第1章土方工程施工1.1概述1.2土方量與土方調配量計算1.3土方工程施工要點1.4土方工程的機械化施工1.5土方填筑與壓實1.6土方工程質量標準與安全技術要求1.7工程實踐案例本章小結

1.1概述1.1.1土方工程的施工特點常見的土方工程包括以下內容。

(1)場地平整：包括確定場地設計標高，計算挖、填土方量，并合理地進行土方調配等。

(2)開挖溝槽、基坑、豎井、隧道，修筑路基、堤壩，這些工程包括施工排水、降水，以及土壁邊坡和支護結構的處理。

(3)土方回填與壓實，包括土料的選擇、填土壓實及密實度的檢驗等。

1.1.2土的工程分類

土的種類繁多，其分類方法各異。在土方工程施工中，按土的開挖難易程度不同，土可分為八類，如表1.1所示。表中一至四類為土，五至八類為巖石。在選擇施工挖土機械和確定建筑安裝工程勞動定額時，要依據土的工程類別而定。

1.1.3土的基本性質

1.土的天然含水量

土的天然含水量w是天然狀態下土中水的質量與固體顆粒的質量之比的百分率，即

(1.1)

式中：mw——土中水的質量(kg)；

ms——土中固體顆粒的質量(kg)。

2.土的天然密度和干密度

在天然狀態下，單位體積的土的質量稱為土的天然密度。土的天然密度用ρ表示，即

(1.2)

式中：m——土的總質量(kg)；

V——土的天然體積(m3)。

土的干密度越大，表示土越密實。工程上常把土的干密度作為評定土體密實程度的標準，以控制填土工程的壓實質量。土的干密度ρd與土的天然密度ρ之間有如下關系：

(1.4)

即

(1.5)

3.土的可松性

土具有可松性，即自然狀態下的土經開挖后，其體積因松散而增大，即使以后經過回填壓實(或夯實)，也不能恢復其原來的體積。土的可松性程度用可松性系數表示，即

(1.6)

(1.7)

土的可松性對確定場地設計標高、土方量的平衡調配，計算運土機具的數量和棄土坑的容積，以及計算填方所需的挖方體積等都有很大影響。各類土的可松性系數參考值見表1.2。

4.土的滲透性

土的滲透性指水流通過土中孔隙的難易程度。水在單位時間內穿透土層的能力稱為土的滲透系數，用K表示，單位為m/d。水在土中的滲流速度一般可按達西定律計算，公式如下：

(1.8)

從達西公式(1.8)可以看出滲透系數的物理意義：水力坡度i等于1時的滲透速度v即為滲透系數K，單位同樣為m/d。K值的大小反映土滲透性的強弱，土的滲透性影響施工降水與排水的速度。土的滲透系數可以通過室內滲透試驗或現場抽水試驗測定，一般土的滲透系數參考值見表1.3。

1.2土方量與土方調配量計算1.2.1基坑、基槽土方量計算

1.土方邊坡在開挖基坑、溝槽或填筑路堤時，為了防止塌方，保證施工安全及邊坡穩定，其邊沿應考慮放坡。土方邊坡的坡度以其高度H與底寬B之比表示(如圖1.1所示)，即式中：m——坡度系數，m?=?B/H。式(1.9)的意義為：當土方邊坡的高度為H時，其底寬B等于mH。圖1.1土方邊坡

2.基坑、基槽土方量計算

基坑土方量可按立體幾何中的擬柱體(由兩個平行的平面作底的一種多面體)體積公式計算(如圖1.2所示)，即

(1.10)

式中：H——基坑深度(m)；

A1、A2——基坑上、下的底面積(m2)；

A0——基坑的中間位置截面面積(m2)。圖1.2基坑土方量計算

基槽和路堤的土方量可以沿長度方向分段(如圖1.3所示)后，再用同樣方法計算，公式為

(1.11)

式中：V1——第一段的土方量(m3)；

L1——第一段的長度(m)。

將各段的土方量相加可得總土方量，即

V總?=?V1?+?V2?+?V3?+?…?+?Vn

式中：V1，V2，…，Vn?——各段的土方量(m3)。

圖1.3基槽土方量計算

1.2.2場地平整土方量計算

1.場地設計標高的確定

確定場地設計標高時應考慮以下因素：

(1)滿足生產工藝和運輸的要求；

(2)盡量利用地形，分區或分臺階布置，分別確定不同的設計標高；

(3)盡量使場地內挖填方平衡，這樣可使土方運輸量最少；

(4)要有一定的泄水坡度(≥2‰)，以滿足排水要求；

(5)要考慮最高洪水位對場地設計的影響。

場地設計標高一般應在設計文件中明確規定。若設計文件中未對場地設計標高作出規定，則可按照以下步驟來確定。

1)初步計算場地設計標高

初步計算場地設計標高的原則是場地內挖填方平衡，即場地內挖方總量等于填方總量。計算場地設計標高時，首先將場地的地形圖根據要求的精度劃分為邊長為10～40?m的方格網，如圖1.4(a)所示。然后，求出各方格角點的地面標高，當地形平坦時，可根據地形圖上相鄰兩等高線的標高，采用插入法進行計算求得；當地形起伏較大或無地形圖可供參考時，可在地面用木樁打好方格網，再使用儀器直接測出。圖1.4場地設計標高H0計算示意圖

按照場地內土方在平整前及平整后相等，即挖填方平衡的原則，如圖1.4(b)所示，場地設計標高可按下式計算：

(1.12)

即

(1.13)

式中：H0——所計算的場地設計標高(m)；

a——方格邊長(m)；

n——方格數；

H11、H12、H21、H21——任一方格的四個角點的標高(m)。

從圖1.4(a)可以看出，H11是一個方格的角點標高，H12及H21是相鄰兩個方格的公共角點標高，H22是相鄰四個方格的公共角點標高。如果將所有方格的四個角點標高相加，則類似H11這樣的角點標高加一次，類似H12、H21的角點標高需加兩次，類似H22的角點標高要加四次。若令H1為一個方格獨有的角點標高，H2為兩個方格共有的角點標高，H3為三個方格共有的角點標高，H4為四個方格共有的角點標高，則場地設計標高的計算公式(1.13)可改寫為

(1.14)

2)調整場地設計標高

按式(1.13)和式(1.14)計算的場地設計標高H0僅為一理論值，在實際運用中還需考慮以下因素進行調整。

(1)土的可松性的影響。

由于土具有可松性，若根據挖填方平衡原則計算得到的場地設計標高進行挖填施工，則填土將有剩余。特別地，當土的最后可松性系數較大時，土的可松性更不容忽視。

如圖1.5所示，設Δh為土的可松性引起的設計標高的增加值，則設計標高調整后的總挖方體積V'W應為

(1.15)

總填方體積V'T應為

式中：VW、VT?——按理論設計標高計算的總挖方、總填方體積；

FW?——按理論設計標高計算的挖方區總面積；

K's——土的最后可松性系數。

此時，填方區的標高也應與挖方區的標高一樣增加Δh，即

移項、整理并簡化得(當VT?=?VW)

故考慮土的可松性后，場地設計標高調整為

(1.16)

式中，FT——按理論設計標高計算的填方區總面積。

(2)場地挖方和填方的影響。

場地內大型基坑挖出的土方、修筑路堤所需的填方，以及出于經濟考慮將部分挖方就近棄于場外或就近從場外取土作為填方的情況，均會引起挖填土方量的變化。必要時，也需要對場地設計標高進行調整。

為了簡化計算，場地設計標高的調整值H'0可按下列近似公式確定：

(1.17)

式中：Q——場地根據H0平整后多余或不足的土方量。

(3)場地泄水坡度的影響。

按照上述計算和調整后的場地設計標高進行場地平整后，理論上平整后的場地應處于同一個水平面。但實際上，由于排水的要求，場地表面通常都會設置一定的泄水坡度，因此平整后的場地表面坡度需要符合設計要求。當沒有具體的設計要求時，一般應向排水溝方向做成不小于2‰的坡度。所以，在計算得到的H0或經過調整后的H'0的基礎上，還需要根據場地要求的泄水坡度，進一步計算出場地內各方格角點在實際施工時的設計標高。對于單向泄水和雙向泄水的場地，各方格角點設計標高的求法如下。

①

單向泄水時場地各方格角點的設計標高(如圖1.6(a)所示)。

以計算出的設計標高H0或調整后的設計標高H'0作為場地中心線的標高，則場地內任意一個方格角點的設計標高為

(1.18)

式中：Hdn——場地內任意一個方格角點的設計標高(m)；

l——該方格角點至場地中心線的距離(m)；

i——場地泄水坡度(不小于2‰)；

±——若該方格角點比H0高，則取“+”；反之則取“-”。

例如，圖1.6(a)中場地內角點10的設計標高為

圖1.6場地泄水坡度示意圖

②

雙向泄水時場地各方格角點的設計標高(如圖1.6(b)所示)。

以計算出的設計標高H0或調整后的標高H'0作為場地中心線的標高，則場地內任意一個方格角點的設計標高為

式中：lx、ly——該點在x-x、y-y方向上距場地中心線的距離(m)；

ix、iy——場地在x-x、y-y方向的泄水坡度。

例如，圖1.6(b)中場地內角點10的設計標高為

【例1.1】

某建筑場地的地形圖和方格網如圖1.7所示，方格邊長為20?m，x-x方向上的泄水坡度ix、y-y方向上的泄水坡度iy分別為2‰、3‰。土建設計、生產工藝設計和最高洪水位等方面均無特殊要求，試根據挖填方平衡原則(不考慮土的可松性)確定場地設計標高，并根據x-x、y-y方向上的泄水坡度推算各方格角點的設計標高。圖1.7某建筑場地方格網布置圖

解(1)計算各方格角點的自然地面標高。

根據地形圖上標設的等高線，用插入法求出各方格角點的自然地面標高，如圖1.8所示。由于地形是連續變化的，因此可以假定兩等高線之間的地面高低是呈直線變化的。從圖1.7中可看出，角點4的地面標高(H4)處于與兩等高線相交的直線AB上。由圖1.8根據相似三角形的性質，可寫出

圖1.8插入法計算地面標高簡圖

在地形圖上，只要量出x?(角點4至44.0等高線的水平距離)和l?(44.0等高線和44.5等高線與直線AB相交的水平距離)的長度，便可算出H4的數值。但是，這種計算過程較為煩瑣，因此，通常采用圖解法來求得各角點的自然地面標高。如圖1.9所示，在一張透明紙上面畫出6根等距離的平行線(線條盡量畫細些，以免影響讀數的準確)。把該透明紙放到標有方格網的地形圖上，將6根平行線的最外2根分別對準點A與點B，這時6根等距離的平行線將A、B兩點之間的0.5?m的高差分成五等分，于是便可直接讀得角點4的地面標高H4?為44.34?m。其余各角點的標高均可采用相同的方法求出。用圖解法求得的各角點標高見圖1.7中方格網角點左下角標示。圖1.9插入法的圖解法

(2)計算場地設計標高H0。

因為

(3)按照要求的泄水坡度計算各方格角點的設計標高。

以場地中心點(即角點8)為H0?(見圖1.7)，某些角點(這里只列舉幾個角點)的設計標高為

其余各角點設計標高均可類似求出，詳見圖1.7中方格網角點右下角標示。

2.場地土方工程量計算

場地土方量的計算方法通常有方格網法和斷面法兩種。方格網法適用于地形較為平坦、面積較大的場地，斷面法則多用于地形起伏變化較大或地形狹長的地帶。

1)方格網法

此處仍以例1.1為例，場地土方工程量計算步驟如下。

(1)劃分方格網并計算場地各方格角點的施工高度。

根據已有地形圖(一般用1/500的地形圖)，將要計算的場地劃分成若干個方格網，盡量使方格網與測量的縱、橫坐標網對應，方格的邊長為10～40?m，將角點的自然地面標高和設計標高分別標注在方格角點的左下角和右下角(見圖1.10)。圖1.10方格角點的標高

角點設計標高與自然地面標高的差值即為各角點的施工高度，表示為

式中：hn——角點的施工高度，以“+”為填，以“-”為挖，標注在方格角點的右上角；

Hdn——角點的設計標高(無泄水坡度時，即為場地設計標高)；

Hn——角點的自然地面標高。

計算各方格角點的施工高度，得

各角點的施工高度標注于圖1.11各方格角點的右上角。圖1.11某建筑場地方格網挖填土方量計算圖

(2)計算零點位置。

在一個方格網內同時存在填方和挖方時，首先要計算出方格網邊的零點位置，即不挖不填的點，并將其標注在方格網上。由于地形是連續的，因此連接這些零點得到的零線即成為填方區與挖方區的分界線(如圖1.11所示)。根據相似三角形原理(如圖1.12所示)，可得零點的位置為圖1.12零點的位置按相似三角形原理原理計算示意圖

圖1.11中網格線兩端分別是填方點與挖方點，故中間必有零點，零點至角點3的距離為

同理得

(3)計算方格內的土方量。

按方格網底面積圖形和表1.4所列公式，計算每個方格內的挖方或填方量。

方格Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ

底面為正方形，土方量為

方格Ⅱ底面為兩個梯形，土方量為

方格Ⅵ底面為三角形和五邊形，土方量為

方格

Ⅶ

底面為兩個梯形，土方量為

方格Ⅷ底面為三角形和五邊形，土方量為

方格網的總填方量為

方格網的總挖方量為

(4)計算邊坡的土方量。

為了維持土體的穩定，無論場地的邊沿是挖方區還是填方區，都需要做成相應的邊坡。因此，在實際工程中，還需要計算邊坡的土方量。邊坡土方量的計算相對簡單，限于篇幅，這里就不詳細介紹了。圖1.13是例題1.1中場地邊坡的平面示意圖。圖1.13場地邊坡平面圖

2)斷面法

沿場地的縱向或相應方向取若干個相互平行的斷面(可利用地形圖定出或實地測量得出)，將所取的每個斷面(包括邊坡)劃分成若干個三角形和梯形，如圖1.14所示。對于某一斷面，其中三角形和梯形的面積分別為

圖1.14斷面法計算圖

求出各個斷面面積后，即可計算土方體積。設各斷面面積分別為F1，F2，…，Fn，相鄰兩斷面之間的距離依次為l1，l2，…，ln，則所求土方體積為

圖1.15所示是用斷面法求面積的一種簡便方法，叫作累高法。此法不需用公式計算，只需將所取的斷面繪于普通坐標紙上(d取等值)，用透明紙尺從h1開始，依次量出(用大頭針向上撥動透明紙尺)各點標高(h1，h2，…)，累計得出各點標高之和，然后將此值與d相乘，即可得出所求斷面面積。

圖1.15用累高法求斷面面積

1.2.3土方調配量計算

1.土方調配的原則

土方調配的主要原則包括：

(1)力求達到挖填方平衡和運輸量最小，以降低土方工程的成本。

(2)考慮近期施工與后期利用的結合。

(3)盡可能與大型地下建筑物的施工相結合。

(4)調配區大小的劃分應滿足主要土方施工機械工作面大小(如鏟運機鏟土長度)的要求，以充分發揮土方機械和運輸車輛的效率。

2.土方調配區的劃分

1)劃分調配區

在場地平面圖上，首先畫出挖、填區的分界線(即零線)，然后在挖方區和填方區分別適當地劃出若干個調配區。劃分調配區時應注意以下幾點：

(1)調配區的劃分應與建筑物的平面位置相協調，并考慮開工順序及分期施工的順序。

(2)調配區的大小應滿足土方機械的施工要求。

(3)調配區的范圍應與場地土方量計算用的方格網相協調，一般可由若干個方格組成一個調配區。

(4)當土方運距較大或場地范圍內的土方調配不能達到平衡時，可考慮就近借土或棄土。每一個借土區或一個棄土區可作為一個獨立的調配區。

2)求出每對調配區之間的平均運距

平均運距是指挖方區土方重心至填方區土方重心的距離。因此，要求平均運距，需先求出每個調配區的土方重心，其方法如下。

取場地或方格網中的縱、橫兩邊為坐標軸，以一個角的頂點作為坐標原點(如圖1.16所示)，分別求出各區土方的重心坐標X0、Y0：

(1.19)

式中：xi、yi——第i塊方格的重心坐標；

Vi——第i塊方格的土方量。圖1.16土方調配區間的平均運距

填方區、挖方區之間的平均運距L0為

(1.20)

式中：x0T、y0T——填方區的重心坐標；

x0W、y0W——挖方區的重心坐標。

求出各調配區的重心后，將其標注在相應的調配區上。然后，使用比例尺量出每對調配區重心之間的距離，這就是相應的平均運距(L11，L12，L13，…)。所有填、挖方調區之間的平均運距均需一一計算，并將計算結果列于土方平衡與運距表1.5中。

【例1.2】

已知某矩形廣場的挖方區為W1、W2、W3、W4，填方區為T1、T2、T3，各調配區的土方量和平均運距如圖1.17所示。圖中，小方格中的數字為各調配區的土方量，箭桿上的數字則為各調配區之間的平均運距，試求最優土方調配方案并繪出土方調配圖。圖1.17各調配區的土方量和平均運距

解(1)用“最小元素法”編制初始調配方案。

根據對應于價格系數cij最小的土方量xij取最大值的原則進行調配，具體步驟如下。

①

將土方數及價格系數(本例即平均運距)填入計算表格中，見表1.6。

②

在運距小方格中找一個cij的最小數值，如c22?=?c43?=?40，任取其中一個，現取c43。由于運距最短，經濟效益最大，于是先確定x43的值，使其盡可能地大，即取x43?=?400(即將W4的400m3土全部運至T3)。由于挖方區W4的土方全部調到填方區T3，所以x41和x42都等于零。此時，將400填入x43格內，同時在x41、x42格內畫一個“×”號。然后，在沒有填數字和“×”號的方格內再選一個運距最小的方格，即c22?=?40，便可確定x22?=?40，同時使x21?=?x23?=?0。此時，又將400填入x22格內，并在x21、x23格內畫“×”號。重復上述步驟，依次確定其余xij的數值，最后得出如表1.7所示的初始調配方案。

由于利用“最小元素法”確定的初始調配方案是讓cij最小的方格內的xij值取盡可能大的值，這符合“就近調配”的原理，因此求得的總運輸量是比較小的。但這并不能保證該調配方案所求得的總運輸量最小，所以還需要進行判別，以確定該方案是否為最優方案。判別的方法有“閉回路法”和“假想價格系數法”，其實質都是通過求檢驗數λij來進行判別。

(2)最優方案判別。

下面采用“假想價格系數法”求檢驗數。該方法是設法求得無調配土方的方格的檢驗數λij，并判別λij是否為非負。若所有λij≥0，則該方案為最優方案；否則，該方案不是最優方案，需要進行調整。

首先，求出表中各個方格的假想價格系數cij。對于有調配土方的方格，其假想價格c′ij?=?ci；對于無調配土方的方格，其假想價格系數可利用任一矩形的四個方格內對角線上的假想價格系數之和相等的原理求出。然后，按照公式λij?=?cij?-?c′ij計算出表中無調配土方方格的檢驗數，并列于表1.8中。

(3)方案的調整。

①

在所有負檢驗數中選一個(一般選最小的一個)，本例中唯一的負檢驗數是λ12，因此選擇它所對應的變量x12作為調整對象。

②

找出x12的閉回路，具體做法是：從x12格出發，沿水平與豎直方向前進，遇到適當的有數字的方格時作90°轉彎(也可不轉彎)，然后繼續前進。如果路線得當，那么有限步后便能回到出發點，形成一條以有數字的方格為轉角點、用水平和豎直線連起來的閉合回路，如表1.9所示。

③

從空格x12(其轉角次數為零或偶數)出發，沿著閉合回路前進(方向任意，轉角次數逐次累加)。在各奇數次轉角點的數字中挑出一個最小的(本例是從500、100中選100)，然后將它從x32方格調到x12方格(即空格)中。

④

將“100”填入x12方格中，被挑出的x32變為0(該格變為空格)。同時，將閉合回路上其他奇數次轉角上的數字都減去“100”，偶數轉角上的數字都增加“100”，以保持填、挖方區的土方量平衡。這樣調整后，便可得到如表1.10所示的新調配方案。

將表1.10中的土方調配數值繪制成土方調配圖，如圖1.18所示。圖中，箭桿上的數字表示調配區之間的運距，箭桿下的數字表示最終的土方調配量。圖1.18最優方案土方調配圖

最后來比較一下最佳方案與初始方案的土方運輸量。

初始調配方案的總土方運輸量為

Z1=500×50+500×40+300×60?+100×110+100×70+400×40?=?97000?(m3·m)

最優調配方案的總土方運輸量為

Z2=400×50?+100×70+500×40+400×60+100×70+400×40?=?94000?(m3·m)

因為

Z2?-?Z1?=?94?000?-?97?000?=?-3000?(m3·m)

所以調整后總土方運輸量減少了3000?m3·m。

1.3土方工程施工要點

1.3.1施工準備

1.清理場地清理場地包括清理地面及地下各種障礙。

2.排除地面水場地內低洼地區的積水必須排除，同時需關注雨水的排放，確保場地保持干燥，以利于土方施工的進行。在排除地面水時，常采用排水溝、截水溝、擋水土壩等措施。

3.修筑臨時設施

修筑好臨時道路及供水、供電等臨時設施，確保材料、機具及土方機械能夠順利進場。

4.測量放線

在放灰線時，可使用裝有石灰粉末的長柄勺輕輕靠著木質板的側面，邊走邊撒，以在地面上清晰地標出基礎挖土的界線。

(1)基槽放線：基于房屋的主軸線控制點，首先使用木樁將外墻軸線的交點標記在地面上，并在樁頂釘上鐵釘作為明顯的標志。隨后，根據建筑物平面圖，逐一測設出內部開間的所有軸線。最后，以中心軸線為依據，使用石灰在地面上撒出基槽開挖的邊線。同時，在房屋四周設置龍門板(如圖1.19所示)或在軸線延長線上設置軸線控制樁(又稱引樁，如圖1.20所示)，以便于基礎施工過程中的軸線位置復核。若基槽附近有已建的建筑物，則可利用經緯儀將軸線投射至建筑物的墻面上。恢復軸線時，只需將經緯儀安置在某一軸線一端的控制樁上，瞄準另一端的控制樁，即可輕松恢復該軸線的位置。圖1.19龍門板設置示意圖圖1.20軸線控制樁(引樁)平面布置圖

為了控制基槽的開挖深度，在接近槽底設計標高時，應使用水準儀依據地面上的

±0.000水準點，在基槽的側壁上每隔2～4?m及所有拐角處設置一水平樁，如圖1.21所示。在測設時，應確保水平樁的上表面距離槽底的設計標高為整分米數，這樣便可作為清理槽底和打設基礎地基時控制高程的準確依據。圖1.21基槽底抄平水準測量示意圖

(2)柱基放線：在基坑開挖之前，需從設計圖中核對基礎的縱、橫軸線編號及基礎施工詳圖。依據柱子的縱、橫軸線，利用經緯儀在矩形控制網上精確測定基礎中心線的端點位置。同時，在每個柱基中心線上設置定位樁，每個基礎中心線上通常設置四個定位木樁，其位置需確保樁位離基礎開挖線的距離為0.5～1.0?m。若基礎間距較近，則可每隔1～2個或幾個基礎打設一定位樁，但兩定位樁之間的間距應控制在不超過20?m，以便于通過拉線恢復中間柱基的中線。樁頂需釘上釘子，明確標注中心線的位置。

隨后，依據施工圖上柱基的尺寸及已確定的挖土邊線尺寸，放出基坑上口挖土的灰線，清晰標出挖土范圍。當基坑挖掘至一定深度時，應在坑壁四周距離坑底設計高程0.3～0.5?m處測設若干水平樁(如圖1.22所示)，這些水平樁將作為基坑修坡及檢查坑深的重要依據。圖1.22基坑定位高程測設示意圖

1.3.2土方邊坡與土壁支撐

土壁的穩定主要是由土體內的摩擦阻力和黏結力來維持的。一旦土體失去這種平衡狀態，就會發生塌方，這不僅可能引發人身安全事故，還會影響工期，甚至可能危及附近的建筑物。

土壁塌方的主要原因包括：

(1)邊坡過陡，導致土體的穩定性降低，進而引發塌方，尤其在土質不良、開挖深度較大的坑槽中更為顯著。

(2)雨水或地下水滲入土中，使土體軟化，這既增加了土的自重，又降低了土的抗剪強度，這是造成塌方的一個常見原因。

(3)基坑上口邊緣附近大量堆土、停放機具或材料，以及行車等動荷載的作用，會使土體中的剪應力增大，超過土體的抗剪強度，從而導致塌方。

(4)土壁支撐的強度不足或失效，或支撐結構的剛度不夠，也是導致塌方的一個重要因素。

為了防止塌方，確保施工安全，在基坑(槽)開挖過程中，可采取以下措施。

1.放足邊坡

土方邊坡(如圖1.1所示)的坡度應依據土質、開挖深度、開挖方式、施工工期、地下水位、坡頂負載及氣候條件等多種因素來決定。在常規情況下，對于黏性土，邊坡可以較陡，而對于砂性土，則邊坡應更為平緩。若基坑附近有重要建筑物，則建議邊坡比例維持在1∶1.0～1∶1.5之間。

根據《建筑地基基礎工程施工質量驗收規范》(GB50202—2018)，臨時性挖方的邊坡值應符合表1.11的規定。

2.設置支撐

為了縮減施工面積、減少土方量，或受場地限制無法進行放坡時，可以設置土壁支撐。表1.12列出了一般溝槽的支撐方法，其中主要采用橫撐式支撐；表1.13則展示了一般淺基坑的支撐方法，這些方法主要結合了上端放坡、拉錨等單支點板樁或懸臂式板樁支撐，也可能采用重力式支護結構，例如水泥攪拌樁等；表1.14所列為一般深基坑的支護(撐)方法，其中多采用多支點板樁。

1.3.3施工排水與降水

1.明排水法

在施工現場，常用的明排水法包括截流、疏導和抽取三個步驟。截流旨在阻擋流向基坑的水；疏導則是排干積水；抽取是指在開挖基坑或溝槽時，在坑底設置集水井，并沿坑底周邊或中心挖掘排水溝，引導水流經排水溝匯入集水井，隨后使用水泵將水抽出基坑。利用集水井降低地下水位的示意圖見圖1.23。圖1.23利用集水井降低地下水位的示意圖

2.人工降低地下水位法

人工降低地下水位法是在基坑開挖前，預先在基坑四周埋設一定數量的濾水管(井)，利用抽水設備在基坑開挖前和開挖過程中不斷地抽出地下水，從而使地下水位降低到坑底以下(輕型井點降低地下水位的全貌如圖1.24所示)。

圖1.24輕型井點降低地下水位的全貌圖

這種方法能夠從根本上解決地下水涌入坑內的問題(如圖1.25(a)所示)，防止邊坡因受地下水流的沖刷而導致的塌方(如圖1.25(b)所示)，消除了坑底土層由地下水位差產生的壓力，也避免了坑底土的上冒現象(如圖1.25(c)所示)；消除了水壓力，使板樁所受的橫向荷載減少(如圖1.25(d)所示)；由于沒有了地下水的滲流，還能有效防止流砂現象的產生(如圖1.25(e)所示)。降低地下水位后，土體會固結，進而使土層變得更加密實，提高地基土的承載能力。圖1.25人工降低地下水位的作用

流砂現象的產生是水在土中滲流時產生的動水壓力作用于土體的結果。動水壓力原理如圖1.26所示，通過對截取的一段砂土脫離體(兩端的高、低水頭分別為h1、h2)進行受力分析，可以容易地得出動水壓力產生的原因及大小。圖1.26動水壓力原理圖

水在土中滲流時，作用在砂土脫離體中的全部水體上的力有：作用在土體左端a-a截面處的總水壓力，其方向與水流方向一致，其大小為γwh1F，其中為水的重度，F為土截面面積；作用在土體右端b-b截面處的總水壓力，其方向與水流方向相反，其大小為γwh2F；水滲流時整個水體受到土顆粒的總阻力，其大小為TlF(T為單位體積土體阻力)。

我們稱GD為動水壓力，其單位為N/cm3或kN/m3。由式(1.22)可知，動水壓力GD的大小與水力坡度成正比，即水頭差h1?-?h2愈大，GD愈大；而滲透路程度l愈長，則GD愈小；動水壓力的作用方向與水流方向(向右方向)相同。當水流在水頭差的作用下對土顆粒產生向上壓力時，動水壓力不僅使土粒受到水的浮力，而且還使土粒受到向上的動水壓力。如果動水壓力等于或大于土的浮重度γ'w，即

則土粒失去自重，處于懸浮狀態，此時土的抗剪強度等于零，土粒能隨著滲流的水一起流動，這種現象稱為“流砂現象”。

細顆粒(顆粒粒徑在0.005～0.05?mm)、均勻顆粒、松散(土的天然孔隙比大于75%)、飽和的土容易發生流砂現象。然而，動水壓力的大小是決定是否出現流砂現象的重要條件。因此，防治流砂應著眼于減小或消除動水壓力。

防治流砂的方法主要有水下挖土法、打板樁法、搶挖法、地下連續墻法、枯水期施工法及井點降水法等。

(1)水下挖土法：即不排水施工，使基坑內外的水壓達到平衡，從而避免形成動水壓力。

(2)打板樁法：將板樁沿基坑周圍打入不透水層，以起到截住水流的作用；或者將板樁打入坑底面一定深度，使地下水在流至樁底以下后再流入基坑。

(3)搶挖法：即組織分段搶挖，使挖土速度超過冒砂速度，并拋出大石塊以平衡動水壓力。

(4)地下連續墻法：沿基坑周圍先澆筑一道鋼筋混凝土的地下連續墻，以起到承重、截水和防流砂的作用。該地下連續墻同時也是深基礎施工的可靠支護結構。

(5)枯水期施工法：選擇枯水期間進行施工，因為此時地下水位較低，坑內外水位差減小，動水壓力也隨之減小，從而可以預防和減輕流砂現象。

需要注意的是，以上這些方法在應用上都存在一定的局限性，適用范圍有限。

(6)井點降水法：采用此方法可以降低地下水位至基坑底以下，使動水壓力方向向下，增大土顆粒間的有效應力，有助于減少或消除細、粉砂層中的流砂現象。實際上，井點降水方法是避免流砂危害的常用且有效的方法。

3.井點的種類

井點主要分為輕型井點、噴射井點、電滲井點、管井井點和深井井點。在選擇井點降水方法時，通常需考慮土壤的滲透系數、所需的降水深度、現有設備條件及經濟性等因素，可參照表1.15進行選擇。其中，輕型井點的應用最為廣泛。

4.輕型井點設備

輕型井點設備主要由管路系統和抽水設備組成，其工作原理如圖1.27所示。管路系統包括濾管、井點管、彎聯管及集水總管等部件。圖1.27輕型井點設備工作原理

(1)濾管。濾管(其構造如圖1.28所示)作為進水設備，通常采用長度為1.0～1.5?m、直徑為38?mm或51?mm的無縫鋼管制作。管壁鉆有直徑為12～18?mm、呈梅花形排列的濾孔，濾孔面積占據濾管表面積的20%～25%。鋼管外部包裹兩層孔徑不同的濾網，內層為細濾網，采用黃銅絲或尼龍絲布制成，規格為30～50孔/cm2；外層為粗濾網或棕皮，采用與濾孔相同的材料，規格為3～10孔/cm2。為確保流水順暢，鋼管與濾網之間用塑料管或梯形鉛絲隔開，塑料管沿著鋼管以螺旋形式纏繞。濾網外部再加繞一層粗鐵絲作為保護網，而濾管下端裝有一個鑄鐵塞頭。濾管上端則與井點管相連接。圖1.28濾管的構造

(2)井點管。井點管是直徑為38?mm或51?mm、長為5～7?m的鋼管，可整根或分節組成。井點管的上端用彎聯管與集水總管相連。

(3)彎聯管。彎聯管通常由與井點管相同或相兼容的材質制成，如無縫鋼管，以確保連接的強度和密封性。

(4)集水總管。集水總管是直徑為100～127?mm的無縫鋼管，每段長4?m，其上裝有與井點管連接的短接頭，間距為0.8～1.6?m。

5.輕型井點的布置

1)平面布置

當基坑或溝槽的寬度小于6?m，且降水深度不超過5?m時，可采用單排線狀井點(如圖1.29所示)。這些井點應設置在地下水流的上游一側，并確保兩端延伸的長度不小于坑槽的寬度。圖1.29單排線狀井點布置圖

當基坑或溝槽的寬度大于6?m或土質不良時，采用雙排線狀井點(見圖1.30)。在地下水流的上游，一排井點管的間距應設置得小一些，而在下游的一排，井點管的間距可以稍大。對于面積較大的基坑，推薦使用環狀井點布置(如圖1.31所示)，有時也可以布置成U形，以方便挖土機和運土車輛進出基坑。井點管與基坑壁的距離通常可設為0.7～1.2?m，以防止局部發生漏氣。井點管的間距通常為0.8?m、1.2?m或1.6?m，具體由計算或經驗來確定。在集水總管的四角部位，井點管應適當加密。圖1.30雙排線狀井點布置圖圖1.31環狀井點布置圖

2)高程布置

輕型井點的降水深度從理論上講可達10.3?m，但由于管路系統的水頭損失，其實際降水深度一般不超過6?m。井點管的埋設深度HA?(不包括濾管)按下式計算：

HA≥?H1?+?h?+?iL

(1.23)

若一級輕型井點無法滿足降水深度需求，則可采用二級輕型井點降水方法，即首先挖除第一級輕型井點所排干的土壤，隨后在其底部安裝第二級輕型井點。二級輕型井點示意圖參見圖1.32。圖1.32二級輕型井點示意圖

6.輕型井點的設計與計算

井點系統的設計與計算必須建立在可靠資料的基礎之上，例如施工現場地形圖、水文地質勘察資料以及基坑的設計文件等。在設計井點系統時，除需要確定井點系統的具體布置外，還應當明確井點系統的涌水量，確定井點的數量和間距，并選擇合適的井點設備。

1)井點系統的涌水量

井點系統所需井點管的數量是依據其涌水量來確定的，而井點系統的涌水量則是基于水井理論來進行計算的。根據井底是否達到不透水層，水井可分為完整井與不完整井，凡井底到達含水層下方的不透水層頂面的井稱為完整井，否則稱為不完整井。根據地下水有無壓力，水井又可分為無壓井與承壓井。水井的分類如圖1.33所示。不同類型的井，其涌水量的計算方法也有所差異，其中，無壓完整井的理論相對較為成熟。圖1.33水井的分類

(1)無壓完整井的環狀井點系統的涌水量。

對于無壓完整井(如圖1.34(a)所示)的環狀井點系統，其涌水量計算公式為

(1.24)

圖1.34環狀井點系統涌水量計算簡圖

當計算涌水量時，需先確定x0、R、K的數值。式(1.24)的理論基礎源于圓形井點系統的假設。實踐表明，對于長寬比不大于5的矩形基坑，可將環狀井點系統圍成的不規則形狀簡化為一個假想半徑為x0的圓井進行計算，且計算結果滿足工程需求。即令

得

(1.25)

式中：F——環狀井點系統所包圍的面積(m2)。

抽水影響半徑R是指井點系統抽水后，地下水位降落曲線達到穩定狀態時的影響范圍，它與土的滲透系數、含水層厚度、水位降低的數值以及抽水時間等因素有關。在抽水2～5?d后，水位降落形成的漏斗形狀會趨于穩定，此時，抽水影響半徑可以通過以下公式進行近似計算：

(2)無壓非完整井的環狀井點系統的涌水量。

在實際工程中，往往會遇到無壓非完整井的環狀井點系統，如圖1.34(b)所示。在這種情況下，地下水不僅會從井的側面流入，還會從井底滲入，因此其涌水量會比完整井的更大。為了簡化計算過程，無壓非完整井的環狀井點系統的涌水量仍然可以使用式(1.24)進行計算，但需要將式(1.24)中的含水層厚度H替換為有效含水深度H0，即

抽水影響半徑按式(1.26)計算，僅將式(1.26)中的H換成H0，即

H0的值可通過查表1.16確定。當計算得到的H0大于實際的含水層厚度H時，仍采用H值，此時無壓非完整井可以被視為無壓完整井。

(3)承壓完整井的環狀井點系統的涌水量。

承壓完整井的環狀井點系統涌水量Q的計算公式為

式中：M——承壓含水層厚度(m)。

2)井點管數量及井點管間距

確定井點管數量時，首要步驟是確定單根井點管的出水量。單根井點管的最大出水量q可通過以下公式計算：

(1.29)

式中：d——濾管的直徑(m)；

l——濾管的長度(m)；

K——土的滲透系數(m/d)。

井點管的最少數量n由下式確定：

(1.30)

式中：1.1——考慮井點管堵塞等因素時的放大備用系數。

井點管的平均間距為

(1.31)

式中：L——集水總管的長度(m)。

實際采用的井點管平均間距D應與集水總管上的接頭尺寸相匹配，通常采用的間距為0.8?m、1.2?m、1.6?m或2.0?m。

【例1.3】

某工程需開挖一矩形基坑，基坑底部的寬度為12?m、長度為16?m，基坑的深度為4.5?m。挖土邊坡比例為1∶0.5。基坑的平面和剖面圖如圖1.35所示。經地質勘探確認，天然地面以下首先是厚度為1.0?m的黏土層，緊接著是8?m厚的中砂層(滲透系數K為12?m/d)。在離天然地面9?m以下的深度，存在不透水的黏土層。地下水位位于地面以下1.5?m處。為降低地下水位，本工程決定采用輕型井點系統，請進行井點系統的設計。

解(1)布置井點系統。

為使集水總管接近地下水位且不影響地面交通，考慮到天然地面以下1.0?m內的土質為具有內聚力的黏土層，我們將集水總管埋設在地面下0.5?m處。具體做法是先挖一個深度為0.5?m的溝槽，然后在槽底鋪設集水總管。此時，基坑上口平面尺寸(A?×?B)為

將井點系統布置成環狀，但為使反鏟挖土機和運土車輛有開行路線，在地下水的下游方向一般布置成端部開口(本例中端部開口為7?m)。另外，考慮到集水總管距離基坑邊緣1.0?m，則總管長度為

基坑短邊井點管至基坑中心的水平距離為

基坑中心要求降水深度為

s?=?(4.8?-?0.3)?-?1.5?+?0.5?=?3.5?m

采用一級輕型井點，井點管的埋設深度HA?(不包括濾管)按下式計算：

采用長為6.0?m、直徑為51?mm的井點管，濾管長度為1.0?m。為確保與集水總管順利連接，井點管露出地面0.2?m，埋入土中的實際長度為5.8?m(不包括濾管)(該長度大于所需的最小埋設深度5.4m)，故高程布置符合要求。

采用長為6.0?m、直徑為51?mm的井點管，濾管長度為1.0?m。為確保與集水總管順利連接，井點管露出地面0.2?m，埋入土中的實際長度為5.8?m(不包括濾管)(該長度大于所需的最小埋設深度5.4m)，故高程布置符合要求。

此時，基坑中心實際降水深度應修正為圖1.35輕型井點布置計算實例示意圖

(2)計算基坑涌水量。

(3)確定井點管數量及井點管間距。

(4)選擇抽水設備。

抽水設備所帶動的集水總管長度為80?m，故可選用W5型干式真空泵一套。

水泵的抽水流量為

水泵的吸水揚程為

根據Q1及Hs的數值，選用3B33型離心泵，實際施工中選用2臺，其中1臺作為備用。

3)井點管的埋設與使用

(1)井點管的埋設。

輕型井點的施工過程主要包括準備工作，井點管的埋設、使用及拆除。準備工作包括井點設備、動力、水源及必要材料的準備，排水溝的開挖，附近建筑物的標高觀測以及防止附近建筑物沉降措施的實施。

埋設井點管的程序是先排放集水總管，接著埋設井點管，并用彎聯管將井點管與集水總管接通，最后安裝抽水設備。井點管的埋設一般采用水沖法，并分為沖孔(如圖1.36(a)所示)與埋管(如圖1.36(b)所示)兩個步驟。圖1.36井點管的埋設

(2)井點管的使用。

使用輕型井點時，應保證連續不斷地抽水，并準備雙電源。若時抽時停，則濾網易堵塞，也容易抽出土粒，導致水質混濁，并可能引起附近建筑物因土粒流失而沉降開裂。正常的出水規律是“先大后小，先混后清”。抽水過程中需要經常觀測真空度，以判斷井點系統是否正常工作，真空度一般應不低于55.3～66.7?kPa。造成真空度不足的原因較多，但通常是由于管路系統漏氣，應及時檢查并采取相應措施。

8.回灌井點法

井點降水具有諸多優點，在基礎施工中得到廣泛應用，但其影響范圍較大，影響半徑可達百米甚至數百米，且會導致周圍土壤固結，進而引起地面沉陷。

回灌井點的布置圖與水位圖如圖1.37所示。圖1.37回灌井點的布置圖與水位圖

8.其他井點

1)噴射井點

噴射井點根據其工作時使用的噴射介質(液體和氣體)的不同，分為噴水井點和噴氣井點兩種。噴射井點設備主要由噴射井點管、高壓水泵(或空氣壓縮機)和管路系統等組成。噴射井點設備及平面布置簡圖如圖1.38所示。圖1.38噴射井點設備及平面布置簡圖

2)電滲井點

電滲井點適用于土的滲透系數小于0.1?m/d的含水層中，當使用一般井點無法降低地下水位時，尤其宜用于淤泥排水。

電滲井點降水的原理(如圖1.39所示)是在降水井點管的內側打入金屬棒(鋼筋或鋼管)，并連接導線。當通入直流電后，土顆粒會發生從井點管(陰極)向金屬棒(陽極)移動的電泳現象，而地下水則會出現從金屬棒(陽極)向井點管(陰極)流動的電滲現象，從而達到使軟土地基易于排水的目的。圖1.39電滲井點降水示意圖

3)管井井點

管井井點(見圖1.40)就是沿基坑每隔20～50?m設置一個管井，每個管井配備一臺水泵(如潛水泵、離心泵)進行不斷抽水，以降低地下水位。采用管井井點法時，地下水位可降低5～10?m，這種方法適用于土的滲透系數較大(K?=?20～200?m/d)且地下水量大的砂類土層。圖1.40管井井點

1.4土方工程的機械化施工

1.4.1常用的土方施工機械土方工程的施工過程包括土方開挖、運輸、填筑與壓實等步驟。由于土方工程量大、勞動繁重，施工時應盡可能采用機械化或半機械化施工方式，以減輕繁重的體力勞動，加快施工進度，并降低工程造價。

1.推土機

推土機是土方工程施工中的主要機械之一，它是由履帶式拖拉機安裝推土鏟刀等工作裝置構成的機械。根據鏟刀操縱機構的不同，推土機分為索式推土機和液壓式推土機兩種。索式推土機的鏟刀依靠自身重量切入土中，在硬土中的切土深度較小。而液壓式推土機則利用液壓操縱，能使鏟刀強制切入土中，具有較大的切土深度。同時，液壓式推土機的鏟刀還可以調整角度，具有更大的靈活性，是目前常用的一種推土機，其外形如圖1.41所示。圖1.41液壓式推土機外形圖

(1)下坡推土法(如圖1.42所示)。

推土機順地面坡勢沿下坡方向推土，借助機械本身的重力作用，可增大鏟刀的切土深度和運土數量，從而提高推土機的效率和縮短推土時間，一般可提高生產率30%～40%。但坡度不宜大于15°，以免后退時爬坡困難。圖1.42下坡推土法

(2)槽形推土法(如圖1.43所示)。

當運距較遠且挖土層較厚時，利用已推過的土槽再次推土，可以減少鏟刀兩側土的散漏，這樣作業可提高生產率10%～30%。槽深以1?m左右為宜，槽間土埂寬約0.5?m。在推出多條槽后，再將土埂推入槽內，然后統一運出。

圖1.43槽形推土法

(3)并列推土法(如圖1.44所示)。

對于大面積的施工區，可用2～3臺推土機并列推土。推土時，兩鏟刀相距15～30?cm，這樣可以減少土的散失并增大推土量，能提高生產率15%～30%。但平均運距不宜超過50～75?m，亦不宜小于20?m；且推土機數量不宜超過3臺，否則倒車不便，行駛不一致，反而會影響生產率的提高。

(4)集中推土法。

當運距較遠且土質又比較堅硬時，由于切土的深度不大，宜采用多次鏟土、集中推土的方法，使鏟刀前保持滿載，以提高生產率。圖1.44并列推土法

2.鏟運機

鏟運機是一種能夠獨立完成鏟土、運土、卸土、填筑、整平等作業的土方機械。按行走機構的不同，鏟運機可分為拖式鏟運機(如圖1.45所示)和自行式鏟運機(如圖1.46所示)兩種。拖式鏟運機由拖拉機牽引行駛，而自行式鏟運機的行駛和作業都依靠其本身的動力設備。圖1.45C6-2.5型拖式鏟運機外形圖圖1.46C3-6型自行式鏟運機外形圖

1)合理選擇鏟運機的開行路線

在場地平整施工中，鏟運機的開行路線應根據場地挖、填方區分布的具體情況合理選擇，這對提高鏟運機的生產率有很大影響。鏟運機的開行路線一般有以下幾種：

(1)環形路線。當地形起伏不大，施工地段較短時，多采用環形路線(如圖1.47(a)、(b)所示)。環形路線每一循環只完成一次鏟土和卸土，挖土和填土交替進行。當挖、填方區之間距離較短時，可采用大環形路線(如圖1.47(c)所示)，一個循環能完成多次鏟土和卸土，這樣可減少鏟運機的轉彎次數，提高工作效率。

(2)“8”字形路線。當施工地段較長或地形起伏較大時，多采用“8”字形路線(如圖1.47(d)所示)。采用這種開行路線時，鏟運機在上下坡時斜向行駛，受地形坡度限制較小；一個循環中兩次轉彎方向不同，可避免機械行駛時的單側磨損；一個循環完成兩次鏟土和卸土，減少了轉彎次數及空車行駛距離，從而亦可縮短運行時間，提高生產率。

尚需指出，鏟運機應避免在轉彎時鏟土，否則鏟刀受力不均，容易引起翻車事故。因此，為了充分發揮鏟運機的效能，保證能在直線段上鏟土并裝滿鏟斗，鏟土區應有足夠的最小鏟土長度。圖1.47鏟運機開行路線

2)合理選擇施工方法

(1)下坡鏟土法。鏟運機利用地形進行下坡推土，借助鏟運機的重力，加深鏟斗切土深度，縮短鏟土時間；但縱坡不得超過25°，橫坡不得大于5°。鏟運機不能在陡坡上急轉彎，以免翻車。

(2)跨鏟法(如圖1.48所示)。跨鏟法是指鏟運機采用間隔鏟土的方式，預留土埂。這樣，在間隔鏟土時，由于形成一個溝槽，可減少向外撒土量；在鏟土埂時，鏟土阻力會減小。一般土埂的高度不大于300?mm，寬度不大于拖拉機兩履帶間的凈距。圖1.48跨鏟法

(3)推土機助鏟法(如圖1.49所示)。在地勢平坦、土質較堅硬的情況下，可使用推土機在鏟運機后面進行頂推，以加大鏟刀的切土能力，縮短鏟土時間，提高生產率。在助鏟的間隙，推土機還可以兼作松土或平整工作，為鏟運機創造更好的作業條件。圖1.49推土機助鏟

(4)雙聯鏟運法(如圖1.50所示)。當拖式鏟運機的動力有余時，可在拖拉機后面串聯兩個鏟斗以進行雙聯鏟運。對于堅硬土層，可采用雙聯單鏟的方式，即先鏟滿一個鏟斗，再鏟另一個鏟斗；對于松軟土層，則可采用雙聯雙鏟的方式，即兩個鏟斗同時鏟土。

(5)掛大斗鏟運法。在土質松軟地區，可改用大型鏟斗，以充分利用拖拉機的牽引力，從而提高生產效率。圖1.50雙聯鏟運法

3.單斗挖土機

1)正鏟挖土機

正鏟挖土機的挖土特點是前進向上，強制切土。它適用于開挖停機面以上的一至三類土，且需與運土汽車配合完成整個挖運任務。正鏟挖土機挖掘力大，生產率高。

(1)正鏟挖土機的作業方式。

根據挖土機的開挖路線與汽車相對位置的不同，正鏟挖土機的作業方式分為正向挖土、側向卸土和正向挖土、后向卸土兩種。

正向挖土、側向卸土如圖1.51(a)所示，即挖土機沿前進方向挖土，運輸車輛停在側面裝土(可停在停機面上或高于停機面)。采用這種作業方式時，挖土機卸土時動臂轉角小，運輸車輛行駛方便，因此生產率高，應用較廣。

正向挖土、后向卸土如圖1.51(b)所示，即挖土機沿前進方向挖土，運輸車輛停在挖土機后方進行裝土。采用這種作業方式時，挖土機卸土時的動臂轉角較大，導致生產率較低，且運輸車輛需要倒車進入。這種方式一般在基坑窄而深的情況下采用。圖1.51正鏟挖土機的作業方式

(2)正鏟挖土機的工作面。

挖土機的工作面是指挖土機在一個停機點進行挖土時的工作范圍。工作面的形狀和尺寸取決于挖土機的性能和卸土方式。根據正鏟挖土機作業方式的不同，其工作面分為側工作面和正工作面兩種。

挖土機側向卸土時形成的工作面是側工作面。根據運輸車輛與挖土機的停放標高是否相同，側工作面可分為高卸側工作面(車輛停放處高于挖土機停機面)及平卸側工作面(車輛與挖土機在同一標高)。高卸、平卸側工作面的形狀及尺寸分別見圖1.52(a)和圖1.52(b)。

挖土機后向卸土時形成的工作面為正工作面，該工作面的形狀和尺寸是左右對稱的。正工作面的右半部與圖1.52(b)中平卸側工作面的右半部相同。。圖1.52側工作面的形狀及尺寸

(3)正鏟挖土機的開行通道。

開行通道指的是挖土機作業時所需遵循的既定開行路線和預設的工作面區域。這些通道和工作面的設計旨在明確挖土機的開行次序和次數，以確保基坑開挖工作能夠高效、有序地進行。

當基坑開挖深度較小時，可布置一層開行通道(如圖1.53所示)。基坑開挖時，挖土機需開行三次。第一次開行采用正向挖土、后向卸土的作業方式，其工作面為正工作面。挖土機進入基坑時需挖設坡道，坡道的坡度約為1∶8。第二、三次開行時采用正向挖土、側向卸土的作業方式，工作面為平卸側工作面。圖1.53正鏟一層通道多次開挖基坑

當基坑寬度稍大于正工作面的寬度時，為了減少挖土機的開行次數，可采用加寬工作面的方法。此時，挖土機按“之”字形路線開行，如圖1.54(a)所示。

當基坑開挖深度較大時，開行通道可布置成多層。三層通道開挖的情況如圖1.54(b)所示。圖1.54正鏟開挖基坑

2)反鏟挖土機

反鏟挖土機的挖土特點是后退向下，強制切土。反鏟挖土機的挖掘力比正鏟挖土機的小，能開挖停機面以下的一至三類土(機械傳動反鏟挖土機只宜挖一至二類土)。它不需設置進、出口通道，特別適用于一次開挖深度在4?m左右的基坑、基槽、管溝，也可用于地下水位較高的土方開挖。在深基坑開挖時，依靠止水擋土結構或井點降水，反鏟挖土機通過下坡道，采用臺階式接力方式進行挖土也是常用方法。反鏟挖土機可以與自卸汽車配合，裝土運走，也可將土棄置于坑槽附近。履帶式機械傳動反鏟挖土機如圖1.55所示，履帶式液壓反鏟挖土機見圖1.56。

圖1.55履帶式機械傳動反鏟挖土機圖1.56履帶式液壓反鏟挖土機

反鏟挖土機的作業方式可分為溝端開挖(如圖1.57(a)所示)和溝側開挖(如圖1.57(b)所示)兩種。溝端開挖是指挖土機停在基坑(槽)的端部，向后倒退進行挖土，汽車停在基槽兩側進行裝土。溝端開挖的優點是挖土機停放平穩，裝土或甩土時的回轉角度小，因此挖土效率較高，且挖的深度和寬度也較大。當基坑較寬時，可采用多次并行開挖的方式，如圖1.58所示。

圖1.57反鏟挖土機的作業方式

圖1.58反鏟挖土機多次并行挖土

3)拉鏟挖土機

拉鏟挖土機的鏟斗用鋼絲繩懸掛在挖土機長臂上，挖土時鏟斗在自重作用下落到地面切入土中，其挖土特點是后退向下、自重切土。拉鏟挖土機的挖土深度和挖土半徑均較大，能開挖停機面以下的一至二類土，但其動作的靈活性和準確性不如反鏟挖土機，適用于開挖較深、較大的基坑(槽)、溝渠，挖取水中泥土以及填筑路基、修筑堤壩等作業。

履帶式拉鏟挖土機(如圖1.59所示)的挖斗容量有0.35?m3、0.5?m3、1?m3、1.5?m3、2?m3等數種，其最大挖土深度為7.6?m(W3-50型起重機)～16.3?m(W1-200型起重機)。圖1.59履帶式拉鏟挖土機

4)抓鏟挖土機

抓鏟挖土機是在挖土機臂端用鋼絲繩吊裝一個抓斗，其挖土特點是直上直下、自重切土。抓鏟挖土機的挖掘力較小，能開挖停機面以下的一類、二類土，特別適用于開挖軟土地基基坑，尤其是窄而深的基坑、深槽、深井，采用抓鏟挖土機時效果理想。此外，抓鏟挖土機還可用于疏通舊有渠道以及挖取水中淤泥等，或用于裝卸碎石、礦渣等松散材料。也有采用液壓傳動操縱抓斗作業的液壓傳動抓鏟挖土機，其挖掘力和精度優于機械傳動抓鏟挖土機。履帶式抓鏟挖土機如圖1.60所示。圖1.60履帶式抓鏟挖土機

基坑開挖采用單斗(如反鏟等)挖土機施工時，需配合運土車輛，將挖出的土隨時運走。因此，挖土機的生產率不僅取決于挖土機本身的性能，還應與所選運土車輛的運土能力相協調。為使挖土機充分發揮生產能力，應配備足夠數量的運土車輛，以保證挖土機連續工作。下面將介紹確定挖土機數量和運土車輛數量的方法。

(2)計算運土車輛。

【例1.4】

某工程基坑土方開挖，土方量為9640?m3。現有一臺WY100型反鏟挖土機，其斗容量為1?m3，為減少基坑暴露時間，挖土工期限制在7天。挖土采用載重量為8?t的自卸汽車配合運土，要求運土車輛數能保證挖土機連續作業。已知Kc?=?0.9，Ks=?1.15，K1?=?KB?=?0.85，t?=?40?s，l?=?1.3?km，Vc?=?20?km/h。試求：

(1)?WY100型反鏟挖土機的數量；

(2)運土車輛數。

1.4.2土方挖運機械選擇和機械挖土的注意事項

選擇土方挖運機械和機械挖土時，應注意以下事項。

(1)機械開挖應根據工程規范、地下水位高低、施工機械條件、進度要求等合理地選用施工機械，以充分發揮機械效率，節省機械費用，加快工程進度。

(2)使用大型土方機械在坑下作業時，若地基為軟土地基或在雨期施工，則土方機械進入基坑行走需鋪墊鋼板或鋪設路基箱墊道。對于大型軟土基坑，為減少分層挖運土方的復雜性，還可采用“接力挖土法”，如圖1.61所示。圖1.61接力挖土法示意圖

該方法是利用兩臺或三臺挖土機分別在基坑的不同標高處同時挖土，其中一臺挖土機在地表，其余挖土機在基坑不同標高的臺階上，邊挖土邊向上傳遞到上層，由地表挖土機裝車，再用自卸汽車運至棄土地點。例如，上部可選用大型反鏟挖土機，中、下層可選用反鏟液壓中、小型挖土機，以便實現挖土、裝車的均衡作業。機械開挖不到之處，再配以人工開挖修坡、找平。基坑縱向兩端設有道路出入口，上部汽車單向行駛。采用“接力挖土法”開挖基坑時，可一次挖到設計標高，一般兩層挖土可挖到?-10?m，三層挖土可挖到?-15?m左右。與通常的開坡道運輸汽車運土法相比，這種挖土方法可能會使土方運輸效率受到一定影響。

但對于某些面積不大、深度較大的基坑，由于本身開坡道有困難，利用此法可避免載重汽車開進基坑裝土、運土，工作條件好，效率也較高，并可降低成本。最后用搭枕木垛的方法使挖土機開出基坑(如圖1.62所示)或牽引拉出。若坡度過陡，則也可用吊車吊運出坑。

圖1.62挖土機開出基坑示意圖

(3)土方開挖前應繪制土方開挖圖，明確開挖路線、順序、范圍、基底標高、邊坡坡度、排水溝、集水井位置以及挖出的土方堆放地點。繪制土方開挖圖時，應盡可能考慮使機械多挖。

(4)由于大面積基礎群基坑底標高不一，機械開挖次序一般采取先整片挖至一平均標高，然后再挖個別較深部位。當一次開挖深度超過挖土機最大挖掘高度(5?m以上)時，宜分二至三層開挖，并修筑10%～15%的坡道，以便挖土機及運輸車輛進出。

(5)基坑邊角部位，即機械開挖不到之處，應用少量人工配合清坡，將松土清至機械作業半徑范圍內，再用機械掏取運走。人工清土所占比例一般為1.5%～4%，修坡的誤差限制應以厘米計。大基坑宜另配一臺推土機進行清土、送土、運土作業。

(6)對于挖土機、運土車輛進出基坑的運輸道路規劃，應盡量利用基坑基礎一側或兩側尚未開挖且后續需開挖的部位，使之相互貫通以作為運輸道路，或者利用已提前挖除土方的地下空間(如地下設施已移除的區域)，構建相鄰基坑之間的地下運輸通道，以減少挖土量和運輸成本。

(7)由于機械挖土對土的擾動較大，且不能準確地將地基抄平，容易出現超挖現象，因此，施工中機械挖土只能挖至基底以上20～30?cm，其余20～30?cm的土方采用人工或其他方法挖除。

(8)機械挖土施工的工藝流程為：確定開挖的順序和坡度→分段分層平均下挖→修邊和清底。

1.4.3基坑土方開挖方式

1.無支護結構基坑的放坡開挖

采用放坡開挖(如圖1.63(a)所示)時，一般基坑深度較淺，挖土機可以一次開挖至設計標高。在地下水位高的地區，對于軟土基坑，通常采用反鏟挖土機配合運土汽車在地面進行作業。如果地下水位較低且坑底堅硬，則也可以讓運土汽車下坑，配合正鏟挖土機在坑底進行作業。當開挖基坑深度超過4?m，土質較好，地下水位較低，且場地條件允許放坡時，邊坡宜設置階梯平臺，進行分階段、分層開挖，每級平臺的寬度不宜小于1.5?m。圖1.63有支護結構基坑的開挖

2.有支護結構基坑的開挖

有支護結構基坑的開挖，按其坑壁結構，可分為直立壁無支撐開挖(如圖1.63(b)所示)、直立壁內支撐開挖(如圖1.63(c)所示)和直立壁拉錨(或土釘、土錨桿)開挖(如圖1.63(d)所示)。有支護結構基坑的開挖順序和方