基于自平衡的昆明新机场土石方调配设计

1、.基于自平衡的昆明新机场土石方调配设计*陈望春1 张合青1 万正峰2（1、中国民航机场建设集团公司 北京 100029 2、昆明新机场建设指挥部 昆明 650211 ）摘要：昆明新机场土石方调配设计以“场区范围内土石方自身平衡”为基本准则；在土石方平衡的基础上，充分考虑不同的功能分区对填料的要求，就近调配，尽量减少运输工程量。兼顾考虑草皮土“零排放”、施工的可操作性、地基处理、管线开挖出土、施工期沉降、预留用于建材的优质石料等因素对土石方调配的影响。关键词：土石方调配；填料；功能分区；自身平衡；填挖比 中图分类号： TU751 文献标识码：B 文章编号：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_*本课题由“863计划”课题资助（课题编号：2007AA11Z113）作者简介：陈望春（1978）男，硕士，工程师，从事民用机场场道专业设计1 引言土石方调配是指在工程施工过程中，为了形成具

5、有特定空间属性和物理属性的建筑物（坝体、路基、地下洞室、隧道等），对自然状态下的土方、石方进行的开挖、填筑、中转、弃渣、料场开采以及运输等环节组成的综合系统。【1】大型工程的土石方调配是一个高维的复杂系统。土石方调配是一个与工程进度、空间布局、道路运输、施工机械等相关的，工程的规划、设计、施工乃至运行各阶段相互关联的，时间与空间相关联的资源优化配置问题。【2】土石方调配主要研究方法有线性规划、动态规划、多目标优化、大系统分解协调等在内的优化理论与方法，系统模拟理论与方法，人工智能领域的方法和算法，图论，可视化技术，以及计算软件开发技术等理论方法与技术。【2】本文拟通过“昆明新机场项目土石方平衡

6、与调配设计”的案例来探讨山区高填方机场土石方调配设计中应该注意的问题。2 工程概况昆明新机场是国家“十一五”重点建设项目，是大型交通基础设施和城市公共基础设施，是我国面向东南亚、南亚和连接欧亚的国家门户枢纽机场。昆明新机场项目土石方工程具有高填方、超大土石方量、功能分区多、填料种类多、场地条件复杂、施工工期紧、相互影响因素多等特点。土石方工程的费用和进度直接影响整个机场项目的投资和进度。土石方工程的优化设计、合理调配对节约机场工程造价、加快施工进度极为重要。3 土石方调配设计思路为贯彻“绿色昆明新机场”建设的理念，努力实现昆明新机场“节约型、环保型、科技型和人性化的现代化国际机场”的建设目标，

7、土石方调配设计以“场区范围内土石方自身平衡”为基本准则。在土石方平衡的基础上，充分考虑不同的功能分区对填料的要求，就近调配，尽量减少运输工程量；草皮土“零排放”；同时考虑施工的可操作性、地基处理、管线开挖出土、施工期沉降、预留用于建材的优质石料等对土石方调配的影响。4 土石方平衡4.1 概述土石方平衡设计的本质是依据总平面布置图、地形测绘资料、填料勘察资料、排水方案等基础资料，设计出满足使用要求的地势标高，并且对地势标高进行优化以保证场区内的填、挖方工程量基本平衡，做到既不弃方，又不借方。在地势平整范围确定、地势设计面的坡度不变的前提下，土石方填、挖平衡的设计方案是最优方案。4.2 土石方设计

8、的基础资料4.2.1 总平面布置昆明新机场工程由东飞行区、西飞行区、航站区、南工作区（含货运区）、第二航站区、机务维修区等组成，详见图4.2.1。图4.2.1 昆明新机场本期总平面布置图4.2.2 地形、地貌原始地形极其复杂，场区处于东、西两侧山峰形成的谷底地带，谷底标高在19002000m之间，四周山峰海拔高度在22002800m之间，西北和东南侧是地势标高在2100m以上、呈南北走向的连续山体，中部有东北向连续山体穿过整个场区，场区内地势起伏较大，整个场区是中部高、两端低。拟建场址内的最高山峰为2192.7m（位于西次跑道中部），最低点约为2017m（位于南工作区西南角）。地貌总体以岩溶地

9、貌为主，其次为构造剥蚀低中山地貌、山间盆地地貌等。岩溶地貌约占场址区的3/4，主要为剥蚀溶蚀准平原。地面多呈波状起伏，坡度相对平缓。微地貌形态有石芽、岩溶漏斗、溶蚀洼地、落水洞、溶蚀沟槽等。据已有研究成果，地下岩溶呈局部发育、竖向较发育的基本规律。4.2.3 填料勘察资料挖方区填料按其工程特征分为土料和石料。土料有三类，红粘土土料、粘性土料以及碎屑岩风化土料；石料分为两类，碎屑岩石料和碳酸盐类石料。全场挖方分区的土、石储量和土石比统计见表4.2.3。表4.2.3 全场挖方区土、石方量和土石比统计表（单位：万m3） 无用料土料石料土石比合计耕植土红粘土类土料粘性土料碎屑岩风化土料碎屑岩类石料碳酸

10、盐类石料301.11592.4 1235.93638.9647.63330.4 0.63:0.3710746.3小计：6467.2小计：3978.04.2.4 排水方案整个场区排水大方向为南排宝象河和北排花庄河，根据水利部门的要求，宝象河可以接受的流量已经受到制约，场区三分之二的雨水需要向北排。受此排水方案的制约，全场的地势设计的分水岭应该是在机场总平面布置的几何中心偏南侧的位置。4.3地势设计原则、思路和流程4.3.1 地势设计原则1、符合民用机场飞行区技术标准（MH5001-2006）规定的要求，保证飞行安全；2、全场地势应充分结合地形，使其总体趋势与原始地形尽量一致，在满足使用要求及有关

11、标准的前提下应少挖少填；3、飞行区雨水能够自流排放（5年重现期标准）；4、满足通讯导航台站的场地平整要求；5、满足净空处理的要求。4.3.2 地势设计思路1、飞行区：在满足飞行程序要求和障碍物评估要求的前提下，结合地形情况，根据大型机场的设计和使用经验，既要有针对性地确定控制点标高，又要考虑设计上和使用上的要求。其中，航站楼及东、西跑道的标高是全场地势方案的核心控制标高。2、航站楼：在满足主进场路坡度、坡长要求的前提下，纳入全场地势设计方案中。同时，尽量使航站楼正负零标高一致，以便于设计、施工和使用。3、南工作区：考虑排水、道路、各地块使用要求及与停车场、航站楼、飞行区相接等各种影响因素，依山

12、就势、少填少挖。4、规划第二航站区：满足净空处理要求，同时也是全场重要的挖方来源。5、机务维修区：与飞行区相连接应满足相关标准的规定，并考虑将来能够顺畅与第二航站区连接，结合地形，尽量减少土石方工程量。4.3.3 地势设计流程根据昆明新机场具体特点，我们拟订了的地势设计流程如表4.3.3。表4.3.3 地势设计流程 序号设计阶段主要工作内容1初步方案研究在可行性研究方案的基础上，通过土石方初算，暂定地势设计航站楼站坪边标高和场区主要控制点标高2基本地势设计全场地势详细设计，并进行局部纵、横坡优化3土方计算全场土方计算（按20m×20m方格网计算）4挖方区分区土源分类计算分类计算挖方区

13、的填料数量5地势设计（调整）根据土方计算结果以及挖方区分区土源分类计算成果，复核全场土石方平衡情况，调整设计控制标高，进一步进行局部优化，生成新的设计面4.4地势设计标高及土石方工程量根据上述的设计原则、思路和流程，最终确定全场主要控制点标高如表4.4。 表4.4 全场控制点标高序号位置标高(m)1航站楼正负零标高2102.152西跑道南端标高2100.553西跑道北端标高2098.32 4东跑道南端标高2098.72 5东跑道北端标高2096.23根据该控制点标高设计方案，采用机场土石方辅助设计软件以1m×1m的精度，计算全场土石方填挖总量为：总挖方10465万方，总填方10332

14、万方；全场最大挖方高度约70m，最大填方高度约65m。5 土石方调配设计5.1 土石方工程量的修正地基处理、管线出土、土石方施工等因素会对参与调配的土石方工程量产生一定影响。因此，4.4节中计算得出的土石方工程量需要考虑下列影响因素进行修正：填方量修正内容为：填方区原地面碾压沉降（按5cm计）增加填方400,693m3；强夯法处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。挖方量修正内容为：道槽挖方区超挖50cm，回填石料作为褥垫层，超挖回填量629,687m3；其他挖方区超挖26cm，回填草皮土，超挖回填量1,357,025m3

15、；货运通道、综合管廊、排水沟及其他各种管线开挖出土约50万方。综合考虑上述因素，全场参与调配的土石方工程量为：总挖方10714万方，总填方10536万方。5.2 功能分区的填料及其控制指标针对不同的功能分区有差别的选用的填料，即“料尽其用”是昆明新机场土石方调配设计的一大特点。新机场土石方填筑涉及的功能分区有：飞行区道槽区、飞行区土面区、边坡区、围场路、南工作区、规划第二航站区等。土石方调配过程中针对不同的功能分区采用不同种类的填料，尽量把石料等好料用于填筑设计要求较高的飞行区道槽区、边坡区。不同功能分区采用的填料种类及压实度控制标准详见表5.2。表5.2 填筑体填料种类及压实度标准 分 区土

16、基顶面或土面以下深度（m）填料性质压实度干密度(g/cm3)固体体积率(%)飞行区道槽区（含服务车道）00.60碳酸盐类岩石料2.10800.60H碎屑岩风化土料0.95碳酸盐类岩石料2.1080碎屑岩类石料1.90规划第二航站区0 6碳酸盐类岩石料2.0578碎屑岩类石料1.85碎屑岩风化土料0.936 H要求同飞行区土面区边坡区0 H碳酸盐类岩石料2.0578碎屑岩类石料1.85碎屑岩风化土料0.93飞行区土面区跑道端安全区00.15植物土0.850.150.80红粘土和粘性土0.900.80 H红粘土和粘性土0.88升降带平整区00.15植物土0.850.150.80红粘土和粘性土0.9

17、00.80 H红粘土和粘性土0.88其他土面区00.15植物土0.850.15 H红粘土和粘性土0.88围场路00.80碎屑岩风化土料0.940.80 H要求同飞行区土面区南工作区0 H红粘土、粘性土和碎屑岩风化土料0.90 注：表中H为填筑体高度。5.3 填挖比对土石方调配的影响典型的土石方调配包括挖方、运输、填筑等三个阶段，即：天然状态的填料（自然方）经过开挖或爆破等方法施工取用，运输到调配设计指定的填筑区域，采用强夯、振动碾压、冲击碾压等压实功法达到满足设计要求的填筑方（压实方）。由于不同填料的可松、可爆以及压实性能存在差异，每一个单位的天然方可用于填筑的压实方量也有差异，设计中将这种差

18、异用填挖比来描述。填挖比（）受填料的天然干密度（）、击实试验的最大干密度（）以及压实度或固体体积率（）等影响，有如下的换算公式：根据击实试验、设计压实度（固体体积率）等相关资料计算得到不同种类填料的填挖比详见表5.3。表5.3 填料的填挖比填料种类红粘土类土料粘性土料碎屑岩风化土料碎屑岩类石料碳酸盐类石料草皮土填挖比0.830.870.871.151.30.835.4 土石方调配设计中对施工因素的考虑5.4.1 施工标段的划分鉴于昆明新机场项目具有超大规模土石方工程量（填、挖总量超2亿方）且施工工期紧等特点，土石方标段的划分显得尤为重要：标段数太少，则施工进度压力增大，施工质量很难保证；标段数

19、太多，则施工管理以及施工协调工作量必然增加，容易引起推诿扯皮。经过施工进度计划、施工技术水平、施工机械、施工道路系统布置等诸多因素综合考虑，将南工作区的土石方施工划分为4个标段，飞行区的土石方施工划分为10个标段。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区覆盖草皮土，处理不好的话很有可能造成多次倒运，施工造价难以控制。结合昆明新机场南工作区的规划，我们选定沾昆铁路线以南原地形较低的苗圃基地作为草皮土集中堆放区域，这样就避免了草皮土的无序堆放甚至是向场外废弃。5.4.3 预留石料用作建材场区内横山挖方区以碳酸盐类石料为主，经评估是可以用作道面、排水沟、道路、航站楼、工作区等工程的优质石料，这也有利于降低工