基于自平衡的昆明新機場土石方調配設計

1、.基于自平衡的昆明新機場土石方調配設計*陳望春1 張合青1 萬正峰2（1、中國民航機場建設集團公司 北京 100029 2、昆明新機場建設指揮部 昆明 650211 ）摘要：昆明新機場土石方調配設計以“場區(qū)范圍內土石方自身平衡”為基本準則；在土石方平衡的基礎上，充分考慮不同的功能分區(qū)對填料的要求，就近調配，盡量減少運輸工程量。兼顧考慮草皮土“零排放”、施工的可操作性、地基處理、管線開挖出土、施工期沉降、預留用于建材的優(yōu)質石料等因素對土石方調配的影響。關鍵詞：土石方調配；填料；功能分區(qū)；自身平衡；填挖比 中圖分類號： TU751 文獻標識碼：B 文章編號：Earthwork Allocation

2、 Design at Self-balanced Quantity of Kunming New AirportChen Wangchun 1, Zhang Heqing1, Wan Zhengfeng2 (1. China Airport Construction Corporation, Beijing, 100101 2.Kunming New Airport Construction Headquarters, Kunming, 650211)Abstract: Kunming new airport earthwork allocation design is based on se

3、lf-balanced quantity, each filling should used at suitable functional area, filling should also be allocated as near as possible so as to reduce the quantity of earthwork transportation.Factors like non-turf-abandon, compatibility of earthwork construction, subgrade treatment, construction of pipeli

4、ne, settlement during construction, high-performed stone reserved as construction material and so on are also concerned. Key words: allocation; functional area; self-balance; filling; ratio of fill to cut_*本課題由“863計劃”課題資助（課題編號：2007AA11Z113）作者簡介：陳望春（1978）男，碩士，工程師，從事民用機場場道專業(yè)設計1 引言土石方調配是指在工程施工過程中，為了形成具

5、有特定空間屬性和物理屬性的建筑物（壩體、路基、地下洞室、隧道等），對自然狀態(tài)下的土方、石方進行的開挖、填筑、中轉、棄渣、料場開采以及運輸等環(huán)節(jié)組成的綜合系統?！?】大型工程的土石方調配是一個高維的復雜系統。土石方調配是一個與工程進度、空間布局、道路運輸、施工機械等相關的，工程的規(guī)劃、設計、施工乃至運行各階段相互關聯的，時間與空間相關聯的資源優(yōu)化配置問題?！?】土石方調配主要研究方法有線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃、多目標優(yōu)化、大系統分解協調等在內的優(yōu)化理論與方法，系統模擬理論與方法，人工智能領域的方法和算法，圖論，可視化技術，以及計算軟件開發(fā)技術等理論方法與技術?！?】本文擬通過“昆明新機場項目土石方平衡

6、與調配設計”的案例來探討山區(qū)高填方機場土石方調配設計中應該注意的問題。2 工程概況昆明新機場是國家“十一五”重點建設項目，是大型交通基礎設施和城市公共基礎設施，是我國面向東南亞、南亞和連接歐亞的國家門戶樞紐機場。昆明新機場項目土石方工程具有高填方、超大土石方量、功能分區(qū)多、填料種類多、場地條件復雜、施工工期緊、相互影響因素多等特點。土石方工程的費用和進度直接影響整個機場項目的投資和進度。土石方工程的優(yōu)化設計、合理調配對節(jié)約機場工程造價、加快施工進度極為重要。3 土石方調配設計思路為貫徹“綠色昆明新機場”建設的理念，努力實現昆明新機場“節(jié)約型、環(huán)保型、科技型和人性化的現代化國際機場”的建設目標，

7、土石方調配設計以“場區(qū)范圍內土石方自身平衡”為基本準則。在土石方平衡的基礎上，充分考慮不同的功能分區(qū)對填料的要求，就近調配，盡量減少運輸工程量；草皮土“零排放”；同時考慮施工的可操作性、地基處理、管線開挖出土、施工期沉降、預留用于建材的優(yōu)質石料等對土石方調配的影響。4 土石方平衡4.1 概述土石方平衡設計的本質是依據總平面布置圖、地形測繪資料、填料勘察資料、排水方案等基礎資料，設計出滿足使用要求的地勢標高，并且對地勢標高進行優(yōu)化以保證場區(qū)內的填、挖方工程量基本平衡，做到既不棄方，又不借方。在地勢平整范圍確定、地勢設計面的坡度不變的前提下，土石方填、挖平衡的設計方案是最優(yōu)方案。4.2 土石方設計

8、的基礎資料4.2.1 總平面布置昆明新機場工程由東飛行區(qū)、西飛行區(qū)、航站區(qū)、南工作區(qū)（含貨運區(qū)）、第二航站區(qū)、機務維修區(qū)等組成，詳見圖4.2.1。圖4.2.1 昆明新機場本期總平面布置圖4.2.2 地形、地貌原始地形極其復雜，場區(qū)處于東、西兩側山峰形成的谷底地帶，谷底標高在19002000m之間，四周山峰海拔高度在22002800m之間，西北和東南側是地勢標高在2100m以上、呈南北走向的連續(xù)山體，中部有東北向連續(xù)山體穿過整個場區(qū)，場區(qū)內地勢起伏較大，整個場區(qū)是中部高、兩端低。擬建場址內的最高山峰為2192.7m（位于西次跑道中部），最低點約為2017m（位于南工作區(qū)西南角）。地貌總體以巖溶地

9、貌為主，其次為構造剝蝕低中山地貌、山間盆地地貌等。巖溶地貌約占場址區(qū)的3/4，主要為剝蝕溶蝕準平原。地面多呈波狀起伏，坡度相對平緩。微地貌形態(tài)有石芽、巖溶漏斗、溶蝕洼地、落水洞、溶蝕溝槽等。據已有研究成果，地下巖溶呈局部發(fā)育、豎向較發(fā)育的基本規(guī)律。4.2.3 填料勘察資料挖方區(qū)填料按其工程特征分為土料和石料。土料有三類，紅粘土土料、粘性土料以及碎屑巖風化土料；石料分為兩類，碎屑巖石料和碳酸鹽類石料。全場挖方分區(qū)的土、石儲量和土石比統計見表4.2.3。表4.2.3 全場挖方區(qū)土、石方量和土石比統計表（單位：萬m3） 無用料土料石料土石比合計耕植土紅粘土類土料粘性土料碎屑巖風化土料碎屑巖類石料碳酸

10、鹽類石料301.11592.4 1235.93638.9647.63330.4 0.63:0.3710746.3小計：6467.2小計：3978.04.2.4 排水方案整個場區(qū)排水大方向為南排寶象河和北排花莊河，根據水利部門的要求，寶象河可以接受的流量已經受到制約，場區(qū)三分之二的雨水需要向北排。受此排水方案的制約，全場的地勢設計的分水嶺應該是在機場總平面布置的幾何中心偏南側的位置。4.3地勢設計原則、思路和流程4.3.1 地勢設計原則1、符合民用機場飛行區(qū)技術標準（MH5001-2006）規(guī)定的要求，保證飛行安全；2、全場地勢應充分結合地形，使其總體趨勢與原始地形盡量一致，在滿足使用要求及有關

11、標準的前提下應少挖少填；3、飛行區(qū)雨水能夠自流排放（5年重現期標準）；4、滿足通訊導航臺站的場地平整要求；5、滿足凈空處理的要求。4.3.2 地勢設計思路1、飛行區(qū)：在滿足飛行程序要求和障礙物評估要求的前提下，結合地形情況，根據大型機場的設計和使用經驗，既要有針對性地確定控制點標高，又要考慮設計上和使用上的要求。其中，航站樓及東、西跑道的標高是全場地勢方案的核心控制標高。2、航站樓：在滿足主進場路坡度、坡長要求的前提下，納入全場地勢設計方案中。同時，盡量使航站樓正負零標高一致，以便于設計、施工和使用。3、南工作區(qū)：考慮排水、道路、各地塊使用要求及與停車場、航站樓、飛行區(qū)相接等各種影響因素，依山

12、就勢、少填少挖。4、規(guī)劃第二航站區(qū)：滿足凈空處理要求，同時也是全場重要的挖方來源。5、機務維修區(qū)：與飛行區(qū)相連接應滿足相關標準的規(guī)定，并考慮將來能夠順暢與第二航站區(qū)連接，結合地形，盡量減少土石方工程量。4.3.3 地勢設計流程根據昆明新機場具體特點，我們擬訂了的地勢設計流程如表4.3.3。表4.3.3 地勢設計流程 序號設計階段主要工作內容1初步方案研究在可行性研究方案的基礎上，通過土石方初算，暫定地勢設計航站樓站坪邊標高和場區(qū)主要控制點標高2基本地勢設計全場地勢詳細設計，并進行局部縱、橫坡優(yōu)化3土方計算全場土方計算（按20m×20m方格網計算）4挖方區(qū)分區(qū)土源分類計算分類計算挖方區(qū)

13、的填料數量5地勢設計（調整）根據土方計算結果以及挖方區(qū)分區(qū)土源分類計算成果，復核全場土石方平衡情況，調整設計控制標高，進一步進行局部優(yōu)化，生成新的設計面4.4地勢設計標高及土石方工程量根據上述的設計原則、思路和流程，最終確定全場主要控制點標高如表4.4。 表4.4 全場控制點標高序號位置標高(m)1航站樓正負零標高2102.152西跑道南端標高2100.553西跑道北端標高2098.32 4東跑道南端標高2098.72 5東跑道北端標高2096.23根據該控制點標高設計方案，采用機場土石方輔助設計軟件以1m×1m的精度，計算全場土石方填挖總量為：總挖方10465萬方，總填方10332

14、萬方；全場最大挖方高度約70m，最大填方高度約65m。5 土石方調配設計5.1 土石方工程量的修正地基處理、管線出土、土石方施工等因素會對參與調配的土石方工程量產生一定影響。因此，4.4節(jié)中計算得出的土石方工程量需要考慮下列影響因素進行修正：填方量修正內容為：填方區(qū)原地面碾壓沉降（按5cm計）增加填方400,693m3；強夯法處理地基引起夯沉而增加填方568,033m3；高填方填筑引起的施工期原地面沉降而增加填方1,072,260m3。挖方量修正內容為：道槽挖方區(qū)超挖50cm，回填石料作為褥墊層，超挖回填量629,687m3；其他挖方區(qū)超挖26cm，回填草皮土，超挖回填量1,357,025m3

15、；貨運通道、綜合管廊、排水溝及其他各種管線開挖出土約50萬方。綜合考慮上述因素，全場參與調配的土石方工程量為：總挖方10714萬方，總填方10536萬方。5.2 功能分區(qū)的填料及其控制指標針對不同的功能分區(qū)有差別的選用的填料，即“料盡其用”是昆明新機場土石方調配設計的一大特點。新機場土石方填筑涉及的功能分區(qū)有：飛行區(qū)道槽區(qū)、飛行區(qū)土面區(qū)、邊坡區(qū)、圍場路、南工作區(qū)、規(guī)劃第二航站區(qū)等。土石方調配過程中針對不同的功能分區(qū)采用不同種類的填料，盡量把石料等好料用于填筑設計要求較高的飛行區(qū)道槽區(qū)、邊坡區(qū)。不同功能分區(qū)采用的填料種類及壓實度控制標準詳見表5.2。表5.2 填筑體填料種類及壓實度標準 分 區(qū)土

16、基頂面或土面以下深度（m）填料性質壓實度干密度(g/cm3)固體體積率(%)飛行區(qū)道槽區(qū)（含服務車道）00.60碳酸鹽類巖石料2.10800.60H碎屑巖風化土料0.95碳酸鹽類巖石料2.1080碎屑巖類石料1.90規(guī)劃第二航站區(qū)0 6碳酸鹽類巖石料2.0578碎屑巖類石料1.85碎屑巖風化土料0.936 H要求同飛行區(qū)土面區(qū)邊坡區(qū)0 H碳酸鹽類巖石料2.0578碎屑巖類石料1.85碎屑巖風化土料0.93飛行區(qū)土面區(qū)跑道端安全區(qū)00.15植物土0.850.150.80紅粘土和粘性土0.900.80 H紅粘土和粘性土0.88升降帶平整區(qū)00.15植物土0.850.150.80紅粘土和粘性土0.9

17、00.80 H紅粘土和粘性土0.88其他土面區(qū)00.15植物土0.850.15 H紅粘土和粘性土0.88圍場路00.80碎屑巖風化土料0.940.80 H要求同飛行區(qū)土面區(qū)南工作區(qū)0 H紅粘土、粘性土和碎屑巖風化土料0.90 注：表中H為填筑體高度。5.3 填挖比對土石方調配的影響典型的土石方調配包括挖方、運輸、填筑等三個階段，即：天然狀態(tài)的填料（自然方）經過開挖或爆破等方法施工取用，運輸到調配設計指定的填筑區(qū)域，采用強夯、振動碾壓、沖擊碾壓等壓實功法達到滿足設計要求的填筑方（壓實方）。由于不同填料的可松、可爆以及壓實性能存在差異，每一個單位的天然方可用于填筑的壓實方量也有差異，設計中將這種差

18、異用填挖比來描述。填挖比（）受填料的天然干密度（）、擊實試驗的最大干密度（）以及壓實度或固體體積率（）等影響，有如下的換算公式：根據擊實試驗、設計壓實度（固體體積率）等相關資料計算得到不同種類填料的填挖比詳見表5.3。表5.3 填料的填挖比填料種類紅粘土類土料粘性土料碎屑巖風化土料碎屑巖類石料碳酸鹽類石料草皮土填挖比0.830.870.871.151.30.835.4 土石方調配設計中對施工因素的考慮5.4.1 施工標段的劃分鑒于昆明新機場項目具有超大規(guī)模土石方工程量（填、挖總量超2億方）且施工工期緊等特點，土石方標段的劃分顯得尤為重要：標段數太少，則施工進度壓力增大，施工質量很難保證；標段數

19、太多，則施工管理以及施工協調工作量必然增加，容易引起推諉扯皮。經過施工進度計劃、施工技術水平、施工機械、施工道路系統布置等諸多因素綜合考慮，將南工作區(qū)的土石方施工劃分為4個標段，飛行區(qū)的土石方施工劃分為10個標段。5.4.2 草皮土零排放土石方施工的第一道工序就是清理草皮土，最后一道工序才是土面區(qū)覆蓋草皮土，處理不好的話很有可能造成多次倒運，施工造價難以控制。結合昆明新機場南工作區(qū)的規(guī)劃，我們選定沾昆鐵路線以南原地形較低的苗圃基地作為草皮土集中堆放區(qū)域，這樣就避免了草皮土的無序堆放甚至是向場外廢棄。5.4.3 預留石料用作建材場區(qū)內橫山挖方區(qū)以碳酸鹽類石料為主，經評估是可以用作道面、排水溝、道路、航站樓、工作區(qū)等工程的優(yōu)質石料，這也有利于降低工