鐘仕林 黃洪谷* 張志榮

(四川蜀渝石油建筑安裝工程有限責(zé)任公司，四川成都 610017)

0 引言

場地平整施工方案設(shè)計(jì)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(diǎn)以及土石方重心。但是，當(dāng)所需平整的場地面積大、地形復(fù)雜時(shí)，導(dǎo)致土方量計(jì)算誤差大，考慮邊坡土方和土的可松性調(diào)整設(shè)計(jì)平面后，填挖土方就會(huì)失去平衡。因此，不能用填挖平衡假設(shè)進(jìn)行土方調(diào)配計(jì)算，改用最小二乘法確定最佳設(shè)計(jì)平面，用表上作業(yè)法計(jì)算調(diào)整得到土方調(diào)配方案，更符合工程實(shí)際。

1 場地豎向規(guī)劃設(shè)計(jì)

1.1 確定場地設(shè)計(jì)標(biāo)高

對(duì)地形較為平緩的鉆前工程項(xiàng)目，對(duì)場地設(shè)計(jì)標(biāo)高無特殊要求時(shí)，可按場地平整施工中挖填方量相等的原則進(jìn)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(diǎn)的原地形標(biāo)高標(biāo)在圖上，如圖1所示。

原地形標(biāo)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(shè)計(jì)標(biāo)高可按下式計(jì)算:

式中:n——方格個(gè)數(shù);

z0——所計(jì)算場地的設(shè)計(jì)標(biāo)高;

zi1，zi2，zi3，zi4——第i方格四個(gè)角點(diǎn)原標(biāo)高。

由圖1所示，11角點(diǎn)為一個(gè)方格所有，而12，13，21，24號(hào)角點(diǎn)為兩個(gè)方格所共用，22，23，32，33為四個(gè)方格所共有，用式(2)計(jì)算z0的過程中類似11號(hào)角點(diǎn)的標(biāo)高僅計(jì)算一次，類似12號(hào)角點(diǎn)的標(biāo)高加兩次，可見各個(gè)角點(diǎn)的權(quán)重并不相同。當(dāng)考慮各角點(diǎn)權(quán)的影響時(shí)，式(2)可修正為如下形式:

其中，z1為一個(gè)方格獨(dú)有的角點(diǎn)標(biāo)高;z2，z3，z4分別為二、三、四個(gè)方格所共有的角點(diǎn)標(biāo)高。

式(3)得到的設(shè)計(jì)平面為以水平的挖填方相等的場地，但是實(shí)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(yīng)根據(jù)泄水要求計(jì)算出實(shí)際施工時(shí)選用的設(shè)計(jì)標(biāo)高。

以z0作為場地中心標(biāo)高，則場地各點(diǎn)標(biāo)高可按下式修正:

其中，zi′為考慮排水要求修正后角點(diǎn)標(biāo)高。

則可得到各點(diǎn)的施工高度Hi:

其中，zi為i角點(diǎn)測量得到的實(shí)際標(biāo)高;Hi的正負(fù)分別表示該點(diǎn)為填方和挖方。

1.2 最佳設(shè)計(jì)平面

上述計(jì)算方法計(jì)算得到的設(shè)計(jì)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(shí)滿足總的土方量最小的設(shè)計(jì)平面，本文采用最小二乘法原理，計(jì)算最佳設(shè)計(jì)平面。

圖1 地形圖方格網(wǎng)

圖2 一個(gè)平面的空間位置

由幾何學(xué)可知，一個(gè)平面在直角坐標(biāo)系中都可以用三個(gè)參數(shù)c，ix，iy來確定，如圖2所示。在這個(gè)平面上任何一點(diǎn)i的標(biāo)高zi′，可由下式確定:

式中:xi——i點(diǎn)在x方向上的坐標(biāo);

yi——i點(diǎn)在y方向上的坐標(biāo)。

與前述方法類似，將場地劃分為方網(wǎng)格，并將原地形標(biāo)高zi標(biāo)于圖上，設(shè)最佳設(shè)計(jì)平面的方程如式(6)所示，則該場地方格網(wǎng)角點(diǎn)的施工高度為:

式中:Hi——方格網(wǎng)各角點(diǎn)的施工高度;

zi′——方格網(wǎng)各角點(diǎn)的設(shè)計(jì)平面標(biāo)高;

zi——方格網(wǎng)各角點(diǎn)的原地形標(biāo)高;

n——方格網(wǎng)角點(diǎn)總數(shù)。

由于施工高度有正有負(fù)，當(dāng)施工高度總和為零時(shí)，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(duì)值之和為多少。為了不使施工高度正負(fù)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(duì)值之和的大小。此時(shí)應(yīng)考慮方格網(wǎng)各點(diǎn)施工高度在計(jì)算土方量時(shí)被應(yīng)用的次數(shù)pi，令σ為土方施工高度之平方和，則:

當(dāng)σ的值最小時(shí)，該設(shè)計(jì)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(shí)，上式所得數(shù)值不可能最小)。這就是最小二乘法求最佳設(shè)計(jì)平面的方法。

為了求得σ最小時(shí)的設(shè)計(jì)平面參數(shù)c，ix，iy，可以對(duì)上式c，ix，iy分別求偏導(dǎo)數(shù)，并令其為0，于是得:

解聯(lián)立方程(9)，可求得最佳設(shè)計(jì)平面(未考慮工藝、運(yùn)輸?shù)纫?的三個(gè)參數(shù)c，ix，iy，然后根據(jù)式(7)算出各點(diǎn)的施工高度。

1.3 設(shè)計(jì)標(biāo)高的調(diào)整

在實(shí)際的工程中，對(duì)計(jì)算所得的設(shè)計(jì)標(biāo)高，還應(yīng)該考慮以下因素進(jìn)行調(diào)整，這些工作應(yīng)在完成土石方量的計(jì)算后進(jìn)行。

1)考慮土的最終可松性，需相應(yīng)提高設(shè)計(jì)標(biāo)高，達(dá)到土方量的實(shí)際平衡。

2)考慮工程余土或工程用土，相應(yīng)提高或降低設(shè)計(jì)標(biāo)高。

3)根據(jù)經(jīng)濟(jì)必選結(jié)果，如采用場外取土或棄土的施工方案，則應(yīng)考慮因此引起的土方量的變化，需要重新調(diào)整設(shè)計(jì)標(biāo)高。

2 計(jì)算場地平整土方量

設(shè)計(jì)標(biāo)高得到后，就可計(jì)算場地各點(diǎn)的施工高度，然后按每個(gè)方格網(wǎng)角點(diǎn)的施工高度算出挖填土方量，并計(jì)算場地邊坡的土方量，這樣就可以得到整個(gè)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(diǎn)施工高度為一挖一填的方格邊線上，用線性插值求出零點(diǎn)位置，然后將相鄰的零點(diǎn)連接起來即是零線。如果不需要計(jì)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(jì)算

零線確定以后，就進(jìn)行土方量的計(jì)算。可以采用“四方棱柱體法”進(jìn)行計(jì)算。

1)當(dāng)方格四個(gè)角點(diǎn)全部都為挖方或填方時(shí)，

其中，V為挖方或填方體積;H1，H2，H3，H4為方格四個(gè)角點(diǎn)填挖高度絕對(duì)值。

2)當(dāng)方格四個(gè)角點(diǎn)為部分挖方，部分填方:

其中，∑H填(挖)為方格點(diǎn)中填(挖)方施工高度的總和，取絕對(duì)值;∑H為方格四個(gè)角點(diǎn)施工高度的總和，取絕對(duì)值。

3 土方調(diào)配

土方調(diào)配是場地平整施工設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要內(nèi)容，其目的是在土方總運(yùn)輸量(m3·m)最小或土方的運(yùn)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(diǎn):

1)調(diào)配區(qū)的劃分應(yīng)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(yīng)該滿足土方施工主導(dǎo)機(jī)械的技術(shù)參數(shù)要求。

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

4)當(dāng)土方運(yùn)距較大或場地范圍內(nèi)土方不平衡時(shí)，可根據(jù)井場附近的地形，考慮就近取土或棄土，這時(shí)一個(gè)取土區(qū)或棄土區(qū)可作為一個(gè)獨(dú)立的土方調(diào)配區(qū)。

3.2 確定平均運(yùn)距

調(diào)配區(qū)的大小及位置確定之后，計(jì)算各挖填方區(qū)的平均運(yùn)距，當(dāng)用以下方式機(jī)械組合方式:

1)挖掘機(jī)配自卸汽車;

2)裝載機(jī)配自卸汽車;

3)推土機(jī)和裝載機(jī)短距離直接運(yùn)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(yùn)距。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況選擇相應(yīng)的調(diào)運(yùn)方式。

3.3 土方調(diào)配

根據(jù)施工周期計(jì)劃，確實(shí)所需的設(shè)備數(shù)量，并計(jì)劃到每個(gè)有效施工作業(yè)天數(shù)必須完成的土石方數(shù)量，進(jìn)行確定每天施工作業(yè)的時(shí)間。并結(jié)合場地壓實(shí)情況以及壓實(shí)機(jī)械數(shù)量是否合理，工作場面的大小，運(yùn)輸?shù)缆窢顩r等等影響因素，進(jìn)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(gè)，這些方案調(diào)配區(qū)或調(diào)配土方量可以不同，有了幾個(gè)優(yōu)先方案后，就可為工程施工提供更多的選擇。