土方开挖方法及机械应用

1.利用单斗挖掘机开挖

单斗挖掘机在公路工程中常用来开挖路堑和填筑路堤，一般均需自卸汽车配合。在进行路基土方施工前，应根据现场的施工条件，如地形、取送土位置、土壤等级、土方量、施工进度要求等，选择适宜的铲斗、斗形、斗容量，然后根据既定的挖掘机性能决定施工设计方案。

1）正铲和反铲挖掘机开挖路堑

在开挖路堑时，应严格按照路堑纵横断面图去土，不超挖。为了正确做出路堑开挖施工方案，首先应根据既定挖掘机的性能（动臂和斗柄长度、挖掘半径、挖掘高度）按比例设计出挖掘机的工作断面图，然后用它在同一比例的路堑断面图上套绘出各种布置方案的工作断面图，从中确定最佳施工方案。该最佳施工方案应使掘进道数目、运输道路的转移次数和所留土角最少；工作面的最大高度不应超出该类土壤和该型挖掘机所容许的高度，掘进道具有较大的缓坡，以利于运输和排水。挖掘机的工作断面图上应标明各掘进道桩号、机械和自卸汽车的位置以及工作面的曲线轮廓等，并且在路堑纵断面图的若干个里程桩号处也应有工作断面图，以精确定出挖掘机位置、工作道路和挖掘土方（见图1-27）。

用正铲挖掘机挖路堑时，一般先采用正向开挖，按其断面大小分层纵向掘进，然后根据路堑宽度要求选取侧向开挖或联合开挖法。

（1）侧向开挖路堑

侧向开挖路堑适用于开挖深路堑。图1-27所示为侧向分层开挖深路堑时挖掘机在纵横断面上停置的位置和顺序。第一掘进道工作面因自卸汽车停在路堑边沿受料，故挖掘高度较低。其他各个掘进道按图示顺序进行，自卸汽车停在前一个掘进道的边沿受料。挖掘机在挖完一个掘进道到达尽头时，可退回或回头反向开挖下一掘进道。

图1-27　挖掘机侧向开挖工作断面

挖掘机开挖后在路堑边坡上留下的土角，可用拉铲挖掘机或推土机来进行调整。

（2）正向开挖法开挖路堑

正向开挖法开挖路堑主要用于路堑深度在挖掘机的最大挖掘高度范围以内的路堑，挖掘机一次向前开挖全路堑至设计标高，自卸汽车则与挖掘机留在同一水平面的后面或两侧（见图1-28）。路堑较宽时，需多次掘进，才能全部挖完（见图1-29）。

图1-28　正向开挖法挖掘机配合汽车运输布置

Ⅰ，Ⅱ—掘进道。

图1-29　挖掘机正向开挖法开挖路堑

Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ—掘进道。

开挖有纵向陡坡的短堑也可用正向开挖法施工，但因修筑运输道路困难，而且生产率很低，不如侧向开挖好。

2）拉铲挖掘机开挖路堑

拉铲挖掘机适用于土壤松软且直接弃土于附近弃土堆的路堑开挖。

为了充分发挥挖掘机的性能，提高生产率，在施工前也应进行周密的施工组织设计，要充分考虑施工现场条件、路堑断面形状、土方量、弃土堆的位置与距离、动臂在平面上的转角、最大挖掘半径等因素。工作面尺寸大小和形式、机械运行方向、汽车行驶路线、弃土堆形状等与正铲挖掘机施工图所规定的相同。如果两侧弃土开挖路堑，弃土堆的位置离路堑中心线的距离在挖掘机卸料半径范围以内时，则挖掘机可停置在路堑中线上进行全断面开挖，如图1-30（a）所示。反之，则采取两掘进道开挖。如果一侧弃土开挖路堑，挖掘机应沿路堑边缘作业，如图1-30（b）所示。

图1-30　拉铲挖掘机开挖路堑

1—弃土堆。

2.利用推土机开挖

1）施工前的准备工作

（1）清除地面丛林、树干及障碍物。

（2）排除施工地区的地面水。在施工区域内设置临时性或永久性排水沟，将地面水排走。山坡地区，可在较高处（离边坡土沿5～6 m）设置截水沟，阻止地面雨水流入挖填区域内，或在需要的地段修挡水坝阻水。

（3）建筑物放线或设立标志。施工前，在地面定出土方工程的轮廓，这是一项极其重要的工作。大面积土方施工时，均以树立明显标志来替代放线，通常使用木桩、花杆或带色小旗，以便识别建筑物的边线、中心线和边坡脚线的位置。

（4）规划推土机的走行路线。提高推土机的生产率，取决于采用正确的施工方法、减少土方的运送距离、加快机器的运输速度、缩短非生产时间。因此，在施工前必须合理规划推土机的走行路线，并铺筑必要的运输干道。

以上准备工作对非推土机类工程机械的施工也有参考价值。

2）推土作业一般施工技术

（1）直铲作业

① 直铲推土机的铲土作业

推土机铲土时，首先使铲刀切入土内一定深度，然后边推边前行，以最短的时间、最短的距离铲满土或多铲土，此为铲土过程。一般常用接力铲土法，即分次铲土、叠堆推送的方法。接力铲土法可分4次、6次等接力铲土。次数的多少则根据土壤类别、铲土深度和铲土长度来决定。一般遇Ⅰ、Ⅱ类松土时，铲土厚度可深一些，铲距长一些，次数少一些；反之，遇到Ⅱ、Ⅲ类土壤时，则铲土深度浅一些，铲距短一些，次数多一些。图1-31为接力推土法。

图1-31　接力推土法

LH—铲土长度；hH—铲土深度；LT—工作地段长度（LT=LHn），n—分段数。

② 直铲推土机的运土作业

铲土过程结束后，适当提高铲刀，使之处于恰当的送土位置，并将土堆推送到卸土地点，此为运土过程。推土机运土时，为了尽可能减少运土损失，常用沟槽推土法[见图1-32（a）]、并列推土法[见图1-32（b）]和刀架加挡板法[见图1-32（c）]。

图1-32　几种运土方法

③ 直铲推土机的卸土作业

推土机通常是用提升铲刀的方法完成卸土作业的。卸土的方法视施工条件不同而异。图1-33为推土机分层填土、行驶卸土的情况。

图1-33　推土机分层填土法

图1-34所示为推土机自路侧借土坑或自路堑运土填筑路堤过程中，前进或停止后慢提升铲刀卸土，有时又重新放下铲刀架，倒退行驶拖平土壤的情况。

图1-34　推土机局部填土法

图1-35所示为推土机填塞沟堑、土坑及填筑路堤时，采用迅速提起铲刀来卸土的情况。

图1-35　推土机填塞边坡下沟槽等卸土法

（2）斜铲作业

斜铲作业主要用于傍山铲土、单侧弃土或落方推运。

此时，推土铲刀的水平回转角一般为左右各25°。作业时，一边切削土壤，一边将土壤移至一侧。

斜铲推土机的铲土、运土和卸土3个过程是同时连续进行的，大都采用低速挡行进。推土机在进行斜铲作业时，应注意机器直行，以免机身受力转动。斜铲作业的经济运距一般较直铲为短，生产率也低。

（3）侧铲作业

在铲掘Ⅱ～Ⅳ级的实土堆、小丘、台地以及冻土块时，一般的直铲与斜铲作业不能满足施工要求，此时，必须把铲刀刀片调整为侧倾。一般在Ⅳ级土壤上其倾角为4°～8°，在斜坡上工作时调为5°。此时，只用铲刀的一端工作（见图1-36）。

图1-36　推土机侧铲作业(www.xing528.com)

大型推土机是通过液压系统自动调整铲刀侧倾角度的，而中小型推土机大多需用人力来进行。因此，在推土机作业中，应尽可能不进行铲刀的调整，以免影响生产率。

3）推土机开挖时的合理使用

推土机合理使用要点如下：

（1）推土机在Ⅲ～Ⅳ级土壤或多石地带作业时，应先进行爆破或用松土机疏松。

（2）填沟作业时，铲刀不能超出沟坡边缘。后退时，应先换挡，然后提升铲刀进行倒车。

（3）在深沟、基坑或陡坡地区作业时，必须有专人指挥，其垂直边坡深度一般不超过2 m，否则应放出安全边坡。

（4）推倒房屋的围墙或旧房墙面时，墙面高度一般不超过2.5 m。不宜推带有钢筋或与地基基础连接的混凝土桩等建筑物。

（5）在电杆附近推土时，铲刀板前应保持一定的土堆，用推土机推倒树干时，应注意树干的倒向和高空架设物。

3.利用铲运机开挖

铲运机开挖路堑的作业方式有移挖作填、挖土弃掉式综合施工等。图1-37为综合作业方式的运行路线。

图1-37　综合作业方式的运行路线（单位：m）

1—弃土堆；2—铲土；3—卸土。

铲运机开挖路堑，应先从路堑两边开始，如图1-38所示，以保证边坡的质量，防止超挖和欠挖；否则，将增加边坡的修整作业量。

图1-38　铲运机开挖路堑的顺序

图1-39所示的傍山挖土是修筑山区道路的挖土方法。施工前，先利用推土机将坡顶线推出，并修出铲运机作业的上下坡道，作业应按边坡线分层进行，保持里低外高的作业断面，如图1-39（a）所示。若施工作业断面里高外低时，可先在里面铲装几斗，形成一土坎，并使一侧轮胎位于土坎上，使铲运机向里倾斜，然后铲装几斗后，便可形成外高内低的工作面，如图1-39（b）所示。但傍山挖土多用推土机和挖掘机进行。

图1-39　铲运机傍山挖土

4.利用装载机开挖

装载机开挖作业的铲装方法有一次铲装法、配合铲装法和挖掘机铲装法3种。

（1）一次铲装法

装载机直线前进，铲斗刀刃插入料堆，直至铲斗后壁与料堆接触装载机才停止前进，当铲斗向上转至装满位置后提升动臂至运输高度，如图1-40（a）所示。一次铲装法是最简单的铲装方法，对驾驶员操作水平要求不高，但其作业阻力大，需要把铲斗很深地插入料堆，因而要求装载机有比较大的插入力，同时需要很大的功率来克服铲斗上翻的转斗阻力，常用在铲装容重轻、工程量大、堆积较高的松散物料，如砂、煤、焦炭等。

图1-40　装载机铲装方法

（2）配合铲装法

装载机在前进的同时，配合转斗和动臂提升动作进行铲装作业，即当铲斗插入料堆不大的深度（0.2～0.5斗深）时，在装载机前进的同时，间断地操纵铲斗上翻，并配合动臂提升，直至装满铲斗，如图1-40（b）所示。这种方法适用于较硬的土层或工程量较大且分铺面广、厚度不大的土料。采用配合铲装方法，铲斗不需要插得很深，靠插入运动与斗刃转动、提升运动的配合，使插入阻力大大减小，铲斗也容易装满。该方法是一种比较有效的作业方法，但要求驾驶员具有较高的操作水平。

（3）挖掘机铲装法

挖掘机铲装法也称迎面施工法。当铲斗插入料堆一定深度后，装载机类似挖掘机工作状态，整机停滞在地面上，借助动臂上抬和转斗使斗齿沿工作面由下部向上摆动，形成内弧工作带。铲斗上移，切土与装料同步进行，当斗刃离开料堆后，铲斗转至运输位置，如图1-40（c）所示。该方法适用于工作面位置较高、土质较坚硬的施工场合。

5.利用平地机开挖

1）平地机作业

（1）平地作业

平地作业有下面几种方法（见图1-41）：

① 正铲平整作业：刮土板垂直于平地机的纵向轴线，平地机直线前进完成平整作业。刮土板以较小的入土深度和最大的切削宽度工作，如图1-41（a）所示。

② 刮土和移土作业：平地机斜身直行时，将刮土板置于与前进方向成某一角度，则刮起的土被移至一侧，如图1-41（b）所示。这一作业方式也可用于大量筑路材料的搅拌作业。由于刮土板可在不同方向上做不同程度的回转，所以可以根据作业需要进行多种选择。

③ 将牵引架侧摆，同时引出刮土板，可对机器侧边较远地方加以平整，如图1-41（c）所示。

④ 借助铲刀回转180°，平地机可在不需掉头的进退行驶状态实现往返作业。这一情况多用于机器无余地掉头或可以掉头但较困难时。因为回转刮土板180°所需时间较机器掉头所花时间短，对于熟练的平地机驾驶员，在进行大面积平整作业时，为了提高作业效率，也往往采用这种方法，如图1-41（d）所示。

⑤ 如果被平整的平面的边界是不规则的曲线（边界有曲线障碍物），驾驶员可以通过同时操纵转向和刮土板的引入或伸出，机动灵活地沿曲折的边界进行作业，如图1-41（e）所示。

图1-41　平地作业

（2）刷坡作业

刷坡是一种对斜坡表面的平整作业。需要修刷的坡面有路堤坡、路堑坡、取土坑和边沟坡等。在刷坡时，平地机的刮刀要侧向伸出，并调成与坡面相适应的倾角，平地机以一挡行驶，为使行驶稳定，前轮应向刮刀侧伸反方向倾斜。路堤坡的修刷如图1-42所示。

图1-42　路堤坡的修刷

当路堤坡高于平地机刮刀所能修刷的范围但坡面长度小于刮刀长度时，可用一台平地机在路堤上沿路堤边缘环形行驶，如图1-42（a）所示。如果路堤较高，一台平地机无法修刷全坡时，则可用两台平地机联合作业，一台平地机在路堤上向下刮土，另一台平地机在路基边缘沿取土坑向上刮土，如图1-42（b）所示。开始时，在路堤上的平地机应先行一步（先行10 m以上），然后堤下的平地机再开始工作，这样不会因堤上平地机工作时所刮下的土壤散落而影响堤下的平地机工作，同时也便于堤下平地机驾驶员按照堤上平地机所刮成的边坡斜度为标准，把两个平面连成一个斜面。若修刷边坡与修整路型结合进行时，可装用下弯的刷坡刀，平地机沿路堤边驶过，即可同时修整路堤和修刷坡面。

路堑坡面的修刷如图1-43所示。先将刮刀倾斜于机侧，然后使刮刀上端朝前，平地机以一挡前进并放刀切土，于是被刮下的土壤顺刀卸于左右车轮之间，然后再将这些土移走。

图1-43　平地机修刷边沟边坡和路堑边坡

刷路堑边坡时刮土角应大些，刷边沟边坡时刮土角应小些。

若要修刷90°陡坡，应将平地机刮刀倾角调整90°。为达到此目的，首先要改变刮刀升降机构的支承位置，然后靠刮刀的倾斜、侧伸和升降3个机构的协调工作来实现。

2）平地机的安全操作

（1）每天出车前，必须检查制动装置和转向装置的功能。

（2）机器下坡时必须挂挡，防止超速。

（3）平地机非作业行驶时，必须将铲刀、耙子等作业装置提升到最高位置，并将铲刀斜置，铲刀两端不得超出后轮外侧。

（4）平地机车身长、轴距大，因而转弯半径大，故在掉头和转弯时应使用低速挡，在正常行驶时应用前轮转向，只有在场地狭窄时才允许使用后轮转向。

（5）铲刀回转、铲土角调整以及牵引架向机外引出都必须在停机时进行，同时应避免铲刀调整时可能与轮胎等发生碰撞。

（6）在较坚硬地面松土时，应缓慢下落齿耙，以免折断齿尖；不得使用平地机代替推土机完成繁重的推土及松土作业。

（7）禁止平地机拖拉其他机械。