铁路建设项目土石方优化调配方法研究

［关键词］ 土石方;调配；优化；水土保持；建设项目；铁路

［摘要］ 目前有关土石方调配的研究大多以优化工程费用为目的，很少将优化后产生的生态效益作为独立参数纳入平衡计算。根据铁路工程土石方调配特点，探讨利用更严谨的运筹学方法，以施工费用最小、环境影响最轻微为目的，建立多目标优化模型，在节省工程费用的同时尽可能减少水土流失的影响，使工程建设与水保目标相协调统一，旨在为铁路建设项目土石方优化调配提供参考。

［中图分类号］ TV512；S157［文献标识码］ A［文章编号］ 1000－0941（2023）06－0036－04

开发建设项目在建设过程中即使严格落实各项水土保持措施，仍然会扰动地表，造成水土流失，导致原生态系统内土壤、水分减少，降低原地貌保持水土及涵养水源的功能。做好建设工程土石方平衡规划，制定完善的调配方案，可从源头上减少地表开挖、弃土堆置，既能节省工程建设开支，也有利于减轻水土流失危害[1]。目前，铁路行业相关规范中已提出“避免高填、深挖”“充分利用弃土”的土石方调配原则[2]，但尚未明确具体的计算方法和相应的管理制度。水土保持方案编制及施工设计阶段涉及的土石方平衡方案，大多是采用计算表调配法测算，对后续工作的指导意义不大，最终落地方案往往由施工单位根据现场情况自行编制，易产生水土保持方案变更问题。另外，目前有关土石方调配的研究大多以优化工程費用为目的，很少单独考虑水土保持要求，即很少将优化后产生的生态效益作为独立参数纳入平衡计算。

1优化原则及方法

1.1优化原则

①节省工程费用原则。土石方调配方案与土石方运输、填料外购、临时用地征地建设及复垦等费用息息相关，直接影响施工费用计量及工期安排。通常采取两种方法节省工程费用：一是根据地形情况和施工条件，制定合理的运输路线，使挖（填）方量与运距的乘积之和最小，即总土方运输量或运输费用最小；二是增加挖方利用量，尽可能增加工程自用土石方比例，以节省填料外购、外借费用，以及取、弃土场建设、恢复费用。②降低水土流失（提高生态效益）原则。工程建设导致水土流失量增加，主要表现为水土流失面积扩大、土壤侵蚀模数增加，合理的土石方平衡方案可通过减少施工断面和松散堆土体，从源头上减少水土流失，提高生态效益。

1.2优化方法

传统的土石方调配方法有调配图法、累积曲线法及计算表调配法等[3]，大多是先利用人工方法判定最大经济运距，超出该运距范围则就近调配，未将设置弃土场的成本、弃土回填节省的费用等纳入统筹计算，也未兼顾水保目标，随意性强、误差较大。在铁路建设项目中土石方调配方法应用最多的是计算表调配法，但节省工程费用和提高生态效益是两个方向不一致的决策目标，甚至存在相互制约的关系，进行联合优化还需进一步利用到线性规划计算中的多目标优化决策理论。多目标优化决策理论是数学规划的一个分支，一般有线性加权法、层次序列法、智能进化算法等，其中线性加权法较为直观简便，可根据实际需求灵活调节不同目标的加权系数，但应用时需先对土石方调配施工费用（包括水土保持措施费用）及生态损益影响赋予可量化的经济指标。其中，土石方调配施工费用在《铁路基本建设工程设计概（预）算编制办法》等规范性文件中有较为明确的计算方法[4]；生态损益影响可根据土壤营养物质的流失情况，推算地表作物逐年减产量等[5]进行经济指标量化，但其计算模型较为复杂，考虑到生产建设项目水土保持补偿费征收标准正是基于原有水土保持生态服务功能价值评估制定[6]，可参考相关地区水土保持补偿费征收标准，作为衡量土石方施工导致的生态破坏、水土流失影响的生态损益指标[7]。

2模型建立

土石方调配平衡计算本质是在有限资源条件下求解最优方案，属运筹学优化计算范畴，建立合理的线性优化模型，利用相关计算机程序，可规划更准确、更高效的土石方调配方案[8]。

2.1工点确定

为简化运算， 齐峰：铁路建设项目土石方优化调配方法研究将一定长度范围内相对集中的路段（可参考免费运距长度）及取（弃）土场视为处于坐标轴上的一点，选取该工点中心里程进行运距计算，外购土石方、改良土方可根据相应价格成本换算。整体核算时，先区分不同挖方利用类型，逐工点完成内部移挖平衡，再判断各工点属于挖方工点还是填方工点，最后汇总各工点挖（填）方量。

2.2模型公式

（1）根据土石方调配途径，建立线性规划模型公式[9]，即min（F）=∑r1∑i1∑j1VrWiTj×CrWiTj+∑r1∑k1∑j1VrQkTj×

CrQkTj+∑r1∑i1∑m1VrWiZm×CrWiZm+∑r1∑i1∑k1VrWiQk×CrWiQk（1）式中：F为土石方调配总费用；r为填料组别，铁路路基填料主要分为AB组填料、C组填料，AB组填料r取1、C组填料r取2；VrWiTj为从第i处挖方工点调出至第j处填方工点的r组填料方量；VrQkTj为从第k处取土场调运至第j处填方工点的r组填料方量；VrWiZm为从第i处挖方工点调运至第m处弃土场的r组填料方量；VrWiQk为从第i处挖方工点回填至第k处取土场的r组填料方量；CrWiTj、CrQkTj、CrWiZm、CrWiQk分别为相应调配途径下的土石方单价。

（2）约束条件。挖方工点挖方量约束条件为∑r1∑i1∑j1VrWiTj+∑i1∑m1V1WiZm+∑i1∑k1V1WiQk=VrWi（2）填方工点填方量约束条件为∑i1∑j1V1WiTj+∑k1∑j1V1QkTj=V1Tj

∑r1∑i1∑j1VrWiTj+∑r1∑k1∑j1VrQkTj=V2Tj（3）取土场开采量上限约束条件为∑j1VrQkTj≤VrQk（4）弃土场容量上限约束条件为∑r1∑i1VrWiZm≤VZm（5）变量非负约束条件为VrWiTj≥0；VrQkTj≥0；VrWiZm≥0；VrWiQk≥0（6）3调配方案优化示例

铁路站场路基回填土方量较大且对填料要求等级低，可选择范围广，因此选取某新建高速铁路的部分站场路基及相邻区间路基作为工点，并结合周边弃土场、取土场情况，对C组填料进行调配平衡运算示例。

3.1成本测算

土石方工程由开挖（爆破）、卸运、临时防护建设、填筑压实、平整复垦等施工环节组成，不同施工环节有不同的调配途径。根据相关工程计价规定、水土保持法规及工程实际情况，对调配计算涉及的单项施工费用进行测算，结果见表1。

以表1中测算的单项费用为基准，按工程自用、取土场借方/外购、余方弃置、余方回填取土场4种调配途径所包含的工序测算相应成本，见表2。表2中的成本组成不考虑免费运距、施工措施费、税金、施工便道建设费等，剔除对平衡结果不产生影响的挖方工点开挖费、填方工点填筑压实费、装卸费等计费科目；工程自用及余方回填取土场两类调配途径，因无需设置取（弃）土场，减轻了土壤侵蚀强度，造成的生态影响轻微，故生态影响（水土流失）损失费和临时防护费不计列于土石方成本中。

3.2工点确定

开挖工点划分以免费运距长度为准，总长度小于1 km视作一个工点，松散方量均换算为压实方量，相关工点基本情况见表3。

3.3优化方案

依据优化模型，分别按仅考虑节省工程费用（方案一）、节省工程费用与减少生态影响损失联合优化（方案二）进行土石方调配。其中方案一设弃土场2处、取土场1处，新增擾动面积约0.58 hm2，水土流失量约6.97 t；方案二设弃土场、取土场各1处，新增扰动面积约0.18 hm2，水土流失量约1.19 t；原方案设弃土场2处，借方全部外购，新增扰动面积约1.62 hm2，水土流失量约16.34 t。两方案与原方案土石方调配结果见表4、费用见表5。

由表4、表5可知，与原方案对比，经优化调配后的方案在节省工程费用和减少生态影响损失方面均有明显优势。因将水保目标纳入综合运算，方案二相比方案一取消了1处弃土场，并将取土场借方量减少了51.91%，虽然工程费用增加了1.78%，但明显减缓了工程施工对周边生态环境的不利影响，所产生的生态效益更加可观，故优选方案二。

4结语及展望

土石方调配是工程建设的基本组成部分，是一个与资源、空间、时间、环境关联的多目标、高维优化的问题。在本次土石方调配方案中存在如下问题：

（1）优化目标及影响因素参考范围不全面，优化方法有待改进。不同的线位走向、线路形式及取（弃）土场、临时工程选址对应不同的最优解和调配方案，但因线性工程涉及范围大、关联因素多、建模复杂，故此次构建土石方调配模型时，未考虑上述因素。若全面统筹相关影响因素，则可进一步降低工程费用及对周边生态环境的影响。

（2）模型中相关参数有待精确。为计算简便，仅根据运距估算运输费用，把复杂的非线性关系简化为线性关系，对地形阻隔、高差变化、车流拥堵、施工便道建设等相关因素缺乏精确分析；未结合施工组织方案进行动态、实时的规划计算，未考虑不同阶段的供料（堆弃）速率、道路运输强度上限与单位时间内填料需求量、工期限制之间可能存在的矛盾。下一步应探索利用智能算法、程序工具优化计算模型，模拟实际工程中的非线性约束关系进行动态规划，将施工组织方案优化与土石方调配方案优化相结合，合理衔接工期，避免中转倒运或不必要的外购、外借情况，使调配方案更加贴近实际情况。

（3）方案二以相关地区水土保持补偿费征收标准作为衡量土石方调配方案中生态效益的经济指标，但建设项目实际缴纳水土保持补偿费往往以水保方案批复金额为准，即便通过方案优化减少了开挖、占压面积，也不减免相应补偿费用，影响相关政策的激励约束效果，建议相关行政主管部门据实灵活调整执行。

（4）铁路建设项目针对土石方调配管理缺乏体系化的管理规定，对水土保持重视程度不够。设计阶段未明确土石方调配计算的规范方法，忽略了水土保持效益的核算；施工阶段土石方调配台账大多建立不全，且各标段“各自为政”，缺乏统一调配管理；验收、清概阶段对设计方案落实情况暂无考核管理要求。建议进一步细化设计规范，加强施工管理，将设计方案落实情况纳入专项评价考核。

（5）不同地区土石方的开采运输往往存在地方保护政策，跨行政区划调配难以执行，需做好前期协调沟通，并尽可能结合周边市政、公路项目进行总体统筹，确保土石方调配方案制定合理；土方综合利用点、弃渣场或碎石场等与地方行政主管部门存在交叉管理，常出现水土流失防治责任划分不清问题，易产生管理漏洞，增加冗余管理成本，需提前与属地行政主管部门衔接沟通。

[参考文献]

[1] 周厚贵，曹生荣，申明亮.土石方调配研究现状与发展方向[J].土木工程学报，2009，42（2）：131-138.

[2] 国家铁路局.铁路路基设计规范：TB 10001—2016[S].北京：中国铁道出版社，2017：1，103.

[3] 孙兴.基于GIS的公路土石方调配研究与实现[D].长沙：中南大学，2012：11-12.

[4] 国家铁路局.铁路基本建设工程设计概（预）算编制办法：（TZJ 1001—2017）[S].北京：国家铁道出版社，2017：8-9.

[5] 宋晓强，刘洁，董龙飞.水土保持补偿制度探析[J].中国水土保持，2008（4）：14-17.

[6] 汪仁杰.浅谈水土保持设施补偿费征收标准[J].科技风，2008（9）：6.

[7] 王冬.水土保持补偿费计列方法探讨[J].亚热带水土保持，2013，25（3）：63-67.

[8] 杨波.铁路路基土石方调配最优化模型研究[J].中国铁路，20014（10）：50-53.

[9] 叶传余.考虑水土流失的水电工程土石方优化调配研究[D].宜昌：三峡大学，2015：29-31.

［作者简介］ 齐峰（1986—），男，甘肃静宁人，工程师，学士，主要从事铁路环境保护管理工作。

［收稿日期］ 2023-01-15

（责任编辑张绪兰）