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第一章　土方工程
第四节 土方工程的机械化施工
一、常用土方施工机械
土方工程的施工过程包括土方开挖、运输、填筑与压实等。因为土方工程量大、劳动繁重,所以施工时应尽量采用机械化、半机械化施工,以减轻繁重的体力劳动,加快施工进度、降低工程造价。
1.推土机
(1)槽形推土
(2)下坡推土
(3)并列推土
(4)分批集中,一次推送
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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,按其行走机构可分为拖式铲运机(图1-41)和自行式铲运机(图1-42)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依靠本身的动力设备。
图1-41　C6—2.5型拖式铲运机外形
图1-42　C3—6型自行式铲运机外形
第一章　土方工程
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方区与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:
1)环形路线。
2)“8”字形路线。
(2)跨铲法
(3)下坡铲土
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(4)推土机助铲(图1-45)　
(5)双联铲运法(图1-46)　
图1-45　推土机助铲
1—铲运机　2—推土机
图1-46　双联铲运法
第一章　土方工程
3.单斗挖土机施工
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;根据工作的需要,其工作装置可以更换。根据单斗挖土机工作装置的不同,分为正铲、反铲、拉铲和抓铲四种。
(1)正铲挖土机　正铲挖土机的挖土特点:前进向上,强制切土。它适用于开挖停机面以上的一类土~三类土,且需与自卸汽车配合完成整个挖运任务,挖掘力大,生产率高。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。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。
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1)正铲挖土机的作业方式。根据挖土机的开挖路线与自卸汽车相对位置的不同,其卸土方式有侧向卸土和后方卸土两种。
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。
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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1-49),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。第二次和第三次开行时采用侧方卸土的平卸侧工作面。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“Z”字形路线开行(图1-50a) 。
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图1-49　正铲一层通道多次开挖基坑
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ—通道断面及开挖顺序
图1-50　正铲开挖基坑
a)一层通道Z字形开挖　b)三层通道布置
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图1-51　履带式机械传动
反铲挖土机的工作性能
图1-52　履带式液压反铲
挖土机的工作性能
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(2)反铲挖土机　反铲挖土机的挖土特点: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类土~三类土(机械传动反铲只宜挖一类土和二类土)。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,也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。反铲挖土机既可以与自卸汽车配合装土运走,也可弃土于坑槽附近。履带式机械传动反铲挖土机的工作性能如图1-51所示,履带式液压反铲挖土机的工作性能如图1-52所示。
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1)沟端开挖,挖土机停在基坑(槽)的端部向后倒退挖土,自卸汽车停在基槽两侧面上。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。
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的移动方向相垂直,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。
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(3)拉铲挖土机　履带式拉铲挖土机(图1-55)的土斗用钢丝绳悬挂在挖土机的长臂上,挖土时土斗在自重作用下落到地面切入土中。其挖土特点:后退向下,自重切土;挖土深度和挖土半径均较大,能开挖停机面以下的一类土和二类土,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。
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(4)抓铲挖土机　履带式抓铲挖土机(图1-56)是在挖土机的臂端用钢丝绳吊装一个抓斗。其挖土特点:直上直下,自重切土。其挖掘力较小,能开挖停机面以下的一类和二类土。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,其挖掘力和挖掘精度都优于履带式抓铲挖土机。
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图1-56　履带式抓铲挖土机
图1-55　履带式拉铲挖土机
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二、土方挖运机械的选择和机械挖土的注意事项
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,加速工程进度。
2)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,则大型土方机械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”
3)由于大面积基础群基坑底的标高不一,机械开挖的次序一般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土机最大挖掘高度(5m以上)时,宜分2~3层开挖,并修筑10%~15%的坡道,以便挖土及运输车辆进出。
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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,排水沟与集水井的位置,以及挖出的土方堆放地点。绘制土方开挖图应考虑使机械多挖。
5)基坑边角部位(即机械开挖不到之处)应使用少量人工配合清坡,将松土清理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%,修坡以厘米作为限制误差。大基坑宜另配一台推土机清土、送土、运土。
6)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0.20~0.30m,其余 0.20~0.30m的土方采用人工或其他方法挖除。
7)挖土机、自卸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的地下运输通道,以减少挖土量。
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三、基坑土方开挖方式
基坑坊开挖分为两种情况:一是无支护结构基坑的放坡开挖;二是有支护结构基坑的开挖。
1.无支护结构基坑的放坡开挖工艺
采用放坡开挖时,一般基坑深度较浅,挖土机可以一次开挖至设计标高,所以在地下水位较高的地区,软土基坑采用反铲挖土机配合自卸汽车在地面作业;如果地下水位较低,坑底坚硬,也可以让自卸汽车下坑,配合正铲挖土机在坑底作业。当开挖基坑的深度超过4m时,若土质较好,地下水位较低,场地允许,有条件放坡时,边坡宜设置阶梯平台,分阶段、分层开挖,每级平台的宽度不宜小于1.5m。
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2.有支护结构基坑的开挖工艺
有支护结构基坑的开挖按其坑壁结构可分为直立壁无支撑开挖、直立壁内支撑开挖和直立壁拉锚(或土钉、土锚杆)开挖(图1-59)。有支护结构基坑开挖的顺序与方法必须与设计工况相一致,并遵循“开槽支撑,先撑后挖,分层开挖,严禁超挖”和“分层、分段、对称、限时”的原则。
(1)直立壁无支撑开挖工艺
(2)直立壁内支撑开挖工艺
(3)直立壁拉锚(或土钉、土锚杆)开挖工艺
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图1-59　基坑挖土方式
a)放坡开挖　b)直立壁无支撑开挖　c)直立壁内支撑开挖
d)直立壁拉锚开挖
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3.基坑土方开挖中应注意的事项
1)挖土与支护结构应紧密配合,遵循“先撑后挖、分层分段、对称、限时”的原则。
2)注意减少坑边的地面荷载,防止开挖完的基坑暴露时间过长。
3)注重打桩效应,防止桩发生位移和倾斜。
4)挖土至坑槽底0.50m左右时,应及时抄平。
5)在基坑开挖和回填过程中应保持井点降水工作的正常进行。
6)开挖前要编制包含周详安全技术措施的基坑开挖施工方案,以确保施工安全。
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4.基坑支护工程的现场监测
从表1-13中可以看出,不论基坑的侧壁安全等级是哪一级,支护结构的水平位移均属于应测项目。实际上,在深基坑开挖施工监测中,支护结构的水平位移一般有两个测试项目,即围护桩(墙)的顶面水平位移监测和围护桩(墙)的侧向变形,而在不同深度上各点的水平位移监测称为围护桩(墙)的测斜监测。

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