城镇给排水技术中的沟槽开挖措施及计算方法

4.2.2.1 沟槽的开挖准备

沟槽开挖前应做好相应的准备工作，主要包括：拆除或搬迁施工区域内有碍施工的障碍物；修建排水防洪设施，在有地下水的区域，应有妥善的排水设施；修建运输道路和土方机械的运行道路；修建临时水、电、气等管线设施；做好挖土、运输车辆及各种辅助设备的维修检查、试运转和进场工作等。

4.2.2.2 沟槽断面型式及选择

给排水管道施工中的沟槽，常用的沟槽断面型式有直槽、梯形槽、混合槽、联合槽等，如图4.28所示。

正确地选择沟槽断面型式，可以为管道施工创造良好的施工作业条件。在保证工程质量和施工安全的前提下，减少土方开挖量，降低工程造价，加快施工速度。要合理选择沟槽断面型式，应综合考虑土的种类及物理力学性质（内摩擦角、黏聚力、湿度、密度等）、地下水情况、管道断面尺寸、埋深和施工环境等因素。

现以管道工程开挖为例：

沟槽底宽由下式确定，如图4.29所示。

图4.28　沟槽断面种类

图4.29　沟槽底宽与挖深

t—管壁厚度；l2—管座厚度；l1—基础厚度

式中 W——沟槽宽度，m；

B——基础结构宽度，m；

b——工作面宽度，m。

沟槽上口宽度由下式计算：

式中 S——沟槽上口的宽度，m；

n——沟槽槽壁边坡率；

H——沟槽开挖深度，m。

n值越小，边坡越陡，土体的下滑力大，一旦下滑力大于该土体的抗剪强度，土体会下滑引起边坡坍塌。

含水量大的土，土颗粒间产生润滑作用，使土粒间的内摩擦力或黏聚力减弱，因此应留有较缓的边坡。含水量小的砂土，颗粒间内摩擦力减少，亦不宜采用陡坡。当沟槽上荷载较大时，土体会在压力下产生滑移，因此边坡应缓一点，或采取支撑加固。深沟槽的上层槽应为缓坡。

沟槽开挖深度按管道设计纵断面确定。

当采用梯形槽时，其边坡的选定，应按土的类别并符合表4.11的规定。不需要支撑的直槽边坡一般采用1∶0.05。当槽深h不超过下列数值可开挖直槽并不需要支撑。

砂土、砂砾土时，h＜1.0m；亚砂土、亚黏土时，h＜1.25m；黏土时，h＜1.5m。

工作面宽度b决定于管道尺寸和施工方法，每侧工作面宽度见表4.12。

表4.11　深度在5m以内的沟槽、基坑（槽）的最大边

表4.12　沟槽底部每侧工作面宽度

注 1.管道结构宽度无管座时，按管道外皮计；有管座时，按管座外皮计；砖砌或混凝土管沟按管沟外皮计。
2.沟底需设排水沟时，工作面应适当增加。
3.有外防水的砖沟或混凝土沟，每侧工作面宽度宜取800mm。

4.2.2.3 沟槽及土方量计算

1.沟槽土方量计算

沟槽土方量计算通常采用平均法，由于管径的变化、地面的起伏，为了更准确地计算土方量，应沿长度方向分段计算，如图4.30所示。

其计算公式为

式中 V1——各计算段的土方量，m3；

L1——各计算段的沟槽长度，m；

F1、F2——各计算段两端断面面积，m2。

将各计算段土方量相加即得总土方量。

2.基坑土方量计算

基坑土方量可按立体几何中柱体体积公式计算，如图4.31所示。

图4.30　沟槽土方量计算

图4.31　基坑土方量计算

其计算公式为

式中 V——基坑土方量，m3；

H——基坑深度，m；

F1、F2——基坑上面、底面面积，m2；

F0——基坑中断面面积，m2。

【案例4.3】 已知某一给水管线纵断面图设计如图4.32所示，土质为黏土，无地下水，采用人工开槽法施工，其开槽边坡采用1∶0.25，工作面宽度b=0.4m，计算土方量。

图4.32　管线纵断面图

【解】 根据管线纵断面图，可以看出地形是起伏变化的。为此将沟槽按桩号0+100～0+150、0+150～0+200、0+200～0+225分3段计算。

1.各断面面积计算

（1）0+100处断面面积：

沟槽底宽W=B+2b=0.6+2×0.4=1.4（m）

沟槽上口宽度S=W+2nH1=1.4+2×0.25×2.3=2.55（m）

（2）0+150处断面面积：

沟槽底宽W=B+2b=0.6+2×0.4=1.4（m）沟槽上口宽度S=W+2nH2=1.4+2×0.25×3.55=3.18（m）

（3）0+200处断面面积：

沟槽底宽W=B+2b=0.6+2×0.4=1.4（m）沟槽上口宽度S=W+2nH2=1.4+2×0.25×3.10=2.95（m）

（4）0+225处断面面积：

沟槽底宽W=B+2b=0.6+2×0.4=1.4（m）沟槽上口宽度S=W+2nH2=1.4+2×0.25×2.625=2.71（m）

2.沟槽土方量计算

（1）桩号0+100～0+150段的土方量：

（2）桩号0+150～0+200段的土方量：

（3）桩号0+200～0+225段的土方量：

故沟槽总土方量为：

V=V1+V2+V3=316.75+371.75+151.63=840.13（m3）

4.2.2.4 沟槽及基坑的土方开挖

1.土方开挖的一般原则

（1）合理确定开挖顺序。保证土方开挖的顺序进行，应结合现场的水文、地质条件，合理确定开挖顺序。如相邻沟槽和基坑开挖时，应遵循先深后浅或同时进行的施工顺序。

（2）土方开挖不得超挖，减小对地基土的扰动。采用机械挖土时，可在设计标高以上留20cm土层不挖，待人工清理。即使采用人工挖土也不得超挖。如果挖好后不能及时进行下一工序时，可在基底标高以上留15cm土层不挖，待下一工序开始前再挖除。

（3）开挖时应保证沟槽槽壁稳定，一般槽边上缘至弃土坡脚的距离应不小于0.8～1.5cm，推土高度不应超过1.5cm。(www.xing528.com)

（4）采用机械开挖沟槽时，应由专人负责掌握挖槽断面尺寸和标高。施工机械离槽边上缘应有一定的安全距离。

（5）软土、膨胀土地区开挖土方或进入季节性施工时，应遵照有关规定。

2.开挖方法

土方开挖方法分为人工开挖和机械开挖两种方法。为了减轻繁重的体力劳动，加快施工速度，提高劳动生产率，应尽量采用机械开挖。

沟槽、基坑开挖常用的施工机械有单斗挖土机和多斗挖土机两个种类。

（1）单斗挖土机。单斗挖土机在沟槽或基坑开挖施工中应用广泛，种类很多。按其工作装置不同，分为正铲、反铲、拉铲和抓铲等。按其操纵机构的不同，分为机械式和液压式两类，如图4.33所示。目前，多采用的是液压式挖土机，它的特点是能够比较准确地控制挖土深度。

（2）多斗挖土机。多斗挖土机又称挖沟机、纵向多斗挖土机。多斗挖土机由工作装置、行走装置和动力操纵及传动装置等部分组成，如图4.34所示。

图4.33　挖土机

多斗挖土机与单斗挖土机相比，其优点为挖土作业是连续的，生产效率较高；沟槽断面整齐；开挖单位土方量所消耗的能量低；在挖土的同时能将土自动地卸在沟槽一侧。

多斗挖土机不宜开挖坚硬的土和含水量较大的土，宜于开挖黄土、亚黏土和亚砂土等。

多斗挖土机种类：按工作装置分，有链斗式和轮斗式两种；按卸土方法分，有装卸土皮带运输器和未装卸土皮带运输器两种。

图4.34　多斗挖土机

1—传动装置；2—工作装置；3—行走装置

3.开挖质量标准

（1）不扰动天然地基或地基处理符合设计要求。

（2）槽壁平整，边坡坡度符合施工设计规定。

（3）沟槽中心每侧净宽，不应小于管道沟槽底部开挖宽度的一半。

（4）槽底高程允许偏差：开挖土方时为±20mm，开挖石方时为+20mm、-200mm。

4.沟槽、基坑土方工程机械化施工方案的选择

大型工程的土方工程施工中应合理地选择机械，使各种机械在施工中配合协调，充分发挥机械效率，保证工程质量、加快施工进度、降低工程成本。因此，在施工前要经过经济和技术分析比较，制定出合理的施工方案，用以指导施工。

（1）制定施工方案的依据。

1）工程类型及规模。

2）施工现场的工程及水文地质情况。

3）现有机械设备条件。

4）工期要求。

（2）施工方案的选择。在大型管沟、基坑施工中，可根据管沟、基坑深度、土质、地下水及土方量等情况，结合现有机械设备的性能、适合条件，采取不同的施工方法。

开挖沟槽常优先考虑采用挖沟机，以保证施工质量，加快施工进度。也可以用反向挖土机挖土，根据管沟情况，采取沟端开挖或沟侧开挖。

大型基坑施工可以采用正铲挖土机挖土，自卸汽车运土；当基坑有地下水时，可先用正铲挖土机开挖地下水位以上的土，再用反向铲或拉铲或抓铲开挖地下水位以下的土。

采用机械挖土时，为了不使地基土遭到破坏，管沟或基坑底部应留200～300mm厚土层，由人工清理整平。

（3）挖沟机的生产率计算。挖沟机的生产率为

式中 Q——挖沟机的生产率，m3/h；

n——土斗每分钟挖掘次数；

q——土斗容量，L；

K充——土斗充盈系数；

K松——土的可松性系数；

K——土的开挖难易程度系数；

K时——时间利用系数。

在一定的土质条件下，提高挖沟机的生产率的主要途径是加快开挖时的行驶速度。但应考虑皮带运输器的运送能力是否及时将土方卸出。

（4）单斗挖土机与自卸汽车配套计算。

1）单斗挖土机生产率计算。单斗挖土机生产率计算式为

式中 Q——单斗挖土机每小时挖土量，m3/h；

n——每分钟工作循环次数；

q——土斗容量，L；

K1——土的影响系数。按土的等级确定：Ⅰ级土约为1.0；Ⅱ级土约为0.95；Ⅲ级土约为0.8；Ⅳ级土约为0.55。2）挖土机数量确定。按照土方量大小和工期，可确定挖土机数量N（单位：台），即

式中 Q——土方量，m3；

Qd——挖土机生产率，m3/台班；

T——工期，工作日；

C——每天工作班数；

KB——时间利用系数，一般取0.75～0.95。

若挖土机数量已定，工期T可按下式计算：

3）车配套计算。自卸汽车装载容量Q1，一般宜为挖土机容量的3～5倍。

自卸汽车的数量N1（单位：台），应保证挖土机连续工作，可按下式计算：

上三式中 T——自卸汽车每一工作循环延缓时间，min；

t1——自卸汽车第n次装车时间，min，t1=nt2；

n——自卸汽车第n次装土次数，

q——挖土机斗容量，m3；

KC——土斗充盈系数，取0.8～1.1；

KS——土的最初可松性系数；

ρ——土的重力密度，一般取17kN/m3；

L——运距，m；

Vc——重车与空车的平均速度，m/min，一般取20～30km/h；

t2——卸车时间，一般为1min；

t3——操纵时间（包括停放待装、等车、让车等），一般取2～3min。

4.2.2.5 沟槽开挖的技术要点

（1）当沟槽挖深较大时，应合理确定分层开挖的深度，并应符合下列规定：

1）人工开挖沟槽的槽深超过3m时应分层开挖，每层的深度不宜超过2m。

2）人工开挖多层沟槽的层间留台宽度：放坡开槽时不应小于0.8m，直槽时不应小于0.5m，安装井点设备时不应小于1.5m。

3）采用机械挖槽时，沟槽分层的深度应按机械性能确定。

（2）沟槽每侧临时堆土或施加其他荷载时，应符合下列规定：

1）不得影响建筑物、各种管线和其他设施的安全。

2）不得掩埋消火栓、管道闸阀、雨水口、测量标志以及各种地下管道的井盖，且不得妨碍其正常使用。

3）人工挖槽时，堆土高度不宜超过1.5m，且距槽口边缘不宜小于0.8m。

（3）采用坡度板控制槽底高程和坡度时，应符合下列规定：

1）坡度板应选用有一定刚度且不易变形的材料制作，其设置应牢固。

2）平面上呈直线的管道，坡度板设置的间距不宜大于20m，呈曲线管道的坡度板间距应加密，井室位置、折点和变坡点处，应增设坡度板。

3）坡度板距槽底的高度不宜大于3m。

（4）当开挖沟槽发现已建的地下各类设施或文物时，应采取保护措施，并及时通知有关单位处理。