福清核电站土石方平衡管理研究

严颖第，顾 健

（福建福清核电有限公司，福建 福清 350318）

在人们越来越重视地球温室效应、气候变化的形势下，核电作为安全、清洁、经济且可以大规模利用的能源形式，在全球范围内逐渐被广泛认可。受水文气象、岩土地质、地震地质、交通运输、环境保护等因素制约，核电厂建设一般在人口稀少、地基承载力高的海湾、河湖边等地区，场地平整及总体建设涉及的土石方工程量基本都达1 000万方（即立方米）以上[1]。福清核电站规划建设6台机组，厂址位于突入兴化湾的岐尾山前沿，预计土石方工程总挖方量2 102万方，工程土石方管理涉及场地平整、海工工程、主体建设等。

土石方平衡指在某一项工程中以快速经济施工为目的对土石方开挖、利用及回填、转运、余料弃渣等所做的设计、规划工作，与工程设计方案、施工技术水平、施工机械配置、施工进度协调、项目成本控制等诸多因素相关，同时对厂区形象、噪声污染、粉尘污染等具有显著影响[2]。对于核电类大型工程，土石方工程量较大，土石方平衡是整个工程施工中的关键环节，直接关系到工程施工进度、质量、投资等三大目标的实现。因此，做好土石方平衡管理对核电建设的意义非常重大，只有实现土石方的合理平衡，才能为工程的基础开工创造有利条件，同时为工程后续建设储备资源，避免外购土石方、弃土或二次倒运等问题，降低土石方工程的施工成本，最终优化核电项目的总体施工管理[3]。

1 土石方管理概述

1.1 土石方平衡基本要求

土石方平衡设计一般在建设项目的工程可行性研究阶段进行，编制的主要依据是《工程可行性研究报告》，编制过程除依照基本设计要求外，还需遵循土石方计算方面的规范要求。对于物料需求大、多料源、多料种的工程，由于涉及空间、时间、质量、数量等复杂的动态问题，设计时一般将整个项目分成若干个分项工程进行土石方平衡计算，在此基础上再进行综合平衡。

1.2 土石方平衡调配模型

土石方平衡设计中根据开挖料的岩性、开挖条件和主体设计对料源的要求，可将开挖料分为可用料和弃渣两部分。为提高可用料的利用率，并对弃渣料进行有序堆放和治理，工程中多建立土石方平衡调配模型以优化管理，常用的有线性规划模型、大系统分解协调模型、动态规划模型、多目标规划模型等。在建模中，将料源划分为供料源与受料源，并依据其不同的性质，供料源细分为受料区开挖供料源、开采料场供料源和中转料场供料源；受料源细分为受料区受料源及中转料场受料源。土石方平衡是确定各施工时段由各供料源到各受料源的调配方量，最低约束条件是：1）满足建设进度要求；2）满足开挖进度要求；3）满足料性匹配要求；4）符合最优运距原则；5）料场储量限制；6）堆场容量限制[4]。

对于较复杂的工程，施工建模时常将整体工程分为若干子项，采用以下几种流程中的一种或多种组成任务包（见图1）：模拟开挖、使用、开采、弃渣和转运等一系列操作[5]。基本原则如下：1)开挖直接使用，见图1中流程a；2）开挖剩余有用料存入中转场，见流程b；3）某时刻开挖料不能满足使用需求时，从中转场中调配，见流程d；4）当中转场的料仍不能满足使用所需时，从料场开展直接使用，见流程e；5) 开采料场储备在中转场，见流程f；6）弃料转入弃渣场，见流程c或流程g。利用调配模拟结果，结合工程需求综合分析开采能力、场地条件、意外需求、工作面的设置等，确定任务包的最优顺序，实现总费用最小和设备利用率最高。另外，施工中应尽量避免流程b、流程f、流程d的土石方中转，减少二次倒运的人力、物力、财力投入，在满足逐时段的土石方动态需求情况下加强总体成本控制。土石方管理平衡的原则为：1）提高开挖料利用率，减少弃渣占地。2）加强可利用料和弃渣料层界面处的开挖控制，保证可用开挖料的质量。3）开挖料优先考虑就近利用、直接利用，避免二次倒运。4）料堆场地选择应结合施工计划，方便进料和出料，运距近，施工干扰小[6]。

图1 施工建模整体工程任务Fig.1 Modeling of the overall construction process

1.3 核电土石方管理特点

滨海核电厂场平的土石方平衡要考虑很多因素。首先，在保证运行费用不增加的情况下适当提高厂坪标高，可减少土石方开挖量、缩短建设工期，降低项目初期投资。其次，土石方平衡除考虑厂区挖填方外，还需综合土石方的松散与压实增减量、基槽余土、开挖砂石料的利用，并兼顾前期海工、临建、道路等附属工程需求。由于核电工程一般投资大、建设周期长，为动态监控土石方开挖和使用情况，施工管理中应及时开展土石方动态平衡设计，根据平衡结果调整各阶段的施工安排，并加强开挖控制和堆场管理，避免土石方短缺风险，减少土石方外购、弃土、二次倒运等费用投入，提高整体经济效益。

2 福清核电项目建设及土石方平衡

2.1 项目概况

福清核电站建设规模为6台百万千瓦级的核电机组，一次规划，分期建设，1～4号机组采用了M310二代加改进型技术路线，以岭澳一期、二期核电工程为参考并加以适当改进，第1台机组已于2008年11月浇灌第一罐混凝土。福清核电站厂址地处突入兴化湾的岐尾山前沿，北、南、西3面环海，东北侧与陆地连接，规划6台机组的主厂房建筑群由西向东平行布置。本项目采取工程总承包模式（Engineering Procurement Construction，EPC），总包方为中国核电工程有限公司（CNPE），由CNPE全面负责整个工程的设计、采购、建造、调试直至竣工验收，交付业主时能够立即投入运行。目前，福清核电站2号机组、3号机组和4号机组相继顺利开工。

2.2 工程初期土石方总体平衡设计

根据福清核电站《厂址岩土工程勘察报告》（可行性研究阶段）[7]，厂址所处的半岛呈舌状分布，走向北东，总体地势呈东北部高，西南部低，标高1.90～56.79 m，厂址地貌属闽东南丘陵区，地貌类型有丘陵、红土台地和滩涂，各类地貌标高不一、分布不规则。厂区地层简单，主要由燕山早期侵入花岗岩基岩和第四系地层组成，第四系地层不整合覆盖于燕山早期侵入花岗岩上。分析厂址地层岩性、地质构造、岩体工程地质特性等，拟定福清核电站坪标高为+11.0 m，建、构筑物室内设计标高为11.15 m，常规岛厂房采用降标高（降低7.5 m）半地下布置形式，相对减少了土石方开挖量。

福清核电站土石方工程主要解决主厂区和生活临建区的场地问题，同时为主体混凝土骨料和厂区外围的海域工程提供所需石料。由于土石方工程启动时，机组设备选型及FCD日期未定，而拟选的各种机型总平面布置边界位置不同，因此按包络原则进行土石方工程设计。按照可研阶段的地质钻孔资料，土石方分类为土方、强风化、中等风化、微风化，参考GB 50187-1993《工业企业总平面设计规范》选取土方松散系数为土方1.05、强风化1.1、中等风化1.18、微风化1.22。本工程土石方设计运用方格网计算法（方格网为20 m×20 m），厂区填、挖方量数据通过规划设计软件GPCAD自动生成。综合回填工程、海工工程、1、2号机组建筑骨料储备等设计[8]。分析可知，初期土石方工程基本达静态平衡，在后续施工期间将作为土石方动态管理的参照。

2.3 土石方平衡管理反馈

2.3.1 土石方平衡管理现状

福清核电工程一次规划、分期建设，初期规划考虑一期工程的1、2号机组建设，随着项目的进行，现在改为1～6号机组连续建设。因此在实际施工中，1、2号机组建设、3、4号机组管沟负挖、5、6号机组正挖、各子项骨料使用等土石方工程同时开展，各施工交叉进行，均参与了土石方总体平衡。另外，由于场平局部标高变化、厂区地质情况影响、海域回填沉降量的不定性等因素，导致全厂实际土石方规划与初期土石方平衡设计相比有许多不符之处。

1）初期设计时土石方松散系数依经验按规范选取，由于厂址地质条件复杂、土石界面变化较多，根据已开挖情况核实后松散系数实际应为正挖土方1.2、正挖石方1.3、负挖石方1.3，松散系数调整对土石方开挖量计算有一定影响。

2）项目开展过程中，厂区负挖290万方及施工单位生活区正挖179万方都参与到土石方总体平衡之中，土石方开挖量增加。

3）初期土石方平衡设计中考虑了1、2号机组及前期辅助工程的建筑骨料需求，由于福清工程连续开工建设，3～6号机组骨料储备也提上了日程，参与土石方总体平衡。

4）初期设计中未包括1、2号基坑及管沟回填20万方、3、4号基坑及管沟回填20万方、5、6号基坑及管沟回填30万方（单堆布置，预估回填量增加10万方）。

5）海工工程初期估算损耗仅3%，根据已施工部分石料在使用时被海浪冲走、自然沉降等损耗程度，估算实际损耗约为海工总用石量的20%。

6）场平阶段设计厂址标高为+11.0 m，为优化总平面布置，施工中将厂前区调试综合楼子项场坪标高调整为12.9 m、施工单位生活区场地标高调整为16 m，土石方正挖量相比土石方平衡初期设计时减少。

7）由于厂区地质条件复杂、土石界面变化较多，开挖中爆破力及岩石相互撞击作用导致部分岩石破碎，造成土夹石含量增大，可用石料产出减少、弃方量增加。

8）施工前期土石方弃置较多，现场堆场土石混杂，缺乏合理规划，施工过程中所需石料短缺时再从弃土堆中挑选经济性不高，影响土石方整体平衡需求。

9）截至2011年11月底，厂区已外运渣土方量313万方，其中2009年委托土建施工单位负责外运的67万方，一度被统计为133万方，严重影响外运管理及土石方总体平衡管理。

2.3.2 方案变更对土石方平衡的影响

在类似大型工程建设中，由于地质情况较复杂，土石方开挖料大多无法达到预期的目标。本项目南排水工程设计方案原规划底部用大块石料堆填，施工中由于海工用料损耗率达20%，远远超出预估值3%，且实际开挖料中满足海工用石料规格的料源不足，南排水工程底部设计变更为放箱涵的形式，节约了部分石料支出。以此为鉴，为保证开挖石料满足料源特性，后续开挖施工中设计院采取措施优化土石方开挖方案，并细分筛选流程，将开挖出的可用料与弃渣料分开堆放，避免土、石混杂带来的二次挑选。

另外，在2011年3月日本地震并引发海啸导致福岛核电站发生核事故之后，我国政府对于核电发展采取了相对谨慎的决策，福清核电工程4号机组开工延期，福清5、6号机组经过多方研究讨论后改为满足第三代安全指标的ACP1000堆型。由于后续机组堆型变化，单堆布置等使总平面布置与M310堆型有所不同，同时福清现场暂停了福清5号机组负挖和6号机组正挖。原规划5号机组负挖为1～4号机组提供部分骨料，5、6号机组负挖推后导致1、4号机组骨料储备被迫暂停，与计划供应量相比缺口17万方；南排水工程所需大块石料规划从6号正挖取料，6号机组正挖延迟使海工用料缺口9万方。

为满足项目4～6号机组建设进度的变化，设计院根据现场情况及时调整了土石方施工规划。骨料储备方面，在后续施工中将3、4号机组管沟及BOP负挖中可用石料优先作为骨料储备，并考虑从6号机组正挖分流出来的料堆中挑选骨料或在设计负挖基坑位置提前开挖取料；海工用料方面，从备料堆中先挑选部分石料填补缺口，并适时启动了6号机组正挖，提供南排水工程所需石料及储备5、6号机组内护岸海工用料。规划调整后满足了全厂土石方逐时段的动态平衡。

2.3.3 实际土石方总体平衡分析

综合以上因素，为更好指导福清核电站1～6号机组现场场地施工阶段平面布置管理及土石方平衡管理工作，设计院根据施工实际情况经过多次核校[9]，调整土石方总体平衡设计，并在后续阶段逐步开展土石方动态平衡设计及现场动态跟踪。

福清核电站现阶段土石方总体平衡情况如下（单位：万方，误差小于1%）：

1）厂区正挖总量：1 180（主厂区）+178（生活临建区）=1 358。

2）厂区负挖总量：95（1、2号机组）+95（3、4号机组）+100（5、6号机组图纸未出，预估）=290。

3）海工工程：649（各子项图纸净量）+130（海域沉降量，按20%计）=779。

4）骨料用量：60（1、2号机组）+50（3、4号机组）+70（5、6号机组）=180。

5）厂区回填：670（主厂区场平）+40（1～4号基坑及管沟）+30（5、6号基坑及管沟）=740。

3 土石方平衡管理优化建议

3.1 加强初步设计审查

福清核电站在土石方平衡初步设计时未考虑厂区负挖和生活临建区挖方、同时松散系数不够准确、海域沉降量预估偏少等导致工程初期土石方平衡与实际有较大偏差。虽然场地平整施工图设计时，存在机型未定等各种影响因素，但土石方平衡设计作为现场土石方施工管理长期的指导文件，建议在厂区“四通一平”工程阶段组织经验丰富的专业人员，从各方面加强对土石方工程施工设计的审查或进行针对性的研究，提高土石方平衡设计的合理性、科学性。

随着计算机技术的发展，土石方设计一般借助计算机软件，目前常用的有DTM法、断面法、方格网法和等高线法等4种土方量计算方法[10]，每种方法都有其适用范围，福清工程采用了方格网计算方法，方格网为20 m×20 m。方格网法计算土石方量的精度取决于采集数据密度的大小，且和方格网的大小有关，方格网越小，精度越高。对于核电类大型工程，如在厂址植被清理后，对现场地形进行复测，可提高地形数据的精确度，同时尽量将网格大小设为10 m×10 m或5 m×5 m，可减少计算机软件的计算误差。

3.2 多机组建设土石方管理建议

福清核电项目规划建设6台机组，每台机组开工间隔10个月，现场各施工阶段每台机组的建设进度都有所区别，但又相互牵制，对土石方平衡管理带来了较大挑战。福清核电站土石方工程需分阶段完成各机组的场地平整，同时为各机组主体建设储备建筑骨料，并提供北护堤、南排水导流堤、三期内护岸等海工用料。本项目海工工程随场地平整工程同期推进，一般取正挖山体爆破的大块石料直接使用，避免了二次倒运及堆场管理；负挖产出的石料作为骨料储备，为匹配建设进度先堆放于规划区域；另外，土石混杂料可作为场平及管沟回填料。

截至2011年11月，1～4号机组场地平整已完成、5、6号机组正挖正在进行、1～4号机组管沟负挖正在进行，土石方利用方面为1～4号机组建设储备骨料92万方、提供海工用料752万方、已回填691万方，另有不可用渣土堆放在厂区北侧的弃土堆，将适时安排外运。由于各机组不同期建设，每个阶段的任务包繁杂多样，现阶段土石方调配主要考虑1～3号各机组建设、BOP各子项建设、管沟回填、正挖施工、负挖施工等近20个任务包，在综合分析开采能力、堆场条件、使用需求等影响因素基础上，依据土石方管理平衡原则，确定任务包的最优顺序，提高开挖料直接利用率，减少二次倒运及弃渣占地，改善厂区整体形象。

3.3 主体骨料储备建议

参照已建M310堆型经验，每两台机组混凝土量约为50万方，通过配合比反算石子量、堆积密度计算体积用量，每两台M310机组需要石料约50万方。场平施工设计阶段考虑前期临建、道路等附属工程，增加骨料需求10万方；5、6号机组可能建单堆型，骨料储备建议为70万方，实际1～6号机组总骨料需求为180万方。

根据可研勘察资料，分析福清核电厂址岩石的物理性能，中粒花岗岩或中细粒花岗岩均可作为骨料制作的料源，其中细骨料（人工砂）制作必须选用晶体粒径小于3 mm的中细粒花岗岩。据测算开挖料中可用作骨料的料源相对充足，尤以与骨料特性匹配程度较高的负挖石料为最佳。福清核电站土石方施工前期规划未充分考虑风险因素，开挖后弃置量较多，且现场堆放时土石混杂，5号机组负挖推后导致的1～4号机组骨料储备缺口17万方时，再从弃土堆中挑选骨料经济性较差。以此为借鉴，针对多机组工程，在各机组厂址正负挖时，应尽可能储备本机组建设所需主体骨料，减少后续机组未能连续建设及其他因数造成的影响。另外，在土石方开挖时应加强可利用料和弃渣料层界面处的开挖控制，保证可用开挖料的质量，并合理规划土石方堆场，为一些意外需求储备料源，提高风险意识，尽量避免土石方二次倒运或二次筛选所带来额外经济成本。

3.4 土石方堆场及弃方外运管理

土石方管理平衡中提倡优先考虑就近利用、直接利用，因此存、弃料场规划以费用最低为原则。场地选择考虑以下几个方面：在存、弃渣场容量满足要求的前提下，综合平衡后应尽量就近存弃料；存、弃渣料一般使用不同场地，如果使用同一场地堆放不同利用料时，应分开堆放；总体规划应适应存料场、弃渣场容量[6]。各堆场选址尽可能避开对后续施工有影响的区域，且堆场范围及周边短期内未规划建设，避免多次倒运产生费用。堆放时应根据后续功能用途分类堆放，并控制料场高度不超过15 m，按照自然坡角放坡，保证堆放期间和使用时的安全。

弃置量主要为强风化料及挑选完可用石料后的土、石混合料，核电土石方开挖量大，运输、堆放施工环节多、周期长，且不确定因数多，为改善厂区形象及为后续机组开工创造条件，一般根据现场情况陆续安排多余弃土使用或外弃，但不建议将多余量一次性外运，不利于难以预料的土石方量需求时施工规划的调整，如福清项目应急道路回填。福清项目截至2011年11月底，根据外运统计表已外运渣土方量379万方，但根据土石方动态平衡计算已外运应为313万方，其中差额66万方经核实被倒运堆放在厂区内其他堆场，影响了外运管理及土石方总体平衡管理，且产生了弃方二次外运费用。因此在弃方管理方面，建议采用归口管理的工作模式，保证统计数据的连续性、准确性，如不可避免多方管理，在交接时应详细核实堆方量、已外运弃方量、未开挖量，避免出现已外运弃方量大于总体平衡中弃方量的现象。

3.5 定期调整土石方总体平衡设计

实际施工过程中，存在设计方案变更、松散系数调整、骨料需求变化等各种调整，均可能导致实际土石方总体平衡量与场平阶段最初设计相比发生较大偏差。部分原因如调整松散系数在各类工程项目上都会发生，当然也存在福岛事故等国际形势变化影响等不可控因素。福清核电工程在福岛事故后，石料缺口较大，为满足土石方总体平衡需求，根据现场实际情况调整了土石方总体平衡设计。作为土石方动态管理的参照，土石方总体平衡表应根据现场实际情况定期调整或升版，一些重要的施工设计文件参照项目升版管理规定也应及时升版，以指导整体项目的施工规划，促进管理水平的不断提高，避免发生总体平衡与过程中动态平衡不等同的状况。

3.6 开展土石方动态平衡设计

福清核电工程前期未开展土石方工程动态设计，海工工程、建筑骨料等仅有长期规划，短期内抗击突发事件的风险能力较弱，日本福岛核灾事故发生后，福清核电工程受此影响，4号机组开工延期，正在进行的福清5号机组负挖和6号机组正挖暂停，影响了项目海工用料、主体骨料的储备计划。为加强抵御风险的能力，福岛事故后福清核电采用土石方动态报告的方式定期开展动态平衡设计，主要是平衡计算及现场核实，并根据开挖和使用情况依照土石方平衡原则调整土石方施工规划，加强了土石方动态管理和监控。

每月的动态平衡报告中主要包含土石方初始使用计划、工程实际使用和弃方外运情况、厂区堆场现状及规划、厂区剩余土石方的后续计划等。自实施土石方动态管理后，福清核电土石方动态平衡与整体规划基本一致，满足现场各子项施工需求及土石方平衡原则。福清核电工程土石方动态平衡设计启动较晚，虽然经过多次复核后土石方基本满足动态平衡和总体平衡，但花费了较大人力、物力开展平衡计算和现场核实，且存在一定误差。在后续核电项目中，建议加强对土石方平衡管理的研究，可参照水利工程等在场平阶段即建立土石方平衡调配模型，借助模拟结果进行土石方动态平衡管理。

4 结束语

土石方工程广泛存在于土石坝、道路、堤防、水利、矿山、核电等工程建设中，是工程建设的基本组成部分。特别是在核电这类大型工程中，土石方工程量多达千万方，土石方平衡管理更是决定工程建设效益的重要内容。前期为争取项目的推进，在场地平整阶段就开展土石方工程施工设计和施工准备，土石方总体平衡可能出现较大的设计偏差。本文通过分析福清核电土石方管理中出现的主要问题，探讨土石方设计和管理的优化措施，希望为后续核电项目提供一些借鉴。

在土石方工程初步设计阶段，为更准确把握厂址的地质情况，建议加强对开挖区域的石料种类、物理力学性质的分析，并根据岩土特性结合海工用料、主体骨料、子项回填等需求，组织对土石方工程施工设计的审查或进行针对性的研究。随着项目的开展，应及时开展土石方动态设计，定期调整土石方总体平衡设计，以应对各方案变更、国际形势变化带来的影响，科学指导土石方施工及使用规划，妥善规避石料短缺及动态平衡与总体平衡不匹配的风险,减少土石方工程施工成本，实现对工程投资的全面控制。

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