AutoCAD Civil 3D在山區(qū)高速公路臨建場(chǎng)地施工中的應(yīng)用

魏江東，鄒家勇

（中交一公局第四工程有限公司，廣西 南寧530000）

0 引言

隨著企業(yè)對(duì)BIM等高新信息技術(shù)在施工和管理中的應(yīng)用和重視，利用三維可視化、智能集成化的軟件解決工程施工技術(shù)難題是每個(gè)工程技術(shù)人員必須掌握的技能。本文以貴州劍河至榕江高速公路第14合同段炸藥庫的場(chǎng)地施工為依托，介紹了AutoCAD Civil 3D在山區(qū)高速公路臨建場(chǎng)地施工中的具體應(yīng)用過程。

1 工程簡(jiǎn)介

貴州省劍河至榕江高速公路第14合同段，起止樁號(hào)為K101＋150～K109＋889，路線全長(zhǎng)8．74km，主要結(jié)構(gòu)有橋梁6座，隧道3座，路基2．7km，蓋板涵12座，橋隧比為70%。路線沿榕江縣西側(cè)群山山腰而過，高于榕江盆地40～100m，北低南高。項(xiàng)目所處地形以山嶺重丘為主，河谷形態(tài)為“U”字型，植被發(fā)育。項(xiàng)目橋隧比大，高墩橋梁、高填深挖路基、深埋隧道分布，施工難度大（如圖1所示）。

圖1 項(xiàng)目平面圖

2 炸藥庫規(guī)劃選址

公路途經(jīng)區(qū)域土石分布不均，局部基巖裸露。路塹開挖、橋樁挖孔及隧道掘進(jìn)需采用爆破技術(shù)，項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè)一座20t炸藥庫，以保證項(xiàng)目正常作業(yè)需求。

根據(jù)地方民爆公司要求，建設(shè)20t炸藥庫需≥5 000m2場(chǎng)地。炸藥庫位置經(jīng)過多方調(diào)查比選確定，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形，確定采用100m×50m的矩形進(jìn)行控制規(guī)劃。該炸藥庫位置遠(yuǎn)離高速路線及村落城鎮(zhèn)2km外，三面環(huán)山，靠近公路；山體土質(zhì)為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化巖石，山體發(fā)育良好，未發(fā)生過滑坡、坍塌等自然災(zāi)害，谷間無地表水匯集，地勢(shì)較高。

炸藥庫規(guī)劃于三面環(huán)山溝谷中，可用長(zhǎng)度約110m，寬度約20～30m。要達(dá)到100m×50m的平地要求，需要對(duì)周邊山體進(jìn)行刷坡開挖。為避免借土和棄土，考慮以挖作填，抬高地面，最終與規(guī)劃尺寸吻合。如何在填挖平衡下確定場(chǎng)地標(biāo)高和兩側(cè)開挖范圍，是該炸藥庫場(chǎng)地規(guī)劃施工的難點(diǎn)。如用傳統(tǒng)的土方斷面計(jì)算法，在缺乏地形圖情況下，處理該類問題將非常繁瑣，而高效確定土方平衡和土地征用范圍是本工程應(yīng)用AutoCAD Civil 3D軟件的基本出發(fā)點(diǎn)。

3 AutoCAD Civil 3D應(yīng)用

3．1 AutoCAD Civil 3D簡(jiǎn)介

AutoCAD Civil 3D軟件是 Autodesk公司為基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)推出的一款適用于多領(lǐng)域、一體化、智能化的三維設(shè)計(jì)軟件，廣泛適用于勘察測(cè)繪、地形地貌、巖土工程、道路交通、水利水電、地下管網(wǎng)、土地規(guī)劃等領(lǐng)域。AutoCAD Civil 3D比較適用于較低等級(jí)道路設(shè)計(jì)及出圖，其三維動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及自動(dòng)智能計(jì)算功能在山區(qū)場(chǎng)地規(guī)劃應(yīng)用中更為直觀、高效。

3．2 地形圖獲取

由于該炸藥庫選址在高速公路設(shè)計(jì)地形圖之外，無現(xiàn)成地形圖，故地形圖的準(zhǔn)確獲取是關(guān)鍵。線外地形圖的獲取途徑有：（1）傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)采樣方式，易受人為因素干擾，導(dǎo)致某些特征點(diǎn)易忽略，造成精度降低，尤其在環(huán)境復(fù)雜、儀器信號(hào)差等區(qū)域，宜盡量不采用，人工補(bǔ)充測(cè)點(diǎn)應(yīng)作為輔助方式；（2）網(wǎng)絡(luò)上民用衛(wèi)星地圖最大可輸出10m等高線地形圖（1∶10 000），由于是平均等高線，局部實(shí)際地形地貌識(shí)別度差、精度低，無法滿足小范圍地塊的具體使用要求；（3）公司引進(jìn)的傾斜攝影系統(tǒng)可建立三維模型、還原真實(shí)世界、輸出高精度地形圖（1∶500），系統(tǒng)由無人機(jī)及專用軟件組成，需要專業(yè)人員處理，更適合在重點(diǎn)區(qū)域應(yīng)用；（4）土地征用需地方政府土地部門參與，經(jīng)許可利用土地部門5m等高線衛(wèi)星地形圖（1∶5 000），與民用衛(wèi)星地圖地物地貌對(duì)比吻合后，在CAD中調(diào)整為與設(shè)計(jì)路線一致的坐標(biāo)系統(tǒng)，視實(shí)際地標(biāo)做一定修正，可滿足施工放樣精度要求（見圖2、圖3）。

圖2 等高線地形圖

圖3 處理后同坐標(biāo)系地形圖

3．3 曲面

曲面的建立是利用AutoCAD Civil 3D進(jìn)行三維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，通過地形圖中的地形點(diǎn)、等高線、特征線等構(gòu)成三角網(wǎng)，在排除奇異點(diǎn)后，形成起伏的地形曲面，場(chǎng)地的挖填及標(biāo)高控制均以建立的三維曲面為基礎(chǔ)進(jìn)行布爾運(yùn)算。曲面的建立過程，就是通過添加曲面，定義組成曲面的點(diǎn)、等高線和特征線。本工程曲面特征線是公路兩邊線，也是地形圖實(shí)際修正的控制線。曲面的顯示方式有很多種，簡(jiǎn)要列舉如圖4所示：

圖4 曲面效果圖

3．4 場(chǎng)地邊界設(shè)置

本炸藥庫場(chǎng)地規(guī)劃尺寸為100m×50m矩形，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形，需要進(jìn)行兩側(cè)山體開挖、中間谷地回填，要求場(chǎng)地兩側(cè)的開挖高度大致均衡，避免一側(cè)深挖；谷地填方區(qū)需要預(yù)留空間，確保場(chǎng)地進(jìn)出口與公路的順接，并滿足通道縱坡要求。

3．5 放坡工具的應(yīng)用

放坡工具是利用AutoCAD Civil 3D進(jìn)行場(chǎng)地設(shè)計(jì)的主要工具。放坡的操作流程是：調(diào)出放坡創(chuàng)建工具→創(chuàng)建放坡組→選擇標(biāo)準(zhǔn)集→創(chuàng)建放坡→創(chuàng)建要素線→選擇放坡邊→應(yīng)用到整個(gè)長(zhǎng)度→設(shè)置挖填方坡率→創(chuàng)建填充→步驟完成，形成基于原地面曲面的挖填放坡曲面，非常簡(jiǎn)捷。其中標(biāo)準(zhǔn)集是軟件中國本地化包已設(shè)置完善的規(guī)則，可以直接使用，而設(shè)置挖方坡率和填方坡率，可使用“曲面－挖填坡度”，也可單獨(dú)設(shè)置（見圖5）。

圖5 放坡創(chuàng)建及效果圖

3．6 土石平衡調(diào)整

利用放坡工具創(chuàng)建出場(chǎng)地后，即可利用放坡體積工具初步進(jìn)行土石平衡，通過設(shè)置土石平衡量，軟件自動(dòng)對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行抬高或降低；放坡體積工具進(jìn)行土石平衡是基于挖方和填方系數(shù)均為1的情況下進(jìn)行的。在實(shí)際施工中要考慮挖方松方系數(shù)和填方壓實(shí)系數(shù)的影響。具體調(diào)整方案是：先利用放坡體積工具對(duì)挖方和填方系數(shù)均為1的情況進(jìn)行土石平衡，再利用體積面板調(diào)整挖方和填方施工系數(shù)，通過放坡體積工具的場(chǎng)地抬高或降低試算，最終以反映在體積面板中的凈值作為施工土石平衡控制的依據(jù)。本工程山體土質(zhì)為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化巖石，密實(shí)性好，設(shè)置挖方系數(shù)為1．2，填方系數(shù)為1．03（如圖6～8所示）。

需要說明的是，利用AutoCAD Civil 3D軟件進(jìn)行多級(jí)挖填放坡是有困難的。在實(shí)際應(yīng)用中，通過坡率反算平面距離確定邊坡平臺(tái)，估算一級(jí)以上實(shí)際挖填方量，相應(yīng)征地邊界向外平移。雖然一級(jí)以上實(shí)際挖填方量是估算的，但征地邊界不受影響。

圖6 初步土石平衡圖（自然體積）

圖7 調(diào)整后土石平衡圖（自然體積）

圖8 體積面板實(shí)際土石平衡圖（施工體積）

3．7 用地邊界確定

由于軟件在多級(jí)放坡方面的功能欠缺，導(dǎo)致實(shí)際施工中多級(jí)邊坡開挖征地線需要手動(dòng)向外調(diào)節(jié)平臺(tái)距離。征地邊界在設(shè)計(jì)平面預(yù)留平臺(tái)空間，導(dǎo)出坐標(biāo)點(diǎn)位即可用于現(xiàn)場(chǎng)用地放樣（如圖9所示）。

圖9 炸藥庫出圖示例及最終成果圖

4 炸藥庫施工

4．1 臨時(shí)用地

山區(qū)土地征用是一項(xiàng)難度很大的工作，在林木植被覆蓋茂密的地區(qū)，GPS信號(hào)虛弱，放樣困難，加之地形險(xiǎn)峻，需要先開路后放樣。本項(xiàng)目采用紅色塑料絲帶沿兩側(cè)放樣樁點(diǎn)延伸出用地帶狀范圍，在經(jīng)村民現(xiàn)場(chǎng)識(shí)別后，一方面作為臨建場(chǎng)地用地征用邊界，一方面作為場(chǎng)地開挖的指導(dǎo)線，作用良好。

4．2 邊坡開挖

邊坡開挖采用挖掘機(jī)沿坡面上山，根據(jù)邊界絲帶，從上至下進(jìn)行開挖，邊開挖邊刷坡，一次成型，土石方于坡腳傾填堆積。兩側(cè)山體可同時(shí)進(jìn)行開挖，也可一次開挖成型后，再開挖另一側(cè)。

4．3 場(chǎng)地回填

場(chǎng)地回填前，需進(jìn)行填前處理，對(duì)草皮、枯枝等進(jìn)行清理，并碾壓。場(chǎng)地回填早期填筑范圍小時(shí)采用推土機(jī)進(jìn)行運(yùn)土、推平，壓路機(jī)跟進(jìn)分層碾壓；在中后期填筑范圍大時(shí)，同時(shí)投入挖掘機(jī)和自卸汽車進(jìn)行裝土、運(yùn)土，推土機(jī)整平，壓路機(jī)分層碾壓。回填前處理壓實(shí)度≥90%，場(chǎng)地分層壓實(shí)度≥94%，以確保炸藥庫在運(yùn)營過程中不沉降，避免結(jié)構(gòu)坍塌造成爆炸事故。

5 結(jié)語

隨著BIM信息技術(shù)的快速發(fā)展，利用軟件的三維可視化技術(shù)結(jié)合動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)理念去解決工程問題便易如反掌。只要地形圖足夠精確，AutoCAD Civil 3D軟件可用于取棄土場(chǎng)規(guī)劃、隧道洞口規(guī)劃、臨建場(chǎng)地規(guī)劃等，在便捷易用的基礎(chǔ)上，極大地減少了測(cè)量及方案編制人員的工作量，節(jié)約了時(shí)間與成本。