摘 要：文章以某高速公路路段土石方工程為例，通過(guò)地形地貌分析調(diào)查當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)成本，將該影響因子加入經(jīng)濟(jì)運(yùn)距公式，結(jié)合粒子群優(yōu)化算法設(shè)計(jì)出一種新的高速公路路基土石方平衡與調(diào)配方案，并對(duì)該土方平衡調(diào)配技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，該路段施工縱斷面高程誤差在±5 mm波動(dòng)，平均誤差為-1.1 mm，最大誤差為-5 mm，所提出的高速公路路基土石方平衡與調(diào)配技術(shù)取得了良好的應(yīng)用效果，可為類似高速公路路基土石方平衡與調(diào)配的優(yōu)化提供借鑒與幫助。

關(guān)鍵詞：高速公路；路基；土石方；調(diào)配技術(shù)

中圖分類號(hào)：U416.1+1

0"引言

傳統(tǒng)的土石方平衡與調(diào)配方法往往依賴于人工經(jīng)驗(yàn)和簡(jiǎn)單計(jì)算，難以適應(yīng)復(fù)雜多變的地質(zhì)條件和施工環(huán)境，導(dǎo)致路基工程存在質(zhì)量不穩(wěn)定、成本過(guò)高等問(wèn)題。因此，越來(lái)越多的學(xué)者開始關(guān)注土石方平衡與調(diào)配的問(wèn)題。黃丙湖等［1］針對(duì)傳統(tǒng)土石方調(diào)配模型線性化簡(jiǎn)化及忽略施工次序的問(wèn)題，提出了綜合考慮施工次序、方向和調(diào)配量的優(yōu)化模型，采用改進(jìn)蟻群的算法求解，實(shí)際應(yīng)用表明，該方法相比線性規(guī)劃法更可行，且ArcGIS軟件繪制的調(diào)配矢量指導(dǎo)圖更直觀。王仁超等［2］針對(duì)土石方調(diào)配問(wèn)題的傳統(tǒng)解決方法存在局限性，提出了運(yùn)用強(qiáng)化學(xué)習(xí)中離散型Q學(xué)習(xí)的方法，通過(guò)構(gòu)建Q學(xué)習(xí)模型并探討解法，結(jié)合工程實(shí)例驗(yàn)證了該方法的可行性，為后續(xù)利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法解決動(dòng)態(tài)土石方調(diào)配平衡問(wèn)題奠定了基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的土石方調(diào)配方式往往忽視了環(huán)境保護(hù)的重要性，且效率不高，導(dǎo)致了大量的土地破壞和環(huán)境污染［3-4］。鑒于此，本研究通過(guò)地形地貌分析調(diào)查當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)成本，同時(shí)將該影響因子加入經(jīng)濟(jì)運(yùn)距公式，并以廣西某高速公路路段為例，展開實(shí)地試驗(yàn)，針對(duì)不同路段的情況制定出不同的動(dòng)態(tài)調(diào)配策略，結(jié)合粒子群優(yōu)化算法對(duì)每輛運(yùn)輸車的具體路線運(yùn)量等信息做出統(tǒng)一調(diào)配，設(shè)計(jì)出一種新的高速公路路基土石方平衡與調(diào)配方案。

1"調(diào)配技術(shù)細(xì)節(jié)與工程概況

1.1"工程概況與方案總體設(shè)計(jì)

工程位于廣西河池市，項(xiàng)目規(guī)模為新建互通1座，匝道長(zhǎng)約2.8 km，連接線長(zhǎng)約2.1 km［5-6］。工程主要包括路基挖方117.25×104 m3，路基填方62.19×104 m3，以及大橋、中橋、小橋和蓋板涵等結(jié)構(gòu)物［7-8］?；ネㄎ鲄^(qū)段總挖方為253 286 m3，總填方為34 042.5 m3；互通東區(qū)段總挖方為578 475.2 m3，總填方為310 204.2 m3；連接線區(qū)段總挖方為340 770 m3，總填方為277 695 m3。同時(shí)，工程還考慮了安全文明保障措施，包括施工人員防護(hù)、機(jī)械設(shè)備操作、現(xiàn)場(chǎng)治安防護(hù)、施工警示標(biāo)志等方面的要求。項(xiàng)目總體調(diào)配方案如圖1所示。

方案共包含多個(gè)模塊，分別是地形地貌分析模塊、土石方量計(jì)算模塊、挖填方平衡分析模塊、土石方調(diào)配優(yōu)化模塊、環(huán)保型運(yùn)輸工具選擇模塊、施工廢棄物處理模塊、生態(tài)環(huán)境保護(hù)模塊、智能監(jiān)控系統(tǒng)模塊與方案評(píng)估模塊。各模塊之間緊密聯(lián)系、相互支持，形成一個(gè)完整的技術(shù)方案體系。地形地貌分析模塊為土石方量計(jì)算提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；挖填方平衡分析模塊根據(jù)土石方量計(jì)算結(jié)果提出調(diào)配方案；環(huán)保型運(yùn)輸工具選擇模塊和施工廢棄物處理模塊為調(diào)配方案的實(shí)施提供支持；生態(tài)環(huán)境保護(hù)模塊在施工過(guò)程中保護(hù)生態(tài)環(huán)境；智能監(jiān)控系統(tǒng)模塊對(duì)調(diào)配方案的實(shí)施進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。各模塊的協(xié)同作用保證了整個(gè)技術(shù)方案的有效實(shí)施并取得預(yù)期效果。在具體調(diào)配策略上，團(tuán)隊(duì)遵循了先橫向后縱向的原則，優(yōu)先考慮本樁利用，以減少不必要的借方和調(diào)運(yùn)成本。通過(guò)綜合考慮施工方法、運(yùn)輸條件和地形等因素，確保了調(diào)配的經(jīng)濟(jì)合理性。利用經(jīng)濟(jì)運(yùn)距的公式來(lái)決定是采取縱向調(diào)運(yùn)還是就近借土，以確保成本效益，其計(jì)算公式如式（1）所示：

L=L_J+L_M（1）

式中：L_J——土方借運(yùn)距，表示從挖方場(chǎng)所到填方場(chǎng)所的距離，即土方被借運(yùn)的距離；

L_M——免費(fèi)運(yùn)距，表示在某一特定距離內(nèi)，只按土方量計(jì)價(jià)而不計(jì)運(yùn)費(fèi)的距離。

為避免因取土或棄土導(dǎo)致的環(huán)境惡化，增加一項(xiàng)代表生態(tài)環(huán)境保護(hù)成本的參數(shù)C_cost，因此得到一個(gè)新的經(jīng)濟(jì)運(yùn)距公式，如式（2）所示：

L=L_M+（B+C_cost）T（2）

式中：B——借土單價(jià)（元/m3）；

T——遠(yuǎn)運(yùn)運(yùn)費(fèi)單價(jià)（元/m3·km）。

1.2"高速公路路基土石方平衡與調(diào)配技術(shù)

本項(xiàng)目中，動(dòng)態(tài)調(diào)配在路基土石方平衡與調(diào)配過(guò)程中起到了關(guān)鍵作用［9-10］。互通西、互通東及連接線3個(gè)區(qū)段的動(dòng)態(tài)調(diào)配過(guò)程特征各有不同，并針對(duì)每個(gè)特征提出不同的調(diào)配措施，如圖2所示。

在高速公路路基土石方動(dòng)態(tài)調(diào)配中，互通西、互通東和連接線三區(qū)段各有特點(diǎn)?；ネㄎ鲄^(qū)段挖方量大，應(yīng)優(yōu)先本樁利用并注意環(huán)保；互通東區(qū)段挖填較平衡，調(diào)配須注重效率，避免跨深溝調(diào)運(yùn)；連接線區(qū)段需更精細(xì)化的調(diào)配以保持經(jīng)濟(jì)。針對(duì)這些特征，必須綜合考慮施工、運(yùn)輸、地形和環(huán)保因素，制定相應(yīng)的調(diào)配措施?；ネㄎ鲄^(qū)可優(yōu)先使用本樁土石方降低成本；互通東區(qū)應(yīng)優(yōu)化調(diào)配路徑提高效率；連接線區(qū)則需精細(xì)化管理降低成本。在確定不同路段的總體調(diào)配策略后，為了進(jìn)一步提高調(diào)配的效率和效果，還需要進(jìn)行更細(xì)致的調(diào)配管理，這就需要結(jié)合先進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法，對(duì)每輛車的運(yùn)輸路線、運(yùn)量等具體細(xì)節(jié)進(jìn)行決策。通過(guò)算法的智能優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)土石方資源的更高效、更環(huán)保的調(diào)配。其算法流程如圖3所示。

（1）進(jìn)行本項(xiàng)目中互通西、互通東及連接線3個(gè)區(qū)段相關(guān)數(shù)據(jù)的收集、清洗和格式化處理，包括土石方量、運(yùn)輸條件、地形以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求等。這些數(shù)據(jù)的清洗和整理為后續(xù)建模提供了可靠的基礎(chǔ)。

（2）研究進(jìn)行了問(wèn)題建模，基于收集的數(shù)據(jù)構(gòu)建了數(shù)學(xué)模型，明確了目標(biāo)函數(shù)（如成本最小化、環(huán)保影響最小化等）和約束條件。在建模過(guò)程中，特別將環(huán)保因素，如生態(tài)保護(hù)成本。

（3）初始化粒子。

（4）計(jì)算適應(yīng)度值，即調(diào)配方案的成本和環(huán)保影響等綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，其適應(yīng)度函數(shù)如式（3）所示：

f（Xi）=α·Cost（Xi）+β·Time（Xi）+γ·Environmental I mpact（Xi）（3）

式中：α，β，γ——權(quán)重系數(shù)，用于平衡不同的優(yōu)化目標(biāo)；

Cost（Xi）——粒子Xi代表的土石方調(diào)配方案的每車平均運(yùn)輸成本；

Time（Xi）——每車平均完成土石方調(diào)配方案所需的時(shí)間；

Environmental I mpact（Xi）——每車土石方調(diào)配方案對(duì)環(huán)境的影響。

隨后，不斷更新個(gè)體最優(yōu)解和全局最優(yōu)解，尋找出所有粒子中適應(yīng)度值最好的調(diào)配方案。在接下來(lái)的步驟中，根據(jù)粒子群算法的公式更新了粒子的速度和位置，粒子的速度和位置更新公式如式（4）所示：

Vi（t+1）=ω·Vi（t）+c1·rand1（）·（Pbest，i-Xi（t））+c2·rand2（）·（Gbest-Xi（t））

Xi（t+1）=Xi（t）+Vi（t+1）（4）

式中：Vi（t）和Xi（t）——粒子i在時(shí)刻 t的速度和位置;

ω——慣性權(quán)重，用于控制粒子保持原來(lái)速度的趨勢(shì);

c1和c1——加速因子，通常設(shè)置為正常數(shù);

rand1（）和rand2（）——產(chǎn)生在［0， 1］的隨機(jī)數(shù);

Pbest——粒子i的歷史最佳位置;

Gbest——粒子群的全局最佳位置。

同時(shí)，進(jìn)行了方案優(yōu)化與調(diào)整，針對(duì)互通西、互通東及連接線3個(gè)區(qū)段的具體特征進(jìn)行了精細(xì)化調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)更具針對(duì)性的優(yōu)化。對(duì)優(yōu)化后的調(diào)配方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，考慮了成本、環(huán)保影響、施工效率等因素，并進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，選擇最優(yōu)方案作為最終的調(diào)配方案，為項(xiàng)目實(shí)施提供了科學(xué)依據(jù)和可靠保障。

2"工程實(shí)例分析

為了驗(yàn)證研究所提算法的可行性，利用該算法在該項(xiàng)目中進(jìn)行了試驗(yàn)，并對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)量。見表1?？v斷面高程是指路基縱向的高程變化，使用水準(zhǔn)儀進(jìn)行檢測(cè)，每200 m測(cè)量5個(gè)斷面，允許偏差為±10 mm。通過(guò)比較實(shí)際測(cè)量值與設(shè)計(jì)值，判斷縱斷面高程是否符合要求。中線偏差是指實(shí)際路基中線與設(shè)計(jì)中線之間的偏差。使用經(jīng)緯儀進(jìn)行檢測(cè)，每200 m測(cè)量5點(diǎn)，同時(shí)在彎道的HY（水平曲線起點(diǎn)）和YH（水平曲線終點(diǎn)）兩點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，允許偏差為45 mm。

通過(guò)計(jì)算實(shí)際中線與設(shè)計(jì)中線之間的偏差，判斷中線偏差是否符合要求。路基寬度是指路基的橫向尺寸。使用米尺進(jìn)行檢測(cè)，每200 m測(cè)量5處，要求路基寬度符合設(shè)計(jì)要求。通過(guò)測(cè)量實(shí)際寬度并與設(shè)計(jì)寬度進(jìn)行比較，判斷寬度是否符合要求。橫坡是指路基橫向的坡度。使用水準(zhǔn)儀進(jìn)行檢測(cè)，每200 m測(cè)量5個(gè)斷面，允許偏差為±2%。通過(guò)測(cè)量實(shí)際橫坡并與設(shè)計(jì)橫坡進(jìn)行比較，判斷橫坡是否符合要求。平整度是指路基表面的平整度。使用3 m直尺進(jìn)行檢測(cè)，每200 m測(cè)量2處×10尺，允許偏差為15 mm。通過(guò)測(cè)量路基表面的凹凸不平程度，判斷其平整度是否符合要求。具體測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

從圖4（a）中可以看出，1～9號(hào)施工路段檢測(cè)點(diǎn)的縱斷面高程誤差在±5 mm之間波動(dòng)。其平均誤差為-1.1 mm，最大誤差為-5 mm。從圖4（b）中可以看出，1～9號(hào)檢測(cè)點(diǎn)所測(cè)量的路段中線偏差在16～33 mm波動(dòng)，其平均誤差為22 mm，最大誤差為33 mm。從圖4（c）中可以看出，1～9號(hào)檢測(cè)點(diǎn)所測(cè)量的路段坡度誤差在±1°之間波動(dòng)。其平均誤差為0.1°。從圖4（d）中可以看出，1～9號(hào)檢測(cè)點(diǎn)所測(cè)量的路段平整度誤差在6～10 mm波動(dòng)，其平均誤差為9 mm，最大誤差為10 mm。綜上所述，該方案在縱斷面高程、中線偏差和平整度方面都取得了符合設(shè)計(jì)要求的表現(xiàn)，這充分證明了該方案的有效性和可行性。此外，為了進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的先進(jìn)性，試驗(yàn)引入了文獻(xiàn)［11］所提出的基于蒙特卡洛樹搜索的土石方動(dòng)態(tài)調(diào)配算法（MCTS-DEA）與本文所提方案進(jìn)行對(duì)比，并利用OriginLab軟件對(duì)兩種方法分別進(jìn)行模擬試驗(yàn)，與挖填方平衡率、平均調(diào)配運(yùn)距作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，在挖填方平衡率上，本文所提出的方法平均達(dá)到了6.3%，相比之下，MCTS-DEA方案僅為4.1%。這表明本文所提出的方法在土方調(diào)配過(guò)程中更能實(shí)現(xiàn)土方的就地平衡，有效減少了土方搬運(yùn)次數(shù)和運(yùn)輸距離，從而降低了施工成本和時(shí)間。其次，在平均調(diào)配運(yùn)距方面，本文所提出的方法平均為1.1 km，而MCTS-DEA方案則達(dá)到了2.8 km。較短的調(diào)配運(yùn)距意味著更低的運(yùn)輸成本和更高的施工效率。此外，短距離運(yùn)輸還能減少土方運(yùn)輸過(guò)程中可能產(chǎn)生的揚(yáng)塵、噪音等環(huán)境污染，有利于保護(hù)施工現(xiàn)場(chǎng)和周邊環(huán)境。至于環(huán)境破壞程度的評(píng)估，研究將其分為了10個(gè)等級(jí)。這種等級(jí)劃分基于對(duì)環(huán)境影響的綜合評(píng)價(jià)，包括但不限于土壤侵蝕、植被破壞、水資源污染、生物多樣性損失等多個(gè)方面。每個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)不同的影響程度，從1級(jí)（最小影響）到10級(jí)（最大影響）。通過(guò)對(duì)比兩種方法在30個(gè)路段中的平均破壞程度，研究發(fā)現(xiàn)所提方法的平均破壞程度為4級(jí)，而MCTS-DEA方案則達(dá)到了6級(jí)。這表明本文所提出的方法在環(huán)境保護(hù)方面表現(xiàn)更優(yōu)，能夠更有效地減少對(duì)周圍環(huán)境的破壞。綜上所述，本文所提出的方法在挖填方平衡率、平均調(diào)配運(yùn)距和環(huán)境破壞程度等方面均表現(xiàn)出優(yōu)于MCTS-DEA方案的性能。這些分析結(jié)果進(jìn)一步證明了該方法的可行性和先進(jìn)性，為土石方施工領(lǐng)域提供了一種更為高效、環(huán)保的解決方案。

3"結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)土石方調(diào)配方案在環(huán)保和效率方面的不足，本文提出了一種考慮環(huán)保意識(shí)并結(jié)合粒子群優(yōu)化算法的新型調(diào)配方案。這一方案旨在實(shí)現(xiàn)土石方施工的高效性與環(huán)保性的平衡。

（1）在本項(xiàng)目的施工中應(yīng)用了這種新型調(diào)配算法。結(jié)果顯示，該算法在縱斷面高程、中線偏差、寬度、橫坡和平整度等關(guān)鍵指標(biāo)上均表現(xiàn)出色，完全符合設(shè)計(jì)要求，從而驗(yàn)證了其在實(shí)際施工中的有效性。

（2）與基于蒙特卡洛樹搜索的土石方動(dòng)態(tài)調(diào)配算法（MCTS-DEA）相比，本研究方法在挖填方平衡率和平均調(diào)配運(yùn)距上均展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。具體而言，實(shí)現(xiàn)了更高的挖填方平衡率和更短的平均調(diào)配運(yùn)距，這不僅有助于降低運(yùn)輸成本，還減少了施工過(guò)程中的環(huán)境污染。

（3）在環(huán)境破壞程度的評(píng)估上，本研究方法明顯低于MCTS-DEA方案，顯示出優(yōu)越的環(huán)保性能。這表明該算法在減少施工對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響方面更為有效。綜上所述，研究提出的土石方動(dòng)態(tài)調(diào)配算法在實(shí)際施工中展現(xiàn)出了顯著優(yōu)勢(shì)，不僅滿足了施工質(zhì)量要求，還在成本、環(huán)境和效率等多個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化。因此，該方法未來(lái)有望在土石方施工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用和推廣，為提升施工質(zhì)量和效率提供有力支持。

（4）研究的局限性與后續(xù)方向：盡管本研究取得了積極的成果，但尚未將該技術(shù)大規(guī)模地運(yùn)用到其他項(xiàng)目工程的施工中以驗(yàn)證其可移植性。這也是后續(xù)研究需要改進(jìn)和深入探索的方向，以確保該算法在不同環(huán)境和條件下的穩(wěn)定性和適用性。

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