厂区和场站工程场地平整优化设计

钟仕林 黄洪谷* 张志荣

(四川蜀渝石油建筑安装工程有限责任公司，四川成都 610017)

0 引言

场地平整施工方案设计通常采用方格网法确定土石方数量，用填挖平衡找出零界点以及土石方重心。但是，当所需平整的场地面积大、地形复杂时，导致土方量计算误差大，考虑边坡土方和土的可松性调整设计平面后，填挖土方就会失去平衡。因此，不能用填挖平衡假设进行土方调配计算，改用最小二乘法确定最佳设计平面，用表上作业法计算调整得到土方调配方案，更符合工程实际。

1 场地竖向规划设计

1.1 确定场地设计标高

对地形较为平缓的钻前工程项目，对场地设计标高无特殊要求时，可按场地平整施工中挖填方量相等的原则进行确定。

场平工程的场地通常都为不规则的几何图形，因此可将场地划分为边长为a的若干方格，并将方格网角点的原地形标高标在图上，如图1所示。

原地形标高可利用已有的等高线用线性插值求得。按照挖填方量相等的原则，场地设计标高可按下式计算:

式中:n——方格个数;

z0——所计算场地的设计标高;

zi1，zi2，zi3，zi4——第i方格四个角点原标高。

由图1所示，11角点为一个方格所有，而12，13，21，24号角点为两个方格所共用，22，23，32，33为四个方格所共有，用式(2)计算z0的过程中类似11号角点的标高仅计算一次，类似12号角点的标高加两次，可见各个角点的权重并不相同。当考虑各角点权的影响时，式(2)可修正为如下形式:

其中，z1为一个方格独有的角点标高;z2，z3，z4分别为二、三、四个方格所共有的角点标高。

式(3)得到的设计平面为以水平的挖填方相等的场地，但是实际的场平工程为了排水的需要均有一定的泄水坡度。因此，应根据泄水要求计算出实际施工时选用的设计标高。

以z0作为场地中心标高，则场地各点标高可按下式修正:

其中，zi′为考虑排水要求修正后角点标高。

则可得到各点的施工高度Hi:

其中，zi为i角点测量得到的实际标高;Hi的正负分别表示该点为填方和挖方。

1.2 最佳设计平面

上述计算方法计算得到的设计平面，能够满足挖填方量相等的要求，但是却不能保证总的土方量最小。要得到挖填方量平衡，同时满足总的土方量最小的设计平面，本文采用最小二乘法原理，计算最佳设计平面。

图1 地形图方格网

图2 一个平面的空间位置

由几何学可知，一个平面在直角坐标系中都可以用三个参数c，ix，iy来确定，如图2所示。在这个平面上任何一点i的标高zi′，可由下式确定:

式中:xi——i点在x方向上的坐标;

yi——i点在y方向上的坐标。

与前述方法类似，将场地划分为方网格，并将原地形标高zi标于图上，设最佳设计平面的方程如式(6)所示，则该场地方格网角点的施工高度为:

式中:Hi——方格网各角点的施工高度;

zi′——方格网各角点的设计平面标高;

zi——方格网各角点的原地形标高;

n——方格网角点总数。

由于施工高度有正有负，当施工高度总和为零时，表明该场地土方的填挖平衡，但不能反映出填方和挖方的绝对值之和为多少。为了不使施工高度正负相互抵消，若把施工高度平方之和再相加，则其总和能反映土方工程填挖绝对值之和的大小。此时应考虑方格网各点施工高度在计算土方量时被应用的次数pi，令σ为土方施工高度之平方和，则:

当σ的值最小时，该设计平面既能使土方工程量最小，又能保证填挖方量相等(填挖方不平衡时，上式所得数值不可能最小)。这就是最小二乘法求最佳设计平面的方法。

为了求得σ最小时的设计平面参数c，ix，iy，可以对上式c，ix，iy分别求偏导数，并令其为0，于是得:

解联立方程(9)，可求得最佳设计平面(未考虑工艺、运输等要求)的三个参数c，ix，iy，然后根据式(7)算出各点的施工高度。

1.3 设计标高的调整

在实际的工程中，对计算所得的设计标高，还应该考虑以下因素进行调整，这些工作应在完成土石方量的计算后进行。

1)考虑土的最终可松性，需相应提高设计标高，达到土方量的实际平衡。

2)考虑工程余土或工程用土，相应提高或降低设计标高。

3)根据经济必选结果，如采用场外取土或弃土的施工方案，则应考虑因此引起的土方量的变化，需要重新调整设计标高。

2 计算场地平整土方量

设计标高得到后，就可计算场地各点的施工高度，然后按每个方格网角点的施工高度算出挖填土方量，并计算场地边坡的土方量，这样就可以得到整个场地的挖填土方总量。

2.1 确定零线

零线是挖方区与填方区的交线，在该线上，施工高度为0。确定零线的方法是:在相邻角点施工高度为一挖一填的方格边线上，用线性插值求出零点位置，然后将相邻的零点连接起来即是零线。如果不需要计算出零线的确切位置，则只需要绘出零线的大体位置即可。

2.2 土方量计算

零线确定以后，就进行土方量的计算。可以采用“四方棱柱体法”进行计算。

1)当方格四个角点全部都为挖方或填方时，

其中，V为挖方或填方体积;H1，H2，H3，H4为方格四个角点填挖高度绝对值。

2)当方格四个角点为部分挖方，部分填方:

其中，∑H填(挖)为方格点中填(挖)方施工高度的总和，取绝对值;∑H为方格四个角点施工高度的总和，取绝对值。

3 土方调配

土方调配是场地平整施工设计中的一个重要内容，其目的是在土方总运输量(m3·m)最小或土方的运输成本最小的前提下，确定填挖方区土方的调配方向和数量，从而缩短工期，降低施工成本。

3.1 划分土方调配区

划分土方调配区需要注意以下几点:

1)调配区的划分应与工程的平面位置相协调，并考虑它们的开工顺序、工程的分期施工顺序。

2)土方调配区的大小应该满足土方施工主导机械的技术参数要求。

3)调配区的范围应该和土方工程量计算用的方格网协调，通常可由若干个方格组成一个调配区。

4)当土方运距较大或场地范围内土方不平衡时，可根据井场附近的地形，考虑就近取土或弃土，这时一个取土区或弃土区可作为一个独立的土方调配区。

3.2 确定平均运距

调配区的大小及位置确定之后，计算各挖填方区的平均运距，当用以下方式机械组合方式:

1)挖掘机配自卸汽车;

2)装载机配自卸汽车;

3)推土机和装载机短距离直接运输(40 m以内)。

可将挖土调配区与填土调配区土方重心之间的距离作为挖填方调配区之间的平均运距。根据现场实际情况选择相应的调运方式。

3.3 土方调配

根据施工周期计划，确实所需的设备数量，并计划到每个有效施工作业天数必须完成的土石方数量，进行确定每天施工作业的时间。并结合场地压实情况以及压实机械数量是否合理，工作场面的大小，运输道路状况等等影响因素，进行土石方调配方案的编制。

土方调配的最优方案可不止一个，这些方案调配区或调配土方量可以不同，有了几个优先方案后，就可为工程施工提供更多的选择。