土方机械化施工

子项2.2　土方机械化施工

2.2.1　施工机械及其特点

1）推土机

推土机是土方工程施工的主要机械之一，是在履带式拖拉机上安装推土铲刀等工作装置而成的机械。按铲刀的操纵机构不同，推土机分为索式和液压式两种。索式推土机的铲刀借本身自重切入土中，在硬土中切土深度较小。液压式推土机（图2.17）由于用液压操纵，能使铲刀强制切入土中，切入深度较大。同时，液压式推土机铲刀还可以调整角度，具有更大的灵活性，是目前常用的一种推土机。

图2.17　液压式推土机外形图

推土机操纵灵活，运转方便，所需工作面较小，行驶速度快，易于转移，能爬30°左右的缓坡，因此应用范围较广。适用于开挖一至三类土。多用于挖土深度不大的场地平整，开挖深度不大于1.5m的基坑，回填基坑和沟槽，堆筑高度在1.5m以内的路基、堤坝，平整其他机械卸置的土堆；推送松散的硬土、岩石和冻土，配合铲运机进行助铲；配合挖土机施工，为挖土机清理余土和创造工作面。如两台以上推土机在同一地区作业时，前后距离应大于8.0m，左右距离应大于1.5m。在狭窄道路上行驶时，未征得前机同意，后机不得超越。此外，将铲刀卸下后，还能牵引其他无动力的土方施工机械，如拖式铲运机、松土机、羊足碾等，进行土方其他施工过程的施工。

（1）推土机作业方法

推土机的运距宜在100m以内，效率最高的推运距离为40～60m。为提高生产率，可采用下述方法：

①下坡推土（图2.18）。推土机顺地面坡势沿下坡方向推土，借助机械往下的重力作用，可增大铲刀的切土深度和运土数量，可提高推土机能力和缩短推土时间，一般可提高生产率30%～40%。但坡度不宜大于15°，以免后退时爬坡困难。

②槽形推土（图2.19）。当运距较远、挖土层较厚时，利用已推过的土槽再次推土，可以减少铲刀两侧土的散漏，这样作业可提高效率10%～30%。槽深1m左右为宜，槽间土埂宽约0.5m。在推出多条槽后，再将土埂推入槽内，然后运出。

图2.18　下坡推土法

图2.19　槽形推土

此外，对于推运疏松土壤，且运距较大时，还应在铲刀两侧装置挡板，以增加铲刀前土的体积，减少土向两侧散失。在土层较硬的情况下，则可在铲刀前面装置活动松土齿，当推土机倒退回程时，即可将土翻松。这样，便可减少切土时阻力，从而可以提高切土运行速度。

③并列推土（图2.20）。对于大面积的施工区，可用2或3台推土机并列推土。推土时两铲刀相距15～30cm，这样可以减少土的散失而增大推土量，能提高生产率15%～30%。但平均运距不宜超过50～75m，亦不宜小于20m，且推土机数量不宜超过3台，否则倒车不便，行驶不一致，反而影响生产率的提高。

图2.20　并列推土

④分批集中，一次推送。若运距较远而土质又比较坚硬时，由于切土的深度不大，宜采用多次铲土、分批集中、再一次推送的方法，使铲刀前保持满载，以提高生产率。

（2）推土机的生产率计算

推土机的生产率为：

式中　Q_d———台班生产率，m³／台班；

Q_h———推土机生产率，m³／h；

T_V———从推土开始到将土送到填土地点的延续时间，s；

q———推土机每次推土量，m³；

K_s———土的最初可松性系数，见表1.8参数；

K_B———时间利用系数，取K_B＝0.72～0.75。

2）铲运机

铲运机是一种能够独立完成铲土、运土、卸土、填筑、整平的土方机械，按行走机构可分为拖式铲运机（图2.21）和自行式铲运机（图2.22）两种。拖式铲运机由拖拉机牵引，自行式铲运机的行驶和作业都靠本身的动力设备。

图2.21　拖式铲运机外形图

图2.22　自行式铲运机外形图

铲运机的工作装置是铲斗，铲斗前方有一个能开启的斗门，铲斗前设有切土刀片。切土时，铲斗门打开，铲斗下降，刀片切入土中。铲运机前进时，被切入的土挤入铲斗；铲斗装满土后，提起土斗，放下斗门，将土运至卸土地点。

铲运机对行驶的道路要求较低，操纵灵活，生产率较高。可在一至三类土中直接挖、运土，常用于坡度在20°以内的大面积土方挖、填、平整和压实，大型基坑、沟槽的开挖，路基和堤坝的填筑，不适于砾石层、冻土地带及沼泽地区使用。坚硬土开挖时要用推土机助铲或用松土机配合。

（1）铲运机作业方法

在土方工程中，常用铲运机的铲斗容量为2.5～8m³。自行式铲运机适用于运距为800～3500m的大型土方工程施工，以运距在800～1500m范围内的生产效率最高。拖式铲运机适用于运距为80～800m的土方工程施工，而运距在200～350m时效率最高。如果采用双联铲运或挂大斗铲运时，其运距可增加到1000m。运距越长，生产率越低，因此，在规划铲运机的运行路线时，应力求符合经济运距的要求。为提高生产率，一般采用下述方法：

①合理选择铲运机的开行路线。在场地平整施工中，铲运机的开行路线应根据场地挖、填方区分布的具体情况合理选择，这对提高铲运机的生产率有很大关系。铲运机的开行路线，一般有以下几种：

a.环形路线。当地形起伏不大，施工地段较短时，多采用环形路线，如图2.23（a），（b）所示。环形路线每一循环只完成一次铲土和卸土，挖土和填土交替；挖填之间距离较短时，则可采用大循环路线（图2.23（c）），一个循环能完成多次铲土和卸土，这样可减少铲运机的转弯次数，提高工作效率。

图2.23　铲运机开行路线

b.“8”字形路线。施工地段较长或地形起伏较大时，多采用“8”字形开行路线，如图2.23（d）所示。这种开行路线，铲运机在上下坡时是斜向行驶，受地形坡度限制小；一个循环中两次转弯方向不同，可避免机械行驶时的单侧磨损；一个循环完成两次铲土和卸土，减少了转弯次数及空车行驶距离，从而亦可缩短运行时间，提高生产率。

尚需指出，铲运机应避免在转弯时铲土，否则铲刀受力不均易引起翻车事故。因此，为了充分发挥铲运机的效能，保证能在直线段上铲土并装满土斗，要求铲土区应有足够的最小铲土长度。

②作业方法。为提高铲运机的生产效率，除了合理选择开行路线外，还可根据不同的施工条件，采取不同的施工方法。

a.下坡铲土。铲运机利用地形进行下坡推土，借助铲运机的重力，加深铲斗切土深度，缩短铲土时间。但纵坡不得超过25°，横坡不大于5°，铲运机不能在陡坡上急转弯，以免翻车。

b.跨铲法（图2.24）。铲运机间隔铲土，预留土埂可在间隔铲土时形成一个土槽，减少向外撒土量；铲土埂时，铲土阻力减小。一般土埂高不大于300mm，宽度不大于拖拉机两履带间的净距。

图2.24　跨铲法

1—沟槽；2—土埂；A—铲土宽；B—不大于拖拉机履带净距

c.推土机助铲（图2.25）。地势平坦、土质较坚硬时，可用推土机在铲运机后面顶推，以加大铲刀切土能力，缩短铲土时间，提高生产效率。推土机在助铲的空隙可兼作松土或平整工作，为铲运机创造作业条件。

图2.25　推土机助铲

d.双联铲运法（图2.26）。当拖式铲运机的动力有富裕时，可在拖拉机后面串联两个铲斗进行双联铲运。对坚硬土层，可用双联单铲，即一个土斗铲满后，再铲另一斗土；对松软土层，则可用双联双铲，即两个土斗同时铲土。

图2.26　双联铲运法

e.挂大斗铲运。在土质松软地区，可改挂大型铲土斗，以充分利用拖拉机的牵引力来提高工效。

（2）铲运机的生产率计算

铲运机的生产率可按下式计算：

式中　Q_d———铲运机台班生产率，m³／台班；

Q_h———铲运机生产率，m³／h；

T_c———从挖土开始至卸土完毕的循环延续时间，s；

q———铲斗容量，m³；

K_c———铲斗装土的充盈系数，一般砂土为0.75，其他土为0.85～1.0；

K_s———土的最初可松性系数，见表1.8参数；

K_B———时间利用系数，取K_B＝0.65～0.75。

3）单斗挖土机

单斗挖土机是基坑（槽）土方开挖常用的一种机械。按其行走装置的不同，分为履带式和轮胎式两类。根据工作需要，其工作装置可以更换。依其工作装置的不同，分为正铲、反铲、拉铲和抓铲4种。

（1）正铲挖土机

正铲挖土机的挖土特点是：前进向上，强制切土。它适用于开挖停机面以上的一至三类土，且需与运土汽车配合完成整个挖运任务，其挖掘力大、生产率高。开挖大型基坑时需设坡道，挖土机在坑内作业，因此适宜在土质较好、无地下水的地区工作；当地下水位较高时，应采取降低地下水位的措施，把基坑土疏干。

①正铲挖土机的作业方式。根据挖土机的开挖路线与汽车相对位置不同，其卸土方式有侧向卸土和后方卸土两种。

a.正向挖土，侧向卸土（图2.27（a））。即挖土机沿前进方向挖土，运输车辆停在侧面卸土（可停在停机面上或高于停机面）。此法挖土机卸土时动臂转角小，运输车辆行驶方便，故生产效率高，应用较广。

图2.27　正铲挖土机开挖方式

1—正铲挖土机；2—自卸汽车

b.正向挖土，后方卸土（图2.27（b））。即挖土机沿前进方向挖土，运输车辆停在挖土机后方装土。此法挖土机卸土时动臂转角大、生产率低，运输车辆要倒车进入，一般在基坑窄而深的情况下采用。

②正铲挖土机的工作面。挖土机的工作面是指挖土机在一个停机点进行挖土的工作范围。工作面的形状和尺寸取决于挖土机的性能和卸土方式。根据挖土机作业方式的不同，挖土机的工作面分为侧工作面与正工作面两种。

挖土机侧向卸土方式就构成了侧工作面，根据运输车辆与挖土机的停放标高是否相同又分为高卸侧工作面（车辆停放处高于挖土机停机面）及平卸侧工作面（车辆与挖土机在同一标高）。

挖土机后向卸土方式则形成正工作面，正工作面的形状和尺寸是左右对称的，其中右半部与平卸侧工作面的右半部相同。

③正铲挖土机的开行通道。在正铲挖土机开挖大面积基坑时，必须对挖土机作业时的开行路线和工作面进行设计，确定出开行次序和次数，称为开行通道。当基坑开挖深度较小时，可布置一层开行通道（图2.28），基坑开挖时，挖土机开行三次。第一次开行采用正向挖土、后方卸土的作业方式，为正工作面；挖土机进入基坑要挖坡道，坡道的坡度为1∶8左右。第二三次开行时采用侧方卸土的平侧工作面。

图2.28　正铲一层通道多次开挖基坑

Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ—为通道断面及开挖顺序

当基坑宽度稍大于正工作面的宽度时，为了减少挖土机的开行次数，可采用加宽工作面的办法，挖土机按“之”字形路线开行，如图2.29（a）所示。

图2.29　正铲开挖基坑

当基坑的深度较大时，则开行通道可布置成多层，即为三层通道的布置，如图2.29（b）所示。

（2）反铲挖土机

反铲挖土机的挖土特点是：后退向下，强制切土。其挖掘力比正铲小，能开挖停机面以下的一至三类土（机械传动反铲只宜挖一至二类土），如图2.30所示。不需设置进出口通道，适用于一次开挖深度在4m左右的基坑、基槽、管沟，亦可用于地下水位较高的土方开挖。在深基坑开挖中，依靠止水挡土结构或井点降水，反铲挖土机通过下坡道，采用台阶式接力方式挖土也是常用方法。反铲挖土机可以与自卸汽车配合，装土运走，也可弃土于坑槽附近。

图2.30　反铲挖土机

反铲挖土机的作业方式可分为沟端开挖和沟侧开挖两种，如图2.31所示。

图2.31　反铲挖土机开挖方式

①沟端开挖。挖土机停在基坑（槽）的端部，向后倒退挖土，汽车停在基槽两侧装土。其优点是挖土机停放平稳，装土或甩土时回转角度小，挖土效率高，挖的深度和宽度也较大。基坑较宽时，可多次开行开挖，如图2.32所示。

图2.32　反铲挖土机多次开行挖土

②沟侧开挖。挖土机沿基槽的一侧移动挖土，将土弃于距基槽较远处。沟侧开挖时开挖方向与挖土机移动方向相垂直，所以稳定性较差，而且挖的深度和宽度均较小，一般只在无法采用沟端开挖或挖土不需运走时采用。

（3）拉铲挖土机

拉铲挖土机（图2.33）的土斗用钢丝绳悬挂在挖土机长臂上，挖土时土斗在自重作用下落到地面切入土中。其挖土特点是：后退向下，自重切土；其挖土深度和挖土半径均较大，能开挖停机面以下的一至二类土，但不如反铲动作灵活准确。适用于开挖较深、较大的基坑（槽）、沟渠，挖取水中泥土以及填筑路基、修筑堤坝等。

履带式拉铲挖土机的挖斗容量有0.35m³，0.5m³，1m³，1.5m³，2m³等数种。其最大挖土深度由7.6m（W₃唱30）到16.3m（W₁唱200）。

拉铲挖土机的开挖方式与反铲挖土机的开挖方式相似，可沟侧开挖，也可沟端开挖。

（4）抓铲挖土机

机械传动抓铲挖土机（图2.34）是在挖土机臂端用钢丝绳吊装一个抓斗。其挖土特点是：直上直下，自重切土。其挖掘力较小，能开挖停机面以下的一至二类土。适用于开挖软土地基基坑，特别是其中窄而深的基坑、深槽、深井，采用抓铲效果理想。抓铲还可用于疏通旧有渠道以及挖取水中淤泥等，或用于装卸碎石、矿渣等松散材料。抓铲也有采用液压传动操纵抓斗作业，其挖掘力和精度优于机械传动抓铲挖土机。

图2.33　履带式拉铲挖土机

图2.34　履带式抓铲挖土机

（5）挖土机生产率及机具数量计算

①挖土机生产率计算。单斗挖土机台班生产率可按式（2.30）计算。

式中　Q_d———单斗挖土机台班生产率，m³／台班；

t———挖掘机每次循环作业延续时间，即每挖一斗的时间，s；

q———挖土机斗容量，m³；

K_s———土的最初可松性系数，见表1.8参数；

K_c———土斗的充盈系数，可取0.8～1.1；

K_B———工作时间利用系数，一般取0.6～0.8。

②挖土机需用数量计算。挖土机需用数量N（台），应根据土方量和工期要求按式

（2.31）计算。

式中　N₁———挖土机需用的数量，台；

Q———土方量，m³；

Q_d———挖土机生产率，m³／台班；

T———工期，工作日；

C———每天工作班数；

K_B———时间利用系数，可取0.8～0.9。③运土汽车配备数量计算。运土汽车数量应保证挖土机连续工作，需用自卸汽车台数N₂，按式（2.32）计算。

式中　N₂———运土汽车需要的数量，台；

Q———土方量，m³；

Q₁———自卸汽车生产率，m³／台班。

土方工程除了实现综合机械化施工以外，还应组织流水施工，以充分发挥机械效能，加快施工进度。

4）装载机

装载机是用一个装在专用底盘或拖拉机底盘前端的铲斗，铲装、运输和倾卸物料的铲土运输机械。它利用牵引力和工作装置产生的掘起力进行工作，用于装卸松散物料，并可完成短距离运土。如更换工作装置，还可进行铲土、推土、起重和牵引等多种作业，具有较好的机动灵活性，在工程上得到了广泛使用。

装载机按行走方式分履带式（接地比压低，牵引力大，但行驶速度慢，转移不灵活）和轮胎式（行驶速度快，机动灵活，可在城市道路行驶，使用方便），如图2.35所示；按机身结构分为刚性结构（转弯半径大，但行驶速度快）和铰接结构（转弯半径小，可在狭窄地方工作）；按回转方式分全回转（可在狭窄场地作业，卸料时对机械停放位置无严格要求）、90°回转（可在半圆范围内任意位置卸料，在狭窄场地也可发挥作用）和非回转式（要求作业场地比较宽）；按传动方式分为机械传动（牵引力不能随外载荷变化而自动变化，使用不方便）、液力机械传动（牵引力和车速变化范围大，随着外阻力的增加，车速可自动下降。液力机械传动可减少冲击，减少动荷载，保护机器）和液压传动（可充分利用发动机功率，降低燃油消耗，提高生产率，但车速变化范围窄，车速偏低）。当前，液力机械传动、带铰接车架的大型轮胎式前卸装载机，由于构造不复杂、机动性大、使用可靠，是我国使用最广泛的形式。

单斗装载机的作业过程是：机械驶向料堆，放下动臂，铲斗插入料堆，操纵液压缸使铲斗装满，机械倒车退出，举升动臂到运输高度，机械驶向卸料地点，铲斗倾翻卸料，倒车退出并放下动臂，再驶回装料处进行下一循环。单斗装载机一般常与自卸汽车配合作业，可以有较高的工作效率。

图2.35　单斗装载机

2.2.2　施工机械选择和开挖注意事项

①机械开挖应根据工程地下水位高低、施工机械条件、进度要求等合理地选用施工机械，以充分发挥机械效率，节省机械费用，加快工程进度。一般深度2m以内、基坑不太长时的土方开挖，宜采用推土机或装载机推土和装车；深度在2m以内长度较大的基坑，可用铲运机铲运土或加助铲铲土；对面积大、深的基坑，且有地下水或土的湿度大，基坑深度不大于5m，可采用液压反铲挖掘机在停机面一次开挖；深5m以上，通常采用反铲分层开挖并开坡道运土。如土质好且无地下水也可开沟道，用正铲挖土机下入基坑分层开挖，多采用0.5m³，1.0m³斗容量的液压正铲挖掘。在地下水中挖土可用拉铲或抓铲，效率较高。

②自卸汽车选型。自卸汽车吨位的选择与运量、装载设备种类及道路条件有关。汽车吨位应与装载设备的斗容相匹配。装载设备斗容偏小时，装车时间长，影响汽车效率；斗容过大时，对汽车的冲击力大，装偏后不易调整，对汽车损坏大，一般以3～5斗装满汽车为宜。

③使用大型土方机械在坑下作业，如为软土地基或在雨期施工，进入基坑行走需铺垫钢板或铺路基箱垫道。所以对大型软土基坑，为减少分层挖运土方的复杂性，还可采用“接力挖土法”。

④土方开挖应绘制土方开挖图，确定开挖路线、顺序、范围、基底标高、边坡坡度、排水沟、集水井位置以及挖出的土方堆放地点。绘制土方开挖图应尽可能使机械多挖。

⑤由于大面积基础群基坑底标高不一，机械开挖次序一般采取先整片挖至平均标高，然后再挖个别较深部位。当一次开挖深度超过挖土机最大挖掘高度（5m以上）时，宜分二至三层开挖，并修筑10%～15%坡道，以便挖土及运输车辆进出。

⑥基坑边角部位，即机械开挖不到之处，应用少量人工配合清坡，将松土清至机械作业半径范围内，再用机械掏取运走。人工清土所占比例一般为1.5%～4%，修坡以厘米作限制误差。大基坑宜另配一台推土机清土、送土、运土。

⑦挖土机、运土汽车进出基坑的运输道路，应尽量利用基础一侧或两侧相邻的基础以后需开挖的部位，使它互相贯通作为车道，或利用提前挖除土方后的地下设施部位作为相邻的几个基坑开挖地下运输通道，以减少挖土量。

⑧由于机械挖土对土的扰动较大，且不能准确地将地基抄平，容易出现超挖现象。所以要求施工中机械挖土只能挖至基底以上20～30cm，其余20～30cm的土方采用人工或其他方法挖除。