铁路施工组织与管理

课程名称：铁路施工组织与管理

设计题目：新线铁路土石方工程施工组织设计 院 系： 专 业：年 级： 姓 名： 指导教师：

西南交通大学峨眉校区

课程设计任务书

一、设计题目：新线铁路土石方工程施工组织设计

╳工程施工队承担贵广新线铁路临时轨排基地的土石方工程任务，（其中包括基地面积为长300m宽90m的广场；基地两侧沿线路外伸350m的路基土石方工程）。基地初步标高按线路设计标高取平均值；泄水坡为单向坡i=3‟；土方边坡挖方为1:1.25，填方为1:1.5。

原始资料为 贵广 线 DK117+200 至 DK118+200 段设计平面图及纵断面图各一份，线路为一级单线。

二、施工条件：

1． 2． 3．

三、设计内容

1． 2． 3． 4．

计算基地及基地两侧路基土方工程量； 确定土方调配方案，选择施工方法； 选择施工机械，确定施工机械走行路线； 计算施工工期；布置现场平面图。 计算所需的施工机具均按需配备供应； 所需劳力全部满足要求；

施工在非雨季进行，月平均气温为20oC。

四、设计成果及要求：

1． 2． 3．

编写课程设计说明书，（约8000字） 绘制现场平面布置图1张（2#图纸） 绘制路基横断面图（比例： 1:200）

1.工程量的计算 1.1基地土方量的计算 1.1.1 角点高程H地计算

在平面图上找出接近线路较为平坦的场地(300m×90m),布置方格网,（边长取30m），形成30个方格。在平面图上找出每个方格角点的高程。

1.1.2 基地初步设计高程

H0

的计算

根据线路起点高程768.5m，中点高程780.8m，终点775.2m

H0=

H1+H2+H3

=774.83m

3

Hn

1.1.3基地设计高程

Hn=H0±l⋅i

则有:

H12=H13=H14=H15=H16=H17=H18=H19=H20=H21=H22=774.83+60⨯0.3%=775.01m

H23=H24=H25=H26=H27=H28=H29=H30=H31=H32=H33=774.83+30⨯0.3%=774.92m

H34=H35=H36=H37=H38=H39=H40=H41=H42=H43=H44=774.83m

则计算出其他各角点的设计标高，结果见表2。

表2：基地设计高程

1.1.4 各角点的施工高度hn计算（以“+”表示填方，“-”表示挖方，下同）

h1=Hn-H地

表3：施工高度

则各角点的施工高度结果见表3。

1.1.5 确定“零线”

由于施工的方格中，一部分的施工高度为“+”，而另一部分的施工高度为“-”则此方格的土方必然为一部分为填方，一部分为挖方。填挖方的边界线即为零线。

1.1.6方格网土方量计算 1） 全填（或全挖）方格

a2

V=(h1+h2+h12+h13)

4

所以有：

V1-1

302=⨯(0.2+1.3+6.71+6.31)=3267m3(+) 43023=⨯(1.3+1.6+6.31+5.81)=3379.5m（+） 4

V1-2

V1-3

3023

=⨯(1.6+0.6+5.81+1.31)=2097m（+）

43023

=⨯(0.6+2.2+1.31+0.81)=1107m（+）

43023

=⨯(6.71+6.31+10.72+5.12)=6493.5m（+）

43023=⨯(6.31+5.81+5.12+4.42)=4873.5m（+）43023=⨯(5.81+1.31+4.42+1.52)=2938.5m（+） 43023=⨯(10.72+5.12+6.33+5.33)=6187.5m（+）43023=⨯(5.12+4.42+5.331.23)=3622.5m（+） 43023=⨯(1.89+2.69+3.28+4.08)=2686.5m（-） 43023=⨯(2.69+3.09+4.08+4.98)=3339m（-） 43023=⨯(3.09+2.79+4.98+5.48)=3676.5m（-） 43023=⨯(2.79+1.89+5.48+4.18)=3226.5m（-） 43023=⨯(1.89+0.29+4.18+0.58)=1561.5m（-） 43023=⨯(1.98+3.28+3.87+5.97)=3397.5m（-）43023=⨯(3.28+4.08+5.97+6.17)=4387.5m（-） 43023=⨯(4.08+4.98+6.17+10.47）=5782.5m（-） 4

V1-4

V2-1

V2-2

V2-3

V3-1

V3-2

V2-6

V2-7

V2-8

V2-9

V2-10

V3-5

V3-6

V3-7

V3-8

3023

=⨯(4.98+5.48+10.47+10.97)=7177.5m（-）

43023

=⨯(5.48+4.18+10.97+5.97)=5985m（-）

43023

=⨯(4.18+0.58+5.97+0.37)=2497.5m（-）

4

V3-9

V3-10

2）两挖两填方格：

2

⎫h2a2⎛h12

⎪⨯ +挖方部分土方量： V挖= ⎪4⎝h1+h4h2+h3⎭2

h32⎫a2⎛h4

⎪ ⨯ +填方部分土方量： V填= 4⎝h1+h4h2+h3⎪⎭

由公式可得：

V

(-)

1-6

302⎛1.8922.692⎫3

⎪=⨯ +=197.25m(-) ⎪4⎝1.89+9.62.69+10.1⎭302⎛9.6210.12⎫3⎪=⨯ +=3599.25m(+) ⎪4 1.89+9.62.69+10.1⎝⎭302⎛2.6923.092⎫3⎪=⨯ +=406.66m(-) ⎪4⎝2.69+10.13.09+4.6⎭302⎛10.124.62⎫3⎪=⨯ +=2413.66m(+) ⎪4 2.69+10.13.09+4.6⎝⎭302⎛1.8920.292⎫3⎪=⨯ +=220.15m(-) ⎪4⎝1.89+1.80.29+7.8⎭302⎛1.827.82⎫3⎪=⨯ +=1889.65m(+) ⎪4 1.89+1.80.29+7.8⎝⎭

2

⎛⎫h4 (h+h)(h+h)⎪⎪

434⎭⎝1

V

(+)

1-6

V

(-)1-7

V

(+)1-7

V

(-)1-10

V

(+)1-10

3）三填一挖或三挖一填方格：

a2

V4=

6

V1,2,3

a2=⨯(2h1+h2+2h3-h4)+V4 6

由公式计算得：

V

(-)1-5

302=6

⎛⎫1.8923 ⎪=17.27m(-) (9.6+1.89)(0.81+1.89)⎪⎝⎭

V

(+)

1-5

302=⨯(2⨯9.6+2.2+2⨯0.81-1.89)+17.27=3186.77m3(+) 6302=6

⎛⎫4.623 ⎪=71.16m(+) (1.2+4.6)(3.09+4.6)⎪⎝⎭

V

(+)

1-8

V

(-)1-8

302=⨯(2⨯1.2+2.79+2⨯3.09-4.6)+71.16=1086.66m3(-) 6302=6

⎛⎫1.823 ⎪=43.90m(+) (1.2+1.8)(1.89+1.8)⎪⎝⎭

V

(+)

1-9

V

(-)1-9

302=⨯(2⨯1.2+2.79+2⨯1.89-1.8)+43.90=1119.4m3(-) 6302=6

⎛⎫1.9823 ⎪=60.22m(-) (0.81+1.98)(1.52+1.89)⎪⎝⎭

V

(-)

2-4

V

(+)2-4

302=⨯(2⨯0.81+1.31+2⨯1.52-1.98)+60.22=658.72m3(+) 6302=6

⎛⎫0.8123 ⎪=13.06m(+) (1.89+0.81)(1.98+0.81)⎪⎝⎭

V

(+)

2-5

V

(-)2-5

302=⨯(2⨯1.89+3.28+2⨯1.98-0.81)+13.06=1544.56m3(-) 6302=6

⎛⎫1.3723 ⎪=37.47m(-) (1.52+1.37)(1.23+1.37)⎪⎝⎭

V

(-)

3-3

V

(+)3-3

302=⨯(2⨯1.52+4.42+2⨯1.23-1.37)+37.47=1319.97m3(+) 6302=6

⎛⎫1.5223 (1.98+1.52)(1.37+1.52)⎪⎪=34.26m(+) ⎝⎭

V

(+)

3-4

V

(-)3-4

302=⨯(2⨯1.98+3.87+2⨯1.37-1.52)+34.26=1391.76m3(-) 6

4）计算结果汇总得到：

V填=∑VT'=47196.4m3(+) V挖=∑VW'=49798.9m3(-）

1.1.7 方格网边坡土方量的计算

V1=

11⎛1⎫

Fl=⨯ ⨯0.2⨯0.3⎪⨯233.793=2.34m3(+) 33⎝2⎭11⎛1⎫

Fl=⨯ ⨯1.2⨯1.5⎪⨯6.207=1.86m3(-) 33⎝2⎭11⎛1⎫

Fl=⨯ ⨯1.2⨯1.5⎪⨯12=3.6m3(-) 33⎝2⎭11⎛1⎫

Fl=⨯ ⨯7.8⨯11.7⎪⨯48=730.08m3(+) 33⎝2⎭

11⎛1⎫

Fl=⨯ ⨯7.8⨯11.7⎪⨯7.8=118.64m3(+) 33⎝2⎭

V2=

V3=

V4=

V5=V6=

V7=

11⎛1⎫

Fl=⨯ ⨯7.8⨯11.7⎪⨯29.144=443.28m3(+) 33⎝2⎭11⎛1⎫

Fl=⨯ ⨯0.37⨯0.4625⎪⨯60.856=1.74m3(-) 33⎝2⎭

11⎛1⎫

Fl=⨯ ⨯0.37⨯0.4625⎪⨯0.37=0.01m3(-) 33⎝2⎭

V8=

V9=V10=

V11=

11⎛1⎫

Fl=⨯ ⨯0.37⨯0.4625⎪⨯225.808=6.44m3(-) 33⎝2⎭

V12=

11⎛1⎫

Fl=⨯ ⨯6.33⨯9.495⎪⨯74.192=743.20m3(+) 33⎝2⎭

11⎛1⎫

Fl=⨯ ⨯6.33⨯9.495⎪⨯6.33=63.41m3(+) 33⎝2⎭

V13=V14=

V15=

11⎛11⎫

(F1+F2)l=⨯ ⨯0.2⨯0.3+⨯9.495⨯6.33⎪⨯90=1353.68m3(+) 22⎝22⎭

11⎛1⎫

Fl=⨯ ⨯0.2⨯0.3⎪⨯0.2=0.002m3(+) 33⎝2⎭

V16=V17=

则有:

∑V

W'

=13.66m3(-) ∑VT'=3636.684m3(+)

1.1.8 基地总土方量计算

∑V∑V

W

=49798.9+13.66=49812.56m3 =47196.4+3636.684=50833.084m3

T

1.2路基土石方量计算

已知线路为一级单线，从《路基规范》中查得，一级单线路基面宽度：路堑为7.1m，路堤为7.5m，路基顶面标高由纵断面图相应中心点求得，路基土石方的采用平均断面法求，每50m画一个横断面，然后在CAD里面读出各断面的面积，用下面的公式即可求得。

∑V=

A+A3A+AnA1+A2

⨯L1+2⨯L2+......+n-1⨯Ln-1 222

式中：A1 A2A3„„An 每个断面面积；

L1 L2L3„„Ln-1 两相邻断面间距离。

根据横断面面积，采用平均面积法计算土石方工程量，填入表中

路基土石方量 单位：m3

2. 确定土方调配方案 2.1 区间路基土石方调配

经济运距计算公式为：

设路堑1m3的挖土，纵向运送L距离到路堤的费用为Am，则 Am=A+bL

A:挖1m3土并装到运送工具上的费用； b：1m3土运送1m距离的费用。

如果上述路堑挖方不纵向运至路堤，而运往弃土堆，路堤就由取土坑取土，横向运至路堤的费用则为An

An=（A+bL弃）+（A+bL取） L弃：挖土运至弃土堆的距离；

L取：取土坑运至路堤的距离。

当满足Am≤An时，L值即为经济，即

A+bL≤（A+bL弃）+（A+bL取） L≤A/b+(L弃+L取）

查《铁路工程概预算定额》第一册《路基工程》（2010年）路基土方定额：LY-5挖掘机挖土装车≤1m3挖掘机普通土，挖1m3土并装到运送工具上的费用为1.5964元，即

A=1.5964；LY-150 自卸汽车运土≤20t自卸汽车运距≤1km，运1m3土1000m需要

4.2273元，则b=4.2273元。

根据地形条件取L取=100m，L弃=100m，那么

L≤A/b+(L弃+L取）=1.1295÷0.0041763+（100+100）=470m

区间土石方调配，采用表上作业法，见下表。

2.2 基地土石方调配 2.2.1 求各区段重心

取场地或方格网中，纵、横两边为坐标轴，挖填区如图2所示，分别求出各区间的土方重心的位置，即：

V∙xV∙y即X= Y=VV

X、Y：挖方或填方调配区的重心坐标； V：每个方格的土方量； x、y：每个方格的重心坐标。

为了减少计算量，运用CAD的查询功能得出挖方或填方区重心坐标，即： T1:(568.2373 -97.8380);T2:(624.5304 -90.8265) T3:(703.8344 -64.8953);T4:(820.2245 -62.5111) W1:(643.5944 -126.8856);W2:(89.3083 -110.9107) W3:(749.9246 -104.3026);W4:(806.2135 -103.8023) 2.2.2 求填、取土区间之间的平均运距

L=(XT-XW)2+(YT-YW)2

其中：XT、YT：填方区的重心坐标 Xw、Yw：挖方区的重心坐标

由此计算出挖方、填方区间的距离为 (为方便计算，距离取整数)：

LW1-T1=

(568.2373-643.5944)2+(-97.8380+126.8856)2=81m

同样的可以得到剩余的平均运距， 列表如下：

2.2.3 表上作业法进行最优土方调配

2.2.3.1根据图1.3及上面求出的运距编制土方调配表

m

n

目标函数：

minZ=∑∑Cij∙Xij

i=1j=1

m

（

Cij

为每对调配区运距）

约束条件：

∑X

i=1

m

ij

=ai;∑Xij=bj.

j=1

初始调配方案的目标函数为：

S=1071⨯41+12433⨯479+12551⨯182+9284⨯61+5066⨯238+7084⨯182+3344⨯44=11492056(m3-m)

2.2.3.3 调配方案最优化检验

尽量方案以“最小元素法”调配原则编制，各目标函数是较小，但不能确定为最小，所以要进行检。检验采用假想运距法，此法较为简便。假想运距是假设方案最优时的虚拟运距。在假想运距条件下，方案任意调整。若原运距均大于或等于其对应的假想运距，则目标函数不能再降低，即方案为最优。如果原运距小于其对应的假想运距，则目标函数值还可以降低，即方案不是最优。

假想运距法的编制方法:先将有解（X≠0）的方格运距填入表中，（表中有影格线）。然后按矩形对角线上运距之和两两相等规律，从适当的方格开始，逐一求出无解（即X=0表中方格画有X）方格的假想运距，即得假想运距表。

用原运距减去假想运距来检验表，表中出现负值，说明方案不是最优的，需进行调整。

2.2.3.4 方案调整

调整方案的目的是降低目标函数值，调整时应重新平衡。

调整采用“闭回路法”，从负值（X11，X43）出发，沿竖直方向前进，遇到适当的有解（X≠0）方格作90度转弯，然后依次前进，转回到出发点，形成闭回路。

在闭合回路上，将其最大运距的有解方格变为零，其有解值转入X11，X43负值格，并调整其他值，使其约束条件不变。

调整后的新调配方案见下表，对新的调配方案再求出新的调整运距表，用前边方法再去检验，直至找出最优方案为止。

新方案经检验，均为大于0，故新方案最优，其目标函数为：

minS=271⨯81+500⨯86+300⨯180+12433⨯479+14723⨯182+5440⨯61+1672⨯82+2623⨯238+8155⨯182+3344⨯110+1372⨯44=11759580(m3-m)

2.2.3.5 绘出基地土方调配图

3. 施工方法选择

该工程土石方工程量大、战线长、劳动强度大、质量要求高，因此优先采用机械化施工方法，在工程量小且施工条件限制而不宜采用机械化施工的工点，采用人力配合小型机具施工方法。

4. 机械化施工及施工机械的选择

根据站场的土石方量和机械工作限额表，本应该选择铲运机施工，但由于地形条件的限制还是宜采用挖土机施工并配合自卸汽车进行运输，并配备其他机械压实。其中挖土机为6台，规格为1立方米，W1区布置1台，W2区布置3台，W3区布置5台，W4去布置3台。4t自卸车，三个挖区分别作业，采用两班制作业。 4.1 计算挖土机的生产率

K8⨯36008⨯36000.9⋅q⋅c⋅KB=⨯1⨯⨯0.85=478.96(m3/台班)tKs401.15

P=

式中：P —挖土机生产率（m3/台班）

q — 挖土坑斗容量 (m3)，本设计取1m3；

Kc—土斗的充盈系数(0.8~1.1)，本设计取0.9； Ks—土的最初可松系数，本设计取1.15；

KB—工作时间利用系数(0.7~0.9)，本设计取0.85；

t—挖土机每次作业循环延续时间(s)一般为25—40s，本设计取40s。 4.2 运输车辆配套计算：

对W1区：

运土车辆的数量N1，应保证挖土机连续作业，可按下式计算

N1=T1/t1

式中：T —运土车辆每一工作循环延续时间（min）

t1 —运土车辆每次装车时间（min）. n —运土车辆每车装土次数。n=

Q1

cq⋅⋅rKs

;

;

Q— 运土车辆的载重量(吨) ，本设计取4t； r — 实土容重(吨/m3)，一般取1.7吨/m3； l—运土距离(m)；

Vc—重车与空车的平均速度(m/min)，一般取20km/h； t2— 卸土时间 (一般取1min)；

t3—操纵时间 (一般取2—3min)； 取Vc=20km/h,t2=1min,t3=3min,则： n=

Q14

==（次）3 c⨯1.7q⋅⋅r1⨯1.15Ks

t1=n⋅t=3⨯40=120s=2min l1=

271⨯81+500⨯86+300⨯180

=111m

1071

T1=t1+由此可得:

2l2⨯0.111⨯60+t2+t3=2++1+3=6.666min Vc20

W1区需要的运土车辆数N1=T1/t1=

6.666

=4辆 2

同理求出W2、W3所需的运土车辆数： 对W2区：

l2=479mT2=t1+

2l22⨯0.479⨯60+t2+t3=2++1+3=8.874min Vc20

W2区需要的运土车辆数N2=T2/t1=

对W3区： 运距l3= T3=t1+

8.874

=5辆 2

14723⨯182+5440⨯61+1672⨯82

=144m

21835

2l32⨯0.144⨯60+t2+t3=2++1+3=6.864min Vc20

W3区需要的运土车辆数N3=T3/t1=对W4区： 运距l4= T4=t1+

6.864

=4辆 2

2623⨯238+8155⨯182+3344⨯110+1372⨯44

=164m

15494

2l42⨯0.164⨯60+t2+t3=2++1+3=6.984min Vc20

W4区需要的运土车辆数N4=T4/t1=5.施工工期的计算

5.1 土石方集中地段的工期计算：

T=

W

P⋅C⋅N

6.984

=4辆 2

计算公式为:

式中：T: 工期(工作日)； W:总施工土方量；

P：挖土机生产率（m/台班）； C: 每天工作班数。

W1区：

3

W2区： W3

区： W4区：

T1=

W11071

==1.1d(取1.5d完成)

P⋅C⋅N478.96⨯2⨯1

T2=

W212433

==4.3d(取4.5d完成)

P⋅C⋅N478.96⨯2⨯3

T3=

W321835

==4.6d(取5d完成)

P⋅C⋅N478.96⨯2⨯5

T4=

W415494

==5.4d(取5.5d完成)

P⋅C⋅N478.96⨯2⨯3

总工期取大的，即T=5.5d 5.2 施工工期的总体要求

路基土石方工程在每一施工区段准备工作完成后或进展到一定程度即可开工，也可与小桥，涵洞同时开工，但其竣工应落后于桥涵工程，并必须在正线铺轨前半月完成。本区段内无桥梁、隧道工程，施工工期(5.5d)经验算能满足在正线铺轨前半月完成，故路基土石方施工工期满足要求，方案可行。