鐵路建設項目土石方優(yōu)化調配方法研究

［關鍵詞］ 土石方;調配；優(yōu)化；水土保持；建設項目；鐵路

［摘要］ 目前有關土石方調配的研究大多以優(yōu)化工程費用為目的，很少將優(yōu)化后產生的生態(tài)效益作為獨立參數納入平衡計算。根據鐵路工程土石方調配特點，探討利用更嚴謹的運籌學方法，以施工費用最小、環(huán)境影響最輕微為目的，建立多目標優(yōu)化模型，在節(jié)省工程費用的同時盡可能減少水土流失的影響，使工程建設與水保目標相協(xié)調統(tǒng)一，旨在為鐵路建設項目土石方優(yōu)化調配提供參考。

［中圖分類號］ TV512；S157［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1000－0941（2023）06－0036－04

開發(fā)建設項目在建設過程中即使嚴格落實各項水土保持措施，仍然會擾動地表，造成水土流失，導致原生態(tài)系統(tǒng)內土壤、水分減少，降低原地貌保持水土及涵養(yǎng)水源的功能。做好建設工程土石方平衡規(guī)劃，制定完善的調配方案，可從源頭上減少地表開挖、棄土堆置，既能節(jié)省工程建設開支，也有利于減輕水土流失危害[1]。目前，鐵路行業(yè)相關規(guī)范中已提出“避免高填、深挖”“充分利用棄土”的土石方調配原則[2]，但尚未明確具體的計算方法和相應的管理制度。水土保持方案編制及施工設計階段涉及的土石方平衡方案，大多是采用計算表調配法測算，對后續(xù)工作的指導意義不大，最終落地方案往往由施工單位根據現場情況自行編制，易產生水土保持方案變更問題。另外，目前有關土石方調配的研究大多以優(yōu)化工程費用為目的，很少單獨考慮水土保持要求，即很少將優(yōu)化后產生的生態(tài)效益作為獨立參數納入平衡計算。

1優(yōu)化原則及方法

1.1優(yōu)化原則

①節(jié)省工程費用原則。土石方調配方案與土石方運輸、填料外購、臨時用地征地建設及復墾等費用息息相關，直接影響施工費用計量及工期安排。通常采取兩種方法節(jié)省工程費用：一是根據地形情況和施工條件，制定合理的運輸路線，使挖（填）方量與運距的乘積之和最小，即總土方運輸量或運輸費用最??；二是增加挖方利用量，盡可能增加工程自用土石方比例，以節(jié)省填料外購、外借費用，以及取、棄土場建設、恢復費用。②降低水土流失（提高生態(tài)效益）原則。工程建設導致水土流失量增加，主要表現為水土流失面積擴大、土壤侵蝕模數增加，合理的土石方平衡方案可通過減少施工斷面和松散堆土體，從源頭上減少水土流失，提高生態(tài)效益。

1.2優(yōu)化方法

傳統(tǒng)的土石方調配方法有調配圖法、累積曲線法及計算表調配法等[3]，大多是先利用人工方法判定最大經濟運距，超出該運距范圍則就近調配，未將設置棄土場的成本、棄土回填節(jié)省的費用等納入統(tǒng)籌計算，也未兼顧水保目標，隨意性強、誤差較大。在鐵路建設項目中土石方調配方法應用最多的是計算表調配法，但節(jié)省工程費用和提高生態(tài)效益是兩個方向不一致的決策目標，甚至存在相互制約的關系，進行聯(lián)合優(yōu)化還需進一步利用到線性規(guī)劃計算中的多目標優(yōu)化決策理論。多目標優(yōu)化決策理論是數學規(guī)劃的一個分支，一般有線性加權法、層次序列法、智能進化算法等，其中線性加權法較為直觀簡便，可根據實際需求靈活調節(jié)不同目標的加權系數，但應用時需先對土石方調配施工費用（包括水土保持措施費用）及生態(tài)損益影響賦予可量化的經濟指標。其中，土石方調配施工費用在《鐵路基本建設工程設計概（預）算編制辦法》等規(guī)范性文件中有較為明確的計算方法[4]；生態(tài)損益影響可根據土壤營養(yǎng)物質的流失情況，推算地表作物逐年減產量等[5]進行經濟指標量化，但其計算模型較為復雜，考慮到生產建設項目水土保持補償費征收標準正是基于原有水土保持生態(tài)服務功能價值評估制定[6]，可參考相關地區(qū)水土保持補償費征收標準，作為衡量土石方施工導致的生態(tài)破壞、水土流失影響的生態(tài)損益指標[7]。

2模型建立

土石方調配平衡計算本質是在有限資源條件下求解最優(yōu)方案，屬運籌學優(yōu)化計算范疇，建立合理的線性優(yōu)化模型，利用相關計算機程序，可規(guī)劃更準確、更高效的土石方調配方案[8]。

2.1工點確定

為簡化運算， 齊峰：鐵路建設項目土石方優(yōu)化調配方法研究將一定長度范圍內相對集中的路段（可參考免費運距長度）及?。墸┩翀鲆暈樘幱谧鴺溯S上的一點，選取該工點中心里程進行運距計算，外購土石方、改良土方可根據相應價格成本換算。整體核算時，先區(qū)分不同挖方利用類型，逐工點完成內部移挖平衡，再判斷各工點屬于挖方工點還是填方工點，最后匯總各工點挖（填）方量。

2.2模型公式

（1）根據土石方調配途徑，建立線性規(guī)劃模型公式[9]，即min（F）=∑r1∑i1∑j1VrWiTj×CrWiTj+∑r1∑k1∑j1VrQkTj×

CrQkTj+∑r1∑i1∑m1VrWiZm×CrWiZm+∑r1∑i1∑k1VrWiQk×CrWiQk（1）式中：F為土石方調配總費用；r為填料組別，鐵路路基填料主要分為AB組填料、C組填料，AB組填料r取1、C組填料r取2；VrWiTj為從第i處挖方工點調出至第j處填方工點的r組填料方量；VrQkTj為從第k處取土場調運至第j處填方工點的r組填料方量；VrWiZm為從第i處挖方工點調運至第m處棄土場的r組填料方量；VrWiQk為從第i處挖方工點回填至第k處取土場的r組填料方量；CrWiTj、CrQkTj、CrWiZm、CrWiQk分別為相應調配途徑下的土石方單價。

（2）約束條件。挖方工點挖方量約束條件為∑r1∑i1∑j1VrWiTj+∑i1∑m1V1WiZm+∑i1∑k1V1WiQk=VrWi（2）填方工點填方量約束條件為∑i1∑j1V1WiTj+∑k1∑j1V1QkTj=V1Tj

∑r1∑i1∑j1VrWiTj+∑r1∑k1∑j1VrQkTj=V2Tj（3）取土場開采量上限約束條件為∑j1VrQkTj≤VrQk（4）棄土場容量上限約束條件為∑r1∑i1VrWiZm≤VZm（5）變量非負約束條件為VrWiTj≥0；VrQkTj≥0；VrWiZm≥0；VrWiQk≥0（6）3調配方案優(yōu)化示例

鐵路站場路基回填土方量較大且對填料要求等級低，可選擇范圍廣，因此選取某新建高速鐵路的部分站場路基及相鄰區(qū)間路基作為工點，并結合周邊棄土場、取土場情況，對C組填料進行調配平衡運算示例。

3.1成本測算

土石方工程由開挖（爆破）、卸運、臨時防護建設、填筑壓實、平整復墾等施工環(huán)節(jié)組成，不同施工環(huán)節(jié)有不同的調配途徑。根據相關工程計價規(guī)定、水土保持法規(guī)及工程實際情況，對調配計算涉及的單項施工費用進行測算，結果見表1。

以表1中測算的單項費用為基準，按工程自用、取土場借方/外購、余方棄置、余方回填取土場4種調配途徑所包含的工序測算相應成本，見表2。表2中的成本組成不考慮免費運距、施工措施費、稅金、施工便道建設費等，剔除對平衡結果不產生影響的挖方工點開挖費、填方工點填筑壓實費、裝卸費等計費科目；工程自用及余方回填取土場兩類調配途徑，因無需設置?。墸┩翀?，減輕了土壤侵蝕強度，造成的生態(tài)影響輕微，故生態(tài)影響（水土流失）損失費和臨時防護費不計列于土石方成本中。

3.2工點確定

開挖工點劃分以免費運距長度為準，總長度小于1 km視作一個工點，松散方量均換算為壓實方量，相關工點基本情況見表3。

3.3優(yōu)化方案

依據優(yōu)化模型，分別按僅考慮節(jié)省工程費用（方案一）、節(jié)省工程費用與減少生態(tài)影響損失聯(lián)合優(yōu)化（方案二）進行土石方調配。其中方案一設棄土場2處、取土場1處，新增擾動面積約0.58 hm2，水土流失量約6.97 t；方案二設棄土場、取土場各1處，新增擾動面積約0.18 hm2，水土流失量約1.19 t；原方案設棄土場2處，借方全部外購，新增擾動面積約1.62 hm2，水土流失量約16.34 t。兩方案與原方案土石方調配結果見表4、費用見表5。

由表4、表5可知，與原方案對比，經優(yōu)化調配后的方案在節(jié)省工程費用和減少生態(tài)影響損失方面均有明顯優(yōu)勢。因將水保目標納入綜合運算，方案二相比方案一取消了1處棄土場，并將取土場借方量減少了51.91%，雖然工程費用增加了1.78%，但明顯減緩了工程施工對周邊生態(tài)環(huán)境的不利影響，所產生的生態(tài)效益更加可觀，故優(yōu)選方案二。

4結語及展望

土石方調配是工程建設的基本組成部分，是一個與資源、空間、時間、環(huán)境關聯(lián)的多目標、高維優(yōu)化的問題。在本次土石方調配方案中存在如下問題：

（1）優(yōu)化目標及影響因素參考范圍不全面，優(yōu)化方法有待改進。不同的線位走向、線路形式及?。墸┩翀?、臨時工程選址對應不同的最優(yōu)解和調配方案，但因線性工程涉及范圍大、關聯(lián)因素多、建模復雜，故此次構建土石方調配模型時，未考慮上述因素。若全面統(tǒng)籌相關影響因素，則可進一步降低工程費用及對周邊生態(tài)環(huán)境的影響。

（2）模型中相關參數有待精確。為計算簡便，僅根據運距估算運輸費用，把復雜的非線性關系簡化為線性關系，對地形阻隔、高差變化、車流擁堵、施工便道建設等相關因素缺乏精確分析；未結合施工組織方案進行動態(tài)、實時的規(guī)劃計算，未考慮不同階段的供料（堆棄）速率、道路運輸強度上限與單位時間內填料需求量、工期限制之間可能存在的矛盾。下一步應探索利用智能算法、程序工具優(yōu)化計算模型，模擬實際工程中的非線性約束關系進行動態(tài)規(guī)劃，將施工組織方案優(yōu)化與土石方調配方案優(yōu)化相結合，合理銜接工期，避免中轉倒運或不必要的外購、外借情況，使調配方案更加貼近實際情況。

（3）方案二以相關地區(qū)水土保持補償費征收標準作為衡量土石方調配方案中生態(tài)效益的經濟指標，但建設項目實際繳納水土保持補償費往往以水保方案批復金額為準，即便通過方案優(yōu)化減少了開挖、占壓面積，也不減免相應補償費用，影響相關政策的激勵約束效果，建議相關行政主管部門據實靈活調整執(zhí)行。

（4）鐵路建設項目針對土石方調配管理缺乏體系化的管理規(guī)定，對水土保持重視程度不夠。設計階段未明確土石方調配計算的規(guī)范方法，忽略了水土保持效益的核算；施工階段土石方調配臺賬大多建立不全，且各標段“各自為政”，缺乏統(tǒng)一調配管理；驗收、清概階段對設計方案落實情況暫無考核管理要求。建議進一步細化設計規(guī)范，加強施工管理，將設計方案落實情況納入專項評價考核。

（5）不同地區(qū)土石方的開采運輸往往存在地方保護政策，跨行政區(qū)劃調配難以執(zhí)行，需做好前期協(xié)調溝通，并盡可能結合周邊市政、公路項目進行總體統(tǒng)籌，確保土石方調配方案制定合理；土方綜合利用點、棄渣場或碎石場等與地方行政主管部門存在交叉管理，常出現水土流失防治責任劃分不清問題，易產生管理漏洞，增加冗余管理成本，需提前與屬地行政主管部門銜接溝通。

[參考文獻]

[1] 周厚貴，曹生榮，申明亮.土石方調配研究現狀與發(fā)展方向[J].土木工程學報，2009，42（2）：131-138.

[2] 國家鐵路局.鐵路路基設計規(guī)范：TB 10001—2016[S].北京：中國鐵道出版社，2017：1，103.

[3] 孫興.基于GIS的公路土石方調配研究與實現[D].長沙：中南大學，2012：11-12.

[4] 國家鐵路局.鐵路基本建設工程設計概（預）算編制辦法：（TZJ 1001—2017）[S].北京：國家鐵道出版社，2017：8-9.

[5] 宋曉強，劉潔，董龍飛.水土保持補償制度探析[J].中國水土保持，2008（4）：14-17.

[6] 汪仁杰.淺談水土保持設施補償費征收標準[J].科技風，2008（9）：6.

[7] 王冬.水土保持補償費計列方法探討[J].亞熱帶水土保持，2013，25（3）：63-67.

[8] 楊波.鐵路路基土石方調配最優(yōu)化模型研究[J].中國鐵路，20014（10）：50-53.

[9] 葉傳余.考慮水土流失的水電工程土石方優(yōu)化調配研究[D].宜昌：三峽大學，2015：29-31.

［作者簡介］ 齊峰（1986—），男，甘肅靜寧人，工程師，學士，主要從事鐵路環(huán)境保護管理工作。

［收稿日期］ 2023-01-15

（責任編輯張緒蘭）