1.3.3 基坑土方机械施工

土方机械化开挖应根据工程结构形式、工程规模、开挖深度、地质条件、气候条件、地下水情况、土方量、运距、周围环境、施工工期和地面荷载等有关资料，确定土方开挖方案并合理选择挖土机械，以充分发挥机械效率，节省机械费用，加速工程进度。基坑（槽）及管沟开挖方案的内容主要包括：确定支护结构的龄期，选择挖土机械，确定开挖时间、分层开挖深度及开挖顺序、坡道位置和车辆进出场道路，合理安排施工进度和劳动组织，制订监测方案、质量和安全措施，以及制订土方开挖对周围建筑物和构筑物需采取的保护措施等。土方开挖常采用的挖土机械有推土机、铲运机、挖掘机、装载机等。

1．主要挖土机械及其施工

在一般情况下，开挖深度较小的大面积基坑，宜采用推土机或装载机推土、装土，用自卸汽车运土；对长度和宽度均较大的大面积土方一次开挖，可用铲运机铲土、运土、卸土、填筑作业；对面积较深的基坑（槽）多采用0.5m3或1.0m3斗容量的液压正铲挖掘机，上层土方也可用铲运机或推土机进行；如操作面狭窄，且有地下水，土体湿度大，可采用液压反铲挖掘机挖土，自卸汽车运土；在地下水中挖土，可用拉铲，效率较高；对地下水位较深，采取不排水时，也可分层用不同机械开挖，先用正铲挖掘机挖地下水位以上土方，再用拉铲或反铲挖地下水位以下土方，用自卸汽车将土方运出。在土木工程施工中，尤以推土机、铲运机和挖掘机应用最广，最具代表性。现将这几种类型机械的性能、适用范围及施工方法予以介绍。

（1）推土机施工

推土机（如图1-36所示）由动力机械和工作部件两部分组成，其动力机械是拖拉机，工作部件是安装在动力机械前面的推土铲。推土机的行走方式有轮胎式和履带式两种，按铲刀的操纵方式的不同，可分为索式（自重切土）和液压式（强制切土）两种。索式推土机的铲刀借助本身自重切入土中，在硬土中切土深度较小；液压式推土机采用油压操纵，能使铲刀强制切入土中，其切入深度较大。同时，液压式推土机铲刀还可以调整角度，具有较大的灵活性，是目前常用的一种推土机。

推土机的特点是构造简单，操纵灵活，运转方便，所需工作面较小，功率较大，行驶速度快，易于转移，能爬30°的缓坡。推土机适用范围：挖土深度不大的场地平整，铲除腐殖土并运送到附近的弃土区；开挖深度不大于1.5m的基坑；回填基坑和沟槽；堆筑高度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。此外，将铲刀卸下后，推土机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。推土机的经济运距宜在100m以内，当推运距离为40～60m时，工作效能最高。

推土机的生产率主要决定于推土板推移土的体积及切土、推土、回程等工作的循环时间。切土时应根据土质情况，尽量采用最大切土深度在最短距离内完成，以便缩短低速行进的时间，然后直接将土推运到预定地点。上下坡坡度小于35°，横坡小于10°。

为了提高推土机的生产率，可采取下坡推土法、槽形推土法、并列推土法以及分批集中、一次推送法等，还可在推土板两侧附加侧板，以增加推土体积，当两台以上推土机在同一区域作业时，两机前后距离不得小于8m，平行时左右距离不得小于1.5m。

①下坡推土法（如图1-37所示）。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%。但推土坡度应在15°以内，以免后退时爬坡困难。下坡推土法也可与其他推土法结合使用。

②槽形推土法［如图1-38（a）所示］。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失，也可以增加10%～30%的推运土量。槽的深度在1m左右为宜，土埂宽约50cm。当推出多条槽后，再将土埂推入槽中运出。在土层较硬的情况下，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。这样可减少切土阻力，从而提高切土运行速度。

③并列推土法［如图1-38（b）所示］。对于大面积的施工区，可用2～3台推土机并列推土。推土时两铲刀相距15～30cm；倒车时，分别按先后次序退回。这样可以减少土的散失而增大推土量。一般采用两机并列推土可增加15%～30%的推土量，采用3机并列推土可增加30%～40%的推土量。但平均运距不宜超过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。

④分批集中，一次推送法。若运距较远而土质又比较硬，由于切土的深度不大，可采用多次铲土，先堆积在一处，然后集中推送到卸土区，使铲刀前保持满载，这样可以有效地提高推土的效率。

（2）铲运机施工

铲运机（如图1-39所示）是一种能完成铲土、装土、运土和分层填土、局部碾实综合作业，利用铲斗铲削土壤，并将碎土装入铲斗进行运送的机械。铲运机对行驶道路要求较低，操纵灵活，生产率较高。铲运机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，宜于开挖含水量不超过27%的松土和普通土，但不适于砾石层、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先将土翻松0.2～0.4m，以减少机械磨损，提高生产率。

在土方工程中，铲运机的铲斗容量分为小型、中型、大型和特大型：小型铲斗容量一般小于5m2；中型的一般为5～15m3；大型的一般为15～30m3；特大型的可以达到30m3以上。铲运机按行走机构可分为拖拉机式铲运机和自行式铲运机两种，按铲斗操纵方式又可分为钢索式和液压式两种。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时生产效率最高；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，其运距可增加到1000m。

运距愈长，生产率愈低。因此，应根据填、挖方区的分部情况和地形条件规划铲运机开行路线，力求符合经济运距的要求。工程实践中，为了提高生产率，铲运机的开行路线一般有环形路线和8字形路线两种形式（如图1-40所示），施工时应尽量减少转弯次数和空驶距离，以提高工作效率。采用环形路线可进行多次铲土和卸土，从而减少了铲运机转弯次数，相应提高了工作效率。而在地形起伏较大，施工地段狭长的情况下宜采用8字形路线。采用8字形路线时，铲运机在上下坡时是斜向行驶，所以坡度平缓；一个循环中两次转弯方向不同，故机械磨损均匀；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，可缩短运行时间，提高生产率。

当沿沟边或填方边坡作业时，轮胎离路肩不得小于0.7m。铲运机的施工方法一般有下坡铲土法（坡度5°～7°为宜）、跨铲法（预留土埂，间隔铲土）和助铲法（推土机在后面助推）等。

需要注意的是，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。

（3）挖掘机施工

挖掘机（如图1-41所示）是土方工程中最常用的一种施工机械，按其行走方式不同可分为履带式和轮胎式两类，其传动方式有机械传动和液压传动两种。挖掘机利用土斗直接挖土，因此也称为单斗挖土机。根据施工要求，挖掘机的工作装置可以更换。按土斗装置的不同，挖掘机可分为正铲挖掘机、反铲挖掘机、拉铲挖掘机和抓铲挖掘机等，使用较多的是前三种。其中，拉铲或反铲挖掘机作业时，其履带或轮胎到工作面边缘的安全距离不应小于1.0m。

①正铲挖掘机

正铲挖掘机应用较广（如图1-42所示），适用于开挖停机面以上的土方，且需要与汽车配合完成整个挖掘运土工作。正铲挖掘机的挖掘力大，生产率高，适用于开挖含水量较小的一类土和经爆破的岩石及冻土，既可用于大型基坑工程，也可用于场地平整施工。

正铲挖掘机的挖土特点是“前进向上，强制切土”，其生产率主要决定于每斗的挖土量和每斗作业的循环时间。为了提高生产率，除了工作面高度必须满足装满土斗的要求（不小于3倍土斗高度）外，还要考虑挖土方式及与运土机械的配合问题，尽量减少回转角度，缩短每个循环的延续时间。正铲挖土机的开挖方式，根据其开挖路线和运输工具的相对位置不同，有以下两种：

a．正向挖土、侧向卸土［如图1-43（a）所示］，即挖掘机向前进方向挖土，运输车辆停在其侧面卸土（可停在停机面上或高于停机面）。此法应用较广，因挖土机卸土时回转角小，运输方便，故其生产率高。

b．正向挖土、后方卸土［如图1-43（b）所示］，即挖掘机向前进方向挖土，运输车辆停在其后面装土。此法挖土工作面较大，但挖土机卸土时旋转较大角度，运输车辆要倒车开入，运输不方便，生产率较低，故一般很少采用。一般仅当基坑较窄而且深度较大时采用。

挖掘机在停机点所能开挖的土方面称为工作面，一般称“掌子”。工作面的大小和形状主要取决于挖掘机的工作性能、挖土方式及运输方式等因素。根据工作面的大小和基坑的断面，可布置挖掘机的开行通道。例如，当基坑开挖的深度小而面积大时，只需布置一层通道即可；当基坑深度较大时，可布置成多层通道。某基坑开挖时布置成四层开行通道的示例如图1-44所示，挖掘机采用正向开挖、侧向卸土（高侧或平侧），每斗作业循环时间短，生产率较高。

②反铲挖掘机

反铲挖掘机（如图1-45所示）是开挖停机面以下6.5m深度以内的土方（挖深与工作装置有关），不需设置进出口通道，也可分层开挖，但当地下水位较高时，需配合基坑内的降水工作进行开挖，以保证停机面的干燥，不致使机械沉陷。其适用于开挖小型基坑、基槽和管沟，尤其适用于开挖独立柱基以及有地下水的土或泥泞土。反铲挖掘机的挖土特点是“后退向下、强制切土”。其挖掘力比正铲挖掘机小，能开挖停机面以下的一至三类土，挖土时可用汽车配合运土，也可弃土于坑（槽）附近。

反铲挖掘机的开挖方式可以采用沟端开挖和沟侧开挖（如图1-46所示）。沟端开挖是指挖掘机在基槽一端挖土，后退挖土，向沟一侧弃土或装汽车运走。其优点是挖土方便，挖的深度和宽度较大。沟侧开挖是指挖土机在沟槽一侧挖土，因为挖掘机的移动方向与挖土方向相垂直，沿沟边开挖，所以稳定性较差，可将土弃于距沟较远的地方。

③拉铲挖掘机

拉铲挖掘机（如图1-47所示）的工作装置简单，可直接由起重机改装，其特点为铲斗悬挂在钢丝绳下而无刚性的斗柄上。由于拉铲支杆较长，铲斗在自重作用下落至地面时，借助于自身的机械能可使斗齿切入土中，故开挖的深度和宽度均较大。

拉铲挖掘机的特点是“后退向下，自重切土”，适用于地下一至三类土，开挖停机面以下的土方，如大面积基坑和沟槽，挖取水下泥土和沼泽地带的土壤，也可以用于大型场地平整、地下室、填筑路基和堤坝等。拉铲挖掘机的开行方式和反铲挖掘机一样，有沟侧开挖和沟端开挖两种。与反铲挖掘机相比，拉铲挖掘机的挖土深度、挖土半径和卸土半径均较大，但开挖的精确性差，不够灵活，且大多将土弃于土堆，如需卸在运输工具上，则操作技术要求高，且效率降低。

④抓铲挖掘机

抓铲挖掘机（如图1-48所示）一般由正、反铲液压挖掘机更换工作装置，或由履带式起重机改装而成，可用于挖掘独立柱基的基坑、沉井以及其他挖方工程，特别适宜于进行水中挖土。

抓铲挖掘机的挖土特点是“直上直下，自重切土”。其挖掘力较小，只能开挖一至二类土，抓铲挖土时，通常立于基坑一侧进行，对较宽的基坑则在两侧或四侧抓土，并可在任意高度上卸土。抓挖淤泥时，抓斗易被淤泥“吸住”，应避免起吊用力过猛，以防翻车。

2．土方机械的选择

选择土方机械时，应根据现场的地形条件、土质、水文地质条件、土方量、工期要求、土方机械供应条件等因素，合理选择定量的土方机械，应注意充分发挥机械性能，进行技术经济比较后确定机械种类与数量，以保证施工质量，加快进度，降低成本。

例如在地形起伏较大的丘陵地带，当挖土高度在3m以上，运输距离超过2000m，土方工程量较大且较集中时，一般应选用正铲挖土机挖土，自卸汽车配合运土，并在弃土区配备推土机平整土堆。也可采用推土机预先把土推成一堆，再用装载机把土装到自卸汽车上运走。开挖基坑时根据下述原则选择机械：当基坑深度在1～2m，而基坑长度又不太长时，采用推土机；对深度在2m以内的线状基坑，宜用铲运机开挖；当基坑较大，工程量集中时，如基坑底干燥且较密实，可选用正铲挖土机挖土；当地下水位较高，又不采用降水措施，或土质松软，可能造成正铲挖掘机和铲运机陷车时，采用反铲、拉铲或抓铲挖掘机配合自卸汽车较为合适。移挖作填以及基坑和管沟的回填土，当运距在100m以内时，可采用推土机施工。上述各种机械的适用范围都是相对的，选用机械时应结合具体情况，并考虑工程成本，选择效率高、费用低的机械进行施工。

3．挖掘机和运土车辆的计算

采用挖掘机进行土方施工时，需要运土车辆将挖出的土及时运走。因此，要充分发挥挖掘机的生产率，不仅要正确选择挖掘机，而且要使所选择的运土车辆的运土能力与之相协调。为保证挖掘机连续工作，运土车辆的载重量应与挖掘机的斗容量保持一定倍数关系（一般为每斗土重的3～5倍）并保持足够数量的运土车辆。

（1）挖掘机的生产率P（m3／台班）可查定额手册，或按式（1-39）计算：

式中：t ——挖掘机每斗作业循环时间（s），如W1-100正铲挖掘机为25～40s；

q ——挖掘机斗容量（m3）；

KS——土的最初可松性系数，查表1-1；

KC——土斗的充盈系数，可取0.8～1.1；

KB——工作时间利用系数，一般为0.6～0.8。

（2）运土车辆配套计算

运土汽车的数量N（辆）应保证挖掘机连续工作，可按式（1-40）计算：

式中：T ——自卸汽车每一运土循环的延续时间（min）；

t1——运土车辆掉头而使挖掘机等待时间（s）；

t2——运土车辆装满一车土的时间（s）。

式中：Q ——运土车辆的载重量（t）；

γ——土的重度（kN／m3）；

n ——运土车辆每车装土次数。

4．机械开挖基坑的施工要点

（1）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等。绘制土方开挖图应尽可能使机械多挖，减少机械超挖和人工挖方。

（2）大面积基础群基坑底标高不一，机械开挖顺序一般采取先整片挖至一平均标高，然后再挖个别较深部位。当一次开挖深度超过挖掘机最大挖掘高度（5m以上）时，宜分2～3层开挖，并修筑坡度为10%～15%的坡道，以便挖土及运输车辆进出。

（3）基坑边角部位、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。大基坑宜另配一台推土机清土、送土、运土。

（4）挖掘机、运土汽车进出基坑的运输道路，应尽量利用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。

（5）机械开挖施工时，应保护井点、支撑等不受碰撞或损坏，同时应对平面控制桩、水准点、基坑平面位置、水平标高、边坡坡度等定期进行复测检查。

（6）机械开挖应由深而浅，基底及边坡应预留一层150～300mm厚的土层，用人工清底、修坡、找平，以保证基底标高和边坡坡度正确，避免超挖和土层遭受扰动。

（7）基坑土方开挖可能影响邻近建筑物、管线安全使用时，必须有可靠的保护措施。

（8）雨季开挖土方，工作面不宜过大，应逐段分期完成。如为软土地基，进入基坑行走需铺垫钢板或铺路基垫道。坑面、坑底排水系统应保持良好状态，防止雨水浸入基坑。冬季开挖基坑，如挖完土隔一段时间施工，地基土上面须预留适当厚度的松土，以防地基土遭受冻结。

（9）当基坑开挖局部遇露头岩石时，应先采用局部爆破方法，将基岩松动、爆破成碎块，其块度应小于铲斗宽的2／3，再用挖掘机挖出，可避免破坏邻近基础和地基。

5．基坑开挖的安全措施

（1）基坑边缘堆置土方和建筑材料，一般应距基坑上部边缘不小于2m，堆置高度不应超过1.5m。在垂直的坑壁边，此安全距离还应加大。软土地区不宜在基坑边堆置弃土。基坑开挖时，两人的操作间距应大于3m，每人的工作面应大于6m2。多台机械开挖时，挖掘机间距应大于10m。挖掘机工作范围内，不许进行其他作业，严禁先挖坡脚或逆坡挖土。

（2）基坑周围地面应进行防水、排水处理，严防雨水等地面水浸入基坑周边土体。雨季施工时，基坑（槽）应分段开挖，挖好一段浇筑一段垫层，并在基槽两侧围以土堤或挖排水沟，经常检查边坡和支撑情况，以防止坑壁受水浸泡造成塌方。

（3）基坑开挖应严格按规定放坡，操作时应随时注意土壁的变动情况，如发现有裂缝或部分坍塌现象，应及时进行支撑或放坡，并注意支撑的稳固和土壁的变化，尤其是在土质差、开挖深度大的坑（槽）中。

（4）深基坑上下应先挖好阶梯或开斜坡道，并采取防滑措施，禁止踩踏支撑上下，坑四周应设安全栏杆。

（5）基坑（槽）、管沟的直立壁和边坡，在开挖过程中和敞露期间应防止塌陷，必要时应采用边坡保护方法。