［關(guān)鍵詞］ 土石方;調(diào)配；優(yōu)化；水土保持；建設(shè)項(xiàng)目；鐵路

［摘要］ 目前有關(guān)土石方調(diào)配的研究大多以優(yōu)化工程費(fèi)用為目的，很少將優(yōu)化后產(chǎn)生的生態(tài)效益作為獨(dú)立參數(shù)納入平衡計(jì)算。根據(jù)鐵路工程土石方調(diào)配特點(diǎn)，探討利用更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪\(yùn)籌學(xué)方法，以施工費(fèi)用最小、環(huán)境影響最輕微為目的，建立多目標(biāo)優(yōu)化模型，在節(jié)省工程費(fèi)用的同時(shí)盡可能減少水土流失的影響，使工程建設(shè)與水保目標(biāo)相協(xié)調(diào)統(tǒng)一，旨在為鐵路建設(shè)項(xiàng)目土石方優(yōu)化調(diào)配提供參考。

［中圖分類號(hào)］ TV512；S157［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號(hào)］ 1000－0941（2023）06－0036－04

開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目在建設(shè)過(guò)程中即使嚴(yán)格落實(shí)各項(xiàng)水土保持措施，仍然會(huì)擾動(dòng)地表，造成水土流失，導(dǎo)致原生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)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(shè)工程土石方平衡規(guī)劃，制定完善的調(diào)配方案，可從源頭上減少地表開(kāi)挖、棄土堆置，既能節(jié)省工程建設(shè)開(kāi)支，也有利于減輕水土流失危害[1]。目前，鐵路行業(yè)相關(guān)規(guī)范中已提出“避免高填、深挖”“充分利用棄土”的土石方調(diào)配原則[2]，但尚未明確具體的計(jì)算方法和相應(yīng)的管理制度。水土保持方案編制及施工設(shè)計(jì)階段涉及的土石方平衡方案，大多是采用計(jì)算表調(diào)配法測(cè)算，對(duì)后續(xù)工作的指導(dǎo)意義不大，最終落地方案往往由施工單位根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況自行編制，易產(chǎn)生水土保持方案變更問(wèn)題。另外，目前有關(guān)土石方調(diào)配的研究大多以優(yōu)化工程費(fèi)用為目的，很少單獨(dú)考慮水土保持要求，即很少將優(yōu)化后產(chǎn)生的生態(tài)效益作為獨(dú)立參數(shù)納入平衡計(jì)算。

1優(yōu)化原則及方法

1.1優(yōu)化原則

①節(jié)省工程費(fèi)用原則。土石方調(diào)配方案與土石方運(yùn)輸、填料外購(gòu)、臨時(shí)用地征地建設(shè)及復(fù)墾等費(fèi)用息息相關(guān)，直接影響施工費(fèi)用計(jì)量及工期安排。通常采取兩種方法節(jié)省工程費(fèi)用：一是根據(jù)地形情況和施工條件，制定合理的運(yùn)輸路線，使挖（填）方量與運(yùn)距的乘積之和最小，即總土方運(yùn)輸量或運(yùn)輸費(fèi)用最小；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(gòu)、外借費(fèi)用，以及取、棄土場(chǎng)建設(shè)、恢復(fù)費(fèi)用。②降低水土流失（提高生態(tài)效益）原則。工程建設(shè)導(dǎo)致水土流失量增加，主要表現(xiàn)為水土流失面積擴(kuò)大、土壤侵蝕模數(shù)增加，合理的土石方平衡方案可通過(guò)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(diào)配方法有調(diào)配圖法、累積曲線法及計(jì)算表調(diào)配法等[3]，大多是先利用人工方法判定最大經(jīng)濟(jì)運(yùn)距，超出該運(yùn)距范圍則就近調(diào)配，未將設(shè)置棄土場(chǎng)的成本、棄土回填節(jié)省的費(fèi)用等納入統(tǒng)籌計(jì)算，也未兼顧水保目標(biāo)，隨意性強(qiáng)、誤差較大。在鐵路建設(shè)項(xiàng)目中土石方調(diào)配方法應(yīng)用最多的是計(jì)算表調(diào)配法，但節(jié)省工程費(fèi)用和提高生態(tài)效益是兩個(gè)方向不一致的決策目標(biāo)，甚至存在相互制約的關(guān)系，進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化還需進(jìn)一步利用到線性規(guī)劃計(jì)算中的多目標(biāo)優(yōu)化決策理論。多目標(biāo)優(yōu)化決策理論是數(shù)學(xué)規(guī)劃的一個(gè)分支，一般有線性加權(quán)法、層次序列法、智能進(jìn)化算法等，其中線性加權(quán)法較為直觀簡(jiǎn)便，可根據(jù)實(shí)際需求靈活調(diào)節(jié)不同目標(biāo)的加權(quán)系數(shù)，但應(yīng)用時(shí)需先對(duì)土石方調(diào)配施工費(fèi)用（包括水土保持措施費(fèi)用）及生態(tài)損益影響賦予可量化的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。其中，土石方調(diào)配施工費(fèi)用在《鐵路基本建設(shè)工程設(shè)計(jì)概（預(yù)）算編制辦法》等規(guī)范性文件中有較為明確的計(jì)算方法[4]；生態(tài)損益影響可根據(jù)土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的流失情況，推算地表作物逐年減產(chǎn)量等[5]進(jìn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)量化，但其計(jì)算模型較為復(fù)雜，考慮到生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持補(bǔ)償費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)正是基于原有水土保持生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值評(píng)估制定[6]，可參考相關(guān)地區(qū)水土保持補(bǔ)償費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)，作為衡量土石方施工導(dǎo)致的生態(tài)破壞、水土流失影響的生態(tài)損益指標(biāo)[7]。

2模型建立

土石方調(diào)配平衡計(jì)算本質(zhì)是在有限資源條件下求解最優(yōu)方案，屬運(yùn)籌學(xué)優(yōu)化計(jì)算范疇，建立合理的線性優(yōu)化模型，利用相關(guān)計(jì)算機(jī)程序，可規(guī)劃更準(zhǔn)確、更高效的土石方調(diào)配方案[8]。

2.1工點(diǎn)確定

為簡(jiǎn)化運(yùn)算， 齊峰：鐵路建設(shè)項(xiàng)目土石方優(yōu)化調(diào)配方法研究將一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)相對(duì)集中的路段（可參考免費(fèi)運(yùn)距長(zhǎng)度）及?。墸┩翀?chǎng)視為處于坐標(biāo)軸上的一點(diǎn)，選取該工點(diǎn)中心里程進(jìn)行運(yùn)距計(jì)算，外購(gòu)?fù)潦?、改良土方可根?jù)相應(yīng)價(jià)格成本換算。整體核算時(shí)，先區(qū)分不同挖方利用類型，逐工點(diǎn)完成內(nèi)部移挖平衡，再判斷各工點(diǎn)屬于挖方工點(diǎn)還是填方工點(diǎn)，最后匯總各工點(diǎn)挖（填）方量。

2.2模型公式

（1）根據(jù)土石方調(diào)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(diào)配總費(fèi)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(diǎn)調(diào)出至第j處填方工點(diǎn)的r組填料方量；VrQkTj為從第k處取土場(chǎng)調(diào)運(yùn)至第j處填方工點(diǎn)的r組填料方量；VrWiZm為從第i處挖方工點(diǎn)調(diào)運(yùn)至第m處棄土場(chǎng)的r組填料方量；VrWiQk為從第i處挖方工點(diǎn)回填至第k處取土場(chǎng)的r組填料方量；CrWiTj、CrQkTj、CrWiZm、CrWiQk分別為相應(yīng)調(diào)配途徑下的土石方單價(jià)。

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

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

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

3.1成本測(cè)算

土石方工程由開(kāi)挖（爆破）、卸運(yùn)、臨時(shí)防護(hù)建設(shè)、填筑壓實(shí)、平整復(fù)墾等施工環(huán)節(jié)組成，不同施工環(huán)節(jié)有不同的調(diào)配途徑。根據(jù)相關(guān)工程計(jì)價(jià)規(guī)定、水土保持法規(guī)及工程實(shí)際情況，對(duì)調(diào)配計(jì)算涉及的單項(xiàng)施工費(fèi)用進(jìn)行測(cè)算，結(jié)果見(jiàn)表1。

以表1中測(cè)算的單項(xiàng)費(fèi)用為基準(zhǔn)，按工程自用、取土場(chǎng)借方/外購(gòu)、余方棄置、余方回填取土場(chǎng)4種調(diào)配途徑所包含的工序測(cè)算相應(yīng)成本，見(jiàn)表2。表2中的成本組成不考慮免費(fèi)運(yùn)距、施工措施費(fèi)、稅金、施工便道建設(shè)費(fèi)等，剔除對(duì)平衡結(jié)果不產(chǎn)生影響的挖方工點(diǎn)開(kāi)挖費(fèi)、填方工點(diǎn)填筑壓實(shí)費(fèi)、裝卸費(fèi)等計(jì)費(fèi)科目；工程自用及余方回填取土場(chǎng)兩類調(diào)配途徑，因無(wú)需設(shè)置取（棄）土場(chǎng)，減輕了土壤侵蝕強(qiáng)度，造成的生態(tài)影響輕微，故生態(tài)影響（水土流失）損失費(fèi)和臨時(shí)防護(hù)費(fèi)不計(jì)列于土石方成本中。

3.2工點(diǎn)確定

開(kāi)挖工點(diǎn)劃分以免費(fèi)運(yùn)距長(zhǎng)度為準(zhǔn)，總長(zhǎng)度小于1 km視作一個(gè)工點(diǎn)，松散方量均換算為壓實(shí)方量，相關(guān)工點(diǎn)基本情況見(jiàn)表3。

3.3優(yōu)化方案

依據(jù)優(yōu)化模型，分別按僅考慮節(jié)省工程費(fèi)用（方案一）、節(jié)省工程費(fèi)用與減少生態(tài)影響損失聯(lián)合優(yōu)化（方案二）進(jìn)行土石方調(diào)配。其中方案一設(shè)棄土場(chǎng)2處、取土場(chǎng)1處，新增擾動(dòng)面積約0.58 hm2，水土流失量約6.97 t；方案二設(shè)棄土場(chǎng)、取土場(chǎng)各1處，新增擾動(dòng)面積約0.18 hm2，水土流失量約1.19 t；原方案設(shè)棄土場(chǎng)2處，借方全部外購(gòu)，新增擾動(dòng)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(diào)配結(jié)果見(jiàn)表4、費(fèi)用見(jiàn)表5。

由表4、表5可知，與原方案對(duì)比，經(jīng)優(yōu)化調(diào)配后的方案在節(jié)省工程費(fèi)用和減少生態(tài)影響損失方面均有明顯優(yōu)勢(shì)。因?qū)⑺Ｄ繕?biāo)納入綜合運(yùn)算，方案二相比方案一取消了1處棄土場(chǎng)，并將取土場(chǎng)借方量減少了51.91%，雖然工程費(fèi)用增加了1.78%，但明顯減緩了工程施工對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境的不利影響，所產(chǎn)生的生態(tài)效益更加可觀，故優(yōu)選方案二。

4結(jié)語(yǔ)及展望

土石方調(diào)配是工程建設(shè)的基本組成部分，是一個(gè)與資源、空間、時(shí)間、環(huán)境關(guān)聯(lián)的多目標(biāo)、高維優(yōu)化的問(wèn)題。在本次土石方調(diào)配方案中存在如下問(wèn)題：

（1）優(yōu)化目標(biāo)及影響因素參考范圍不全面，優(yōu)化方法有待改進(jìn)。不同的線位走向、線路形式及?。墸┩翀?chǎng)、臨時(shí)工程選址對(duì)應(yīng)不同的最優(yōu)解和調(diào)配方案，但因線性工程涉及范圍大、關(guān)聯(lián)因素多、建模復(fù)雜，故此次構(gòu)建土石方調(diào)配模型時(shí)，未考慮上述因素。若全面統(tǒng)籌相關(guān)影響因素，則可進(jìn)一步降低工程費(fèi)用及對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境的影響。

（2）模型中相關(guān)參數(shù)有待精確。為計(jì)算簡(jiǎn)便，僅根據(jù)運(yùn)距估算運(yùn)輸費(fèi)用，把復(fù)雜的非線性關(guān)系簡(jiǎn)化為線性關(guān)系，對(duì)地形阻隔、高差變化、車流擁堵、施工便道建設(shè)等相關(guān)因素缺乏精確分析；未結(jié)合施工組織方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的規(guī)劃計(jì)算，未考慮不同階段的供料（堆棄）速率、道路運(yùn)輸強(qiáng)度上限與單位時(shí)間內(nèi)填料需求量、工期限制之間可能存在的矛盾。下一步應(yīng)探索利用智能算法、程序工具優(yōu)化計(jì)算模型，模擬實(shí)際工程中的非線性約束關(guān)系進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃，將施工組織方案優(yōu)化與土石方調(diào)配方案優(yōu)化相結(jié)合，合理銜接工期，避免中轉(zhuǎn)倒運(yùn)或不必要的外購(gòu)、外借情況，使調(diào)配方案更加貼近實(shí)際情況。

（3）方案二以相關(guān)地區(qū)水土保持補(bǔ)償費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)作為衡量土石方調(diào)配方案中生態(tài)效益的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，但建設(shè)項(xiàng)目實(shí)際繳納水土保持補(bǔ)償費(fèi)往往以水保方案批復(fù)金額為準(zhǔn)，即便通過(guò)方案優(yōu)化減少了開(kāi)挖、占?jí)好娣e，也不減免相應(yīng)補(bǔ)償費(fèi)用，影響相關(guān)政策的激勵(lì)約束效果，建議相關(guān)行政主管部門據(jù)實(shí)靈活調(diào)整執(zhí)行。

（4）鐵路建設(shè)項(xiàng)目針對(duì)土石方調(diào)配管理缺乏體系化的管理規(guī)定，對(duì)水土保持重視程度不夠。設(shè)計(jì)階段未明確土石方調(diào)配計(jì)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(diào)配臺(tái)賬大多建立不全，且各標(biāo)段“各自為政”，缺乏統(tǒng)一調(diào)配管理；驗(yàn)收、清概階段對(duì)設(shè)計(jì)方案落實(shí)情況暫無(wú)考核管理要求。建議進(jìn)一步細(xì)化設(shè)計(jì)規(guī)范，加強(qiáng)施工管理，將設(shè)計(jì)方案落實(shí)情況納入專項(xiàng)評(píng)價(jià)考核。

（5）不同地區(qū)土石方的開(kāi)采運(yùn)輸往往存在地方保護(hù)政策，跨行政區(qū)劃調(diào)配難以執(zhí)行，需做好前期協(xié)調(diào)溝通，并盡可能結(jié)合周邊市政、公路項(xiàng)目進(jìn)行總體統(tǒng)籌，確保土石方調(diào)配方案制定合理；土方綜合利用點(diǎn)、棄渣場(chǎng)或碎石場(chǎng)等與地方行政主管部門存在交叉管理，常出現(xiàn)水土流失防治責(zé)任劃分不清問(wèn)題，易產(chǎn)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。

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［作者簡(jiǎn)介］ 齊峰（1986—），男，甘肅靜寧人，工程師，學(xué)士，主要從事鐵路環(huán)境保護(hù)管理工作。

［收稿日期］ 2023-01-15

（責(zé)任編輯張緒蘭）