算

變電工程基槽余土計算一般涉及變電總圖、結(jié)構(gòu)、水工、建筑等相關(guān)專業(yè)。

1.1 基準(zhǔn)面的選取

為方便計算及統(tǒng)一原則，基槽余土計算的基準(zhǔn)面建議以場地終平標(biāo)高為準(zhǔn)。如圖1 所示。場地終平標(biāo)高比較明確，方便設(shè)計及施工單位計算。

圖1 基槽余土計算示意

根據(jù)圖1 所示，基槽余土工程量為：V1+V2。基坑回填量為V2+V3。根據(jù)理論計算結(jié)果：

基準(zhǔn)面以上部位不計列在基槽余土范圍內(nèi)。如圖2所示。實際工程中，基準(zhǔn)面以上部位很容易被計列基槽余土工程量，影響土方平衡計算。

圖2 基槽余土計算示意圖

如圖2 所示，終平標(biāo)高以上部分的電纜溝道、設(shè)備基礎(chǔ)、柱及保護帽等不應(yīng)計列基槽余土工程量。

1.2 基槽余土計算內(nèi)容

變電工程建構(gòu)筑物基礎(chǔ)的基槽余土計算內(nèi)容大致分為以下幾個部分：（1）建筑物基礎(chǔ)；（2）構(gòu)筑物基礎(chǔ)；（3）工藝設(shè)備基礎(chǔ)；（4）場地封閉；（5）站外部分。

（1）建筑物基礎(chǔ)基槽余土。建筑物基礎(chǔ)的基槽余土主要包括墊層，基礎(chǔ)，基準(zhǔn)面以下柱（梁）、地下設(shè)施（屏柜基礎(chǔ)、溝道）、室內(nèi)設(shè)備基礎(chǔ)、地面、預(yù)埋管、室外散水，換填工程量等。（2）構(gòu)筑物基礎(chǔ)基槽余土。構(gòu)筑物基礎(chǔ)的基槽余土主要包括圍墻、防火墻基礎(chǔ)及墊層；水池、事故油池等箱型基礎(chǔ)及墊層；道路及電纜溝、邊坡及擋墻、雨水井、檢查井、閥門井等體積、圍欄基礎(chǔ)及墊層、地下管線、換填工程量等。（3）工藝設(shè)備基礎(chǔ)基槽余土。工藝設(shè)備基礎(chǔ)基槽余土主要包括：構(gòu)支架基礎(chǔ)及墊層；GIS、HGIS 設(shè)備基礎(chǔ)及墊層；變壓器、電抗器、電容器基礎(chǔ)及墊層、換填工程量等。（4）場地封閉。場地封閉基槽余土主要包括：站區(qū)場地（含圍欄內(nèi)）封閉的面層、基層及墊層。（5）站外部分。站外部分的基槽余土主要包括：進站道路、站外管線（引水管線）、站外蒸發(fā)池、臨建區(qū)域表層根植土、植被恢復(fù)等。

1.3 基槽余土計算誤差分析

（1）基準(zhǔn)面選取不統(tǒng)一造成計算誤差。以初平標(biāo)高作為基準(zhǔn)面計算基槽余土、以建筑物室內(nèi)地坪為基準(zhǔn)面計算基槽余土、以外露地面的設(shè)備基礎(chǔ)頂部作為基準(zhǔn)面計算基槽余土等都將導(dǎo)致基槽余土計算不準(zhǔn)確。（2）工藝資料滯后導(dǎo)致的計算誤差?；塾嗤劣嬎銜r，工程往往剛開工，受設(shè)備工藝資料相對滯后等原因，建構(gòu)筑物的基礎(chǔ)大小、埋深等無法最終確定，基槽余土計算往往需要根據(jù)以往工程經(jīng)驗進行估算，從而產(chǎn)生計算誤差。（3）場地坡度導(dǎo)致計算誤差。場地坡度較大時，場地封閉、電纜溝道等基槽余土工程量未考慮場地坡度的影響。（4）地基處理方案改變導(dǎo)致的計算誤差。建構(gòu)筑物基坑開挖過程中，根據(jù)實際土層開挖情況，難免出現(xiàn)超挖換填，從而導(dǎo)致基槽余土理論計算與實際不一致。（5）換填材料改變導(dǎo)致的計算誤差。施工圖前確定的換填方案，在施工工程中，因采購困難、施工等因素導(dǎo)致?lián)Q填材料發(fā)生變化，砂不同換填材料的換填要求不一致，換填工程量差異較大，導(dǎo)致基槽余土計算產(chǎn)生誤差。

1.4 減少基槽余土計算誤差的措施

（1）基槽余土計算階段，設(shè)備工藝專業(yè)應(yīng)最大限度的配合土建專業(yè)完成提資，力求基槽余土計算的準(zhǔn)確性。（2）基準(zhǔn)面選取應(yīng)統(tǒng)一，這是基槽余土計算最基本的前提條件。（3）場地坡度較大時，場地封閉、電纜溝道等基槽余土工程量應(yīng)考慮場地坡度的影響。（4）條件允許的情況下，施工圖正式提供現(xiàn)場前，應(yīng)復(fù)核基槽余土工程量。（5）嚴格執(zhí)行初步設(shè)計階段已確定的地基換填處理方案。即便相同的換填位置，因換填材料（灰土、砂礫石、毛石、素混凝土等）不同，因換填范圍不同，基槽余土計算工程量的差異也不同。同時，在施工圖設(shè)計中應(yīng)嚴格控制換填工程量。施工圖應(yīng)明確換填厚度及換填范圍。（6）加強基槽余土計算校審制度。設(shè)計應(yīng)建立健全基槽余土工程量計算校-審-批制度，避免出現(xiàn)漏項、重復(fù)計列、原則不統(tǒng)一、方法不恰當(dāng)、數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等導(dǎo)致基槽余土的計算誤差。

2 土石方平衡計算

土石方的計算不僅涉及天然的挖、填方體積，還需要考慮土壤挖、填時的松散量以及基槽余土計算等。土石方平衡并不意味著計算出來挖方體積等于填方體積即可，而應(yīng)該綜合考慮土壤松散及基槽余土等因素的影響。

2.1 設(shè)計標(biāo)高確定原則

土石方平衡的關(guān)鍵在于確定合理的場平設(shè)計標(biāo)高。設(shè)計標(biāo)高：原則上應(yīng)不外棄、不外購。但也要講究實事求是，工程設(shè)計之初不能勉強，工程實施過程不能硬湊。確實無法平衡的應(yīng)盡量往棄土方向考慮，盡量不產(chǎn)生購?fù)痢?/p>

（1）對于新疆、青海等西北鹽漬土地區(qū)，土層中一般均含有膠結(jié)鹽漬塊（以具體工程巖土地質(zhì)為準(zhǔn)），此部分膠結(jié)塊因破碎困難，工程實施過程中一般均按照棄土考慮。此類站址，在工程可研～初設(shè)階段，可提前考慮棄土方案。（2）對于膨脹土地基，應(yīng)提前考慮換土及膨脹土外棄方案；對于巖石類地基，應(yīng)提前考慮基巖破碎或外棄方案；對于淤泥質(zhì)土，應(yīng)提前考慮淤泥的外棄方案。

2.2 土石方工程量計算

土石方計算的方法有很多，例如方格網(wǎng)法、等高線法、斷面法、散點法等[9]，變電工程實際中一般多采用方格網(wǎng)法計算土石方工程量，將站區(qū)紅線范圍內(nèi)用地根據(jù)工藝需求標(biāo)高劃分為不同區(qū)塊，將每個區(qū)塊再劃分為多個邊長為a 的小方格。最后通過計算軟件測算出每個方格點的施工高度，第k 個方格內(nèi)的挖填方量計算公式為：

式中：Vk-第k 個方格內(nèi)挖填土石方量；a-方格邊長，通常取10～20m；h1、h2、h3、h4-方格各角點的挖填高度。

第k 個方格內(nèi)區(qū)域土方計算簡圖如圖3 所示：

圖3 方格網(wǎng)法土方計算示意圖

2.3 土石方計算誤差分析

（1）地形圖測量誤差。測量誤差主要受測量儀器的準(zhǔn)確度、觀測者的技術(shù)水平以及溫度、濕度、風(fēng)力等外界條件的影響。這些影響因素可能導(dǎo)致測量地形圖與實際地形存在誤差。（2）土石方計算方法誤差。方格網(wǎng)計算公式將四角高度不一致的不規(guī)則幾何體簡化為四角高度一致的長方體來計算其體積，忽略方格區(qū)內(nèi)地形的起伏變化，這樣的計算結(jié)果存在一定誤差。如圖4 所示。另外，方格網(wǎng)計算時，方格間距大小也影響計算精度，方格間距越小，精度越高?？紤]到地形圖比例等因素，方格網(wǎng)間距一般取10～20m。（3）建構(gòu)筑物基槽余土的計算誤差。變電工程建構(gòu)筑物基礎(chǔ)基槽余土計算時，除場地封閉、道路結(jié)構(gòu)層等可以相對準(zhǔn)確的計算外，涉及工藝專業(yè)的建筑物基礎(chǔ)、設(shè)備基礎(chǔ)、地下管線等以及詳細的地基處理方案通常均難以精確提供，僅靠設(shè)計人員的經(jīng)驗數(shù)據(jù)估算。（4）土壤松散系數(shù)誤差。土壤經(jīng)過挖掘后，原土體組織破壞，體積就會增加，因此，挖填平衡計算時必須考慮土壤松散系數(shù)的影響。變電工程建構(gòu)筑物基礎(chǔ)基槽余土有的位于原始挖方區(qū)，有的位于初平后的填方區(qū)，土質(zhì)類型不同，土壤松散系數(shù)隨土壤類別而不同，另外，每一類土的松散系數(shù)本身就是一個范圍值，設(shè)計人員應(yīng)用時都是根據(jù)自己的經(jīng)驗進行取值，導(dǎo)致土石方量計算誤差。（5）清表、清淤的計算誤差。變電工程場平施工前，植被、草皮、雜填土、耕植土、腐殖土、淤泥等應(yīng)清除干凈。由于清表、清淤的土方均需外運，故有必要精確計算該部分工程量。清表工程量一般按照經(jīng)驗將整個站區(qū)取一定厚度予以估算，清表土一般不作為回填土，若是對清表土進行過篩處理后則可利用，清表土的可利用率具體是多少不易確定。（6）基坑回填未按照規(guī)范要求分層夯實。根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)，填方工程均要求分層碾壓密實，密實度達到0.94 以上。但現(xiàn)場施工過程中，往往很難嚴格執(zhí)行該要求。（7）基坑回填粒徑不滿足要求。對于基坑開挖遇到堅硬基巖的工程，通常需先采用爆破施工，再對大粒徑的塊石進行二次破碎后方可回填，工程實施工程中，未按照相關(guān)要求進行二次破碎回填的大塊石會形成底部空隙，導(dǎo)致密實度達不到要求，還會導(dǎo)致后期場地發(fā)生不均勻沉降。（8）就地取材。對于土層較好（土、石可兼做建筑材料）的站址，工程實際實施過程中，可能出現(xiàn)就地取材現(xiàn)象。挖出來的土石被用作建筑材料，后期回填時造成土方不夠的現(xiàn)象。

圖4 土方計算公式誤差圖

2.4 減少土石方計算誤差的措施

雖然土石方工程有誤差，難以真正平衡，但也應(yīng)力求做到誤差最小，盡量消除土石方不平衡導(dǎo)致的余缺土量。

（1）土方平衡初平標(biāo)高容易控制，甚至可以根據(jù)實際進行調(diào)整，終平標(biāo)高的確定主要取決于基槽余土工程量。因此，應(yīng)加強基槽余土計算的準(zhǔn)確性。

表1 不同土質(zhì)松散系數(shù)取值

（3）清表土不一定全部外運，過篩后有部分土可用于回填，適當(dāng)控制清表再利用的比例，即可減少外運量又可有效利用土方。

（4）作為設(shè)計單位，可在工程開工伊始，提醒業(yè)主及監(jiān)理單位做好現(xiàn)場土方倒運集中管理工作，盡力避免后續(xù)土方扯皮事件。

（5）強夯地基處理后，理論上強夯會使得強夯區(qū)域會沉降一定深度，但根據(jù)多個工程實際經(jīng)驗表明，由于強夯后基礎(chǔ)開挖又將該部分夯壓密實的土方挖松，待基礎(chǔ)施工完畢后，由于受基礎(chǔ)等構(gòu)筑物的限制，大型機具很難完全碾壓到位，存在碾壓盲點，回填土的密實度不可能達到強夯時的效果，所以，強夯地基處理時夯沉量遠沒有理論計算的多。

（6）施工過程中，監(jiān)理單位應(yīng)督促施工單位嚴格按照相關(guān)規(guī)程規(guī)范要求進行基坑回填，嚴格控制回填土粒徑及壓實密實度。

3 結(jié)論

在實際工程中，經(jīng)常遇到因土石方量計算值與現(xiàn)場實際發(fā)生量間的誤差而產(chǎn)生的糾紛。基槽余土工程量及土方平衡計算時，不能局限于圖面計算，而應(yīng)把影響基槽余土計算和土方平衡計算的各種因素綜合考慮全面一些，才能使得計算工程量與實際施工基本吻合，將誤差降到最小。

本文結(jié)合工程實例，總結(jié)了基槽余土計算內(nèi)容、統(tǒng)一了基槽余土計算原則，分析了土方平衡計算的誤差原因，并提出了減小誤差的措施，為后續(xù)變電工程基槽余土及土方平衡計算提供參考。