（完整版）土方工程施工

1、 第一章土方工程施工第一节概述一.土石料在水利工程建设中的应用土石是水利工程建设中最被广泛利用的当地材料，这不仅有利于群众性施工，而且随着大型高效施工机具的采用，施工人数大幅度减少，施工工期缩短，施工费用大大降低。因此，在国内外水利工程建设中，绝大多数堤坝均土石材料填筑。在我国 80%的大型水库都是土石坝，小型水库95%以上是土石坝，我省 32座大型、 135座中型、 5500座小型水库几乎都是土石坝。土石坝的高度在世界上已超过砼坝。世界上超过200米以上的高坝有 28座，其中重力坝 4座，重力拱坝 3座，拱坝 13座，连拱坝 1座，土石坝 7座。超过 300米的高坝有 2座，都是土石坝，它们

2、是前苏联在塔吉克斯坦瓦赫什河中游修建的努列克心墙土石坝，高300米，库容 105亿方，1980年建成；在该河上游修建的罗贡心墙土石坝，高 335米，库容133亿方（在建）。大量的土石料工程的兴建，为土方工程的施工积累了丰富的经验。二.土方工程的施工方法按照施工方法不同土石堤坝可分为水中填土式、水力冲填式、定向爆破式、干填碾压式。但目前国内外仍以干填碾压式堤坝为最多，故是本章要讲的重点。三.干填碾压式堤坝的作业内容干填碾压式堤坝的施工内容一般包括准备作业、基本作业、辅助作业、附加作业。1.准备作业指：场地平整，修筑道路，架设供电通讯线路，敷设供水排水设施，修建生活办公用房和清基排水工作。2.基本

3、作业指：土料的开采、挖、装、运、卸、铺平、压实。3.辅助作业指：清除料场的覆盖物，从上堤坝的土料中剔除超径石块，堤坝表面排水，刨毛和加水。这些工作是为保证基本工作顺利进行而创造有利条件的工作内容。4.附加作业指：为保证堤坝长期安全运行而需要进行的保护及修整工作，主要内容有堤坝坡的修整，铺砌护面块石和铺植草皮等。上述作业均为土方工程施工的内容，但限于教学时间的安排，本章只介绍土方开挖和土料压实两项内容。四.土的施工分级和可松性 土方的开挖、运输、压实等都涉及到土方数量，施工机具数量的平衡调配计算，这些计算又都与土的实方、虚方，而土的虚实性又与土的类型和施工级别密切相关，因此本章首先回顾土的分级和

4、土的可松性两个概念。1.土的分级：通过对岩土力学的学习，大家可能已很熟悉，土质土和岩石都属于土的大范畴，由于土质不同，开挖难易程度不同，施工方法和事故设备的选择应不同，施工单价定额也要不同，为此，工程建设中将土石分为 4级为土质土， 5 16级为岩石。教材表 1-1只列出了 4种土质土的有关特性指标。16级，12.土的可松性：可松性概念：自然土经开挖变松散体积增大，再经填筑压实而难以恢复到原来体积大小的性质称为土的可松性。可松性系数：用以表示土的可松性大的系数叫可松性系数。v2v1土在自然状态下的体积， m3最初可松性系数 ksv1v2土经开挖后的松散体积 , m3v3土经填筑、压实后的体积

5、, m3v3最后可松性系数 k sv1第二节土方开挖土石方开挖按材料性质分为土方开采，沙砾料开采，石料开采。按开采方法一般分为机械开采和爆破开采，机械开采适合于土和沙砾料，爆破开采适合于石料。土沙砾料除开挖量很小的，施工地点分散的，缺少机械设备的，基本都采用机械开挖，以降低劳动强度，提高生产率，加快施工进度。本节简单介绍几种常用的土沙砾料开挖的机械特点。一.单斗式挖掘机单斗式挖掘机是仅有一个铲土斗的挖掘机械。单斗式挖掘机主要有三部分组成（教材第二页图 1 1）：行走装置：行走装置分履带式（与地面接触面积大，单位压力小，能在较软的地面上行走，但行走转移速度慢），轮胎式（与履带式的特点基本相反），

6、步行式（）。动力装置：动力装置分电动动力（特点是效率高，操作方便，较为常用，但必须有电源），内燃机（特点与与电动动力基本相反）。工作装置：工作装置分为正向铲（图 a）、反向铲（图 b）、拉铲（图c）和抓铲（图 d）四个类型。（一）正向铲挖掘机： 1.适用条件：正向铲挖掘机是最常用的挖掘机械。它主要适于挖掘停机面以上的土方，也可挖掘停机面以下的一定深度的土方，但不能用于水下挖掘。2.斗容划分：正向铲挖掘机具有强有力的推力装置，能挖掘 1 4级土和破碎后的岩石。其型号一般用土斗容量来区分。我国目前生产的单斗式挖掘机有3.0.5、31.0、2.0、2.5、3.0、4.0、4.6、8.0、10 15m

7、，最常用的是 1 4m的。3.工作循环和效率：挖掘机的工作循环包括挖掘、回转、卸土、返回四个过程。从工作循环不难理解，其工作效率与它的斗容量、每斗作业所需时间、开挖方式和与运输机械的配合有关。为提高工作效率，要求挖土工作面高度必须满足一次铲土能装满土斗，同时尽量减少回转角度，缩短每个循环延续的时间。4.挖土方式：（分正向掌子挖土和侧向掌子挖土两种方式，挖土机挖土时的工作空间称为掌子面）1）正向掌子挖土：挖掘挖土机行走前方的土叫正向掌子挖土。适用基坑开挖。掌子的轮廓尺寸根据挖土机的工作性能和运输方式决定，为使汽车便于倒车和运土，要尽量采用最宽工作面。2）侧向掌子挖土：挖掘挖土机行走方向侧面的土叫

8、侧向掌子挖土。适宜开挖料场、土丘和渠道的土方。特点是运土汽车停在挖土机的侧面，与挖土机的开行路线平行。优点是挖土机卸土时的回转角度小，省去了汽车倒车与转弯的时间，可提高生产效率。（二）反向铲挖掘机：1.适用条件：目前反向铲挖掘机最为常用的是液压反铲。它主要适用于开挖停机面以下的土方开挖（如图 1 1b和图 1 5）象基坑、渠道、管沟开挖等。也可开挖停机面以上的土方。2.挖土特点：反铲与正铲相比，稳定性和铲土能力都较小，因此只能开挖1 2类的土，遇到硬质土需要先刨松，再用反向铲挖掘机开挖，其开挖深度可达4 6.8m.3斗容划分：3反向铲挖掘机的斗容量有 0.5、1.0、1.6m，大的有的已超过4

9、.挖土方式：（分沟端开行和沟侧开行两种方式）3m3.1）沟端开行：将挖掘机置于将要开挖的沟槽的首部，倒退着进行开挖，这种方式只能将土弃于离沟边较近的地方，但开挖的宽度和深度较大。2）沟侧开行：将挖掘机置于将要开挖的沟槽的一侧，挖掘机的行进方向与开挖沟槽的方向垂直。这种方式可以将土弃于离沟边较远的地方，但开挖的宽度和深度较小。 （三）拉铲挖掘机：（挖土铲的工作是由钢索操纵的挖掘机，既索铲如图 6）11.适用条件：开挖停机面以下的土方。另外由于索铲挖掘机的卸土多数是在机身回转过程中进行的，在自重和离心力共同作用下，较湿的粘土也可卸干净，所以最适合于开挖水下土方或含水量大的土方。2.挖土特点： 1）

10、与正向铲挖掘机的原理不同，拉铲是依靠铲斗自重切土的。铲土力小，一般不能开挖硬土。也有的将同一斗容量的拉铲分别制成轻型、中型、重型等不同重量的铲斗，轻型的用以开挖轻质松土，中型的用于开挖一般土壤和较松的沙砾石，重型的用于开挖密实的沙砾、石渣和磨蚀性大的岩块。 2）拉铲臂杆较长，因此其开挖半径、卸土半径、卸载高度大，所以最适于直接向弃土区弃土的土方工程开挖。33.斗容划分：索铲的斗容量一般有 0.5、1.0、2.0、4.0m等数种，大的可达3十多 m3,矿山剥离土层用的大型拉铲达到 168m，在水利工程施工中曾使3用斗容量 20m，工作半径 100m的巨型拉铲开挖运河。4挖土方式：（也可分沟端开行

11、和沟侧开行两种方式）1）沟端开行（也叫正面开挖法）：挖掘机沿将要开挖的沟渠中心线工作，开挖出的土可卸在沟渠的一侧或两侧，堆成弃土堆或土堤，当然也可向一侧或两侧装车。随着开挖作业的进行，挖掘机逐步后退。2）沟侧开行（也叫侧面开挖法）：挖掘机沿将要开挖的沟渠岸移动，开挖出的土卸在岸边堆成土堤或装车。再用同样的方法在沟渠对岸开挖另一半沟渠的土方。（四）抓铲挖掘机：（如图 1 1、图 1 7）1.适用条件：抓铲与索铲相比，都是由钢索操纵的，都是依靠铲斗的重量进行切土，但抓铲挖掘机的抓斗因能垂直提升和降落，因此它适于在狭窄的地方挖掘和出料，或抓取沉井中的水下淤泥、砂卵石等松软土方，当然也可以用来装卸散粒

12、材料。2.主要装置：抓斗、动臂（钢行架结构）、操纵抓斗的闭合索、提升索等。3.抓斗操作过程：1）放下抓斗：放下抓斗时，两根索同时放松，但闭合索放得稍快，抓斗便在下降过程中张开，落地后伏在地面上。2）抓取：缓缓收紧闭合索，由于抓斗的重量可使两颚板上的斗齿或刃口切入土中，并闭合起来将土装满。3）提升抓斗：同时收起两钢索，同步上升既将抓斗提起。4）卸载：当挖掘机转台旋转到卸料点上之后，放松闭合索（此时提升索制动不动）两颚板就张开卸载。二.多斗式挖掘机：（一）基本概念： 多斗式挖掘机是有若干个铲土斗组成的连续式挖掘机械。连续挖掘是通过传动机构带动固定在转动的链或转动的轮上的若干个土斗的转动来实现的。（

13、二）基本类型：这种挖掘机的类型也很多。其主要类型为链式多斗挖掘机（以采沙船为代表如图 1 8），斗轮式挖掘机（主要在陆地上工作）。1.链式多斗挖掘机（采沙船如图 1 8）：它是将链式多斗挖掘机的工作机构安装在特制的船上进行工作的。链斗挖得的砂卵石经漏斗落到横向的水平皮带输送机卸到岸上的运输车上或水上的运输船中。采沙船能在一定水深中进行水下开挖，生产效率较高。采沙船的型号通常根据小时生3产率来划分。国产的采沙船有小时生产率 120、250、320m /h,葛洲坝工程曾采用从日本进口的大型采沙船，可在水深 15m 的江中采挖沙砾料，3小时生产率达 750m /h。2.斗轮式挖掘机：这是一种将土斗固

14、定在转轮上的多斗式连续挖掘机械。适用于陆上开采生产效率很高，近几年来在水利和移山填海工程中已开始采用斗轮式挖掘机。例如我国陕西省石头河水库土石坝施工曾采用两台 WUD400/700型国产斗轮式挖掘机与带式输送机和自卸汽车配合开采33土料 110余万 m，在总运转 5000h中，单台平均小时产量为 220m，月33平均最高小时产量 509m，平均月产量 22752m，平均年产量为3235545m，都是以自然方计。三.铲运机械：（一）基本特点：铲运机械是土方工程中应用非常广泛的一类机械。它包括推土机、铲运机、装载机、松土机等。它的基本特点是：1.在构造上是以履带式和轮胎式拖拉机为基础组装而成的各种

15、专用机械。2.工作性能和工作效率与基础车的性能以及地面附着状况关系密切。3.工作原理上是以水平薄层铲土为主，能够自装自运一定距离而不需另备运输工具。4.其中一些机械还可更换工作装置进行多种作业。5.机械只有一人驾驶操作，大型机械小时铲运量上高，土方挖运费用低。1000方。所以它生产率（二）常用铲运机械简介：1.推土机：（1）基本组成：它是在履带式拖拉机前面安装上推土刀等工作装置而成。（2）主要用途：开挖宽浅沟渠和基坑，回填沟？等，清理平整场地，推平土堆，拖拉无动力机械碾压土方（如羊足碾），破松硬土（如拉动松土器） ,短距离推土运土等。（3）使用条件：推挖 1 3级土，推土距离在 100m以内，

16、运距在 30 50m（此条件下生产效率较高，一般称经济运距 60 100米）。 （4）主要型号：推土机的型号通常是按拖拉机上发动机飞轮功率的大小标定的，如国产工业履带式拖拉机的产品系列有 74KW、103KW、148KW、235KW、309KW、441KW、（分别为 100、140、200、320、420、600马力）。推土机的型号也可按推土机的功率直接编制型号，如 T 60、T 75、T 100、T 120、T 160（分别表示2 1 1 2 2其功率为 60、75、100、120、160马力）。据悉更大功率的推土机也陆续研制成功投入生产。（5）操纵方式：1）按推土刀（器）能否转动分为固定式

17、和万能式两种。固定式在立面和平面上均不能转动，具有结构简单牢固的优点，应用较普遍；万能式的推土刀可以在立面回转一定角度（一般 3 9度），在平面上回转一定角度（允许回转 30 60度），因此具有适应不同工作要求的优点。2）按推土刀（器）的操纵方式分为索式和油压式两种。索式的优点是推土刀升降快，操纵方便；缺点是不能强制切土，铲推硬土较困难。油压式的优点是可以强制切土，缺点是推土刀升高的高度和速度不如索式。（新型推土机多采用液压传动装置）。（6）生产效率：推土机的生产效率主要取决于推土刀的体积和切土、推土、回程等工作的循环时间。另外长距离推土时，土料会从推土刀两侧散失很多，有效推土量大为减少（所以

18、不宜长距离运土），为减少推土过程中土料的散失，可在推土刀两侧加挡板，或先推成槽，然后在槽中推土，或多台推土机并列开行。2.铲运机：（1）工作性能：它是典型的铲土运速机械，其作业性能是；盛土的铲斗能从地面薄层取土，并将斗装满；铲斗装有车轮，便于将土运到较远处卸料；可以在行驶中从斗中卸出，并铺成所需要的厚度；重载的铲运机在填土上行驶时，对已填铺的土还有压实作用。因此，铲运机的工作性能是能独立完成铲土、运土、卸土、铺土、压实等综合作业的工作。（2）使用条件：它生产效率高，运行费用低，因此使用于大面积的场地平整，大型基坑、河渠的开挖，河库堤坝的填筑等。（3）型号规格：铲运机的规格是以斗容量表示的。目前

19、生产的铲运机的斗容量为 4 40m3，发动机的功率为 74 700kw（100 900马力）。常用铲运机的斗容量为 4 25m3，其铲土宽度为 2.2 2.8m，铲土深度为 0.25 0.4m，铺土厚度为 .0.3 0.6m。（4）铲运机类型：1）按行走装置不同：轮胎自行式：特点是切土力小，但行驶速度快，运距在800 1500范围生产效率较高。这种类型又有单发电机自行铲运机、双发电机自行铲运机、用两台或三台自行铲运机首尾连接起来的多联铲运机等形式。 履带拖拉式：特点是切土力大，但行驶速度慢，运距在250 350范围生产效率较高。这种又有全拖拉式和半拖拉式两种。全拖拉式铲运机主要用履带拖拉机牵引

20、，铲运机的重量全部由铲运机本身的车轮承受，不传递到拖拉机上。特点是铲土时不用助推机助推，但速度慢，机组长，驾驶不方便。半拖拉式铲运机特点是铲运机重量的一部分（约35 40%）通过连接叉架转移到轮式牵引车的驱动轴上，从而增加了牵引车的附着重量。特点是机身短，操作灵活性好，行驶平稳，行驶速度高（50 70公里/小时），经济运距大。但牵引性能不如履带式，取土时常需要助推机助推。2）按铲斗的操纵系统不同：钢索操纵式：在履带式拖拉机的后部设有双卷筒铰车，用钢索控制铲斗的动作。液压操纵式：用液压油缸控制铲斗的动作。液压的比钢索的较为灵活，方便可靠。（5）生产效率：主要取决于铲斗装土的容量、铲土、运土、卸土

21、、和回程的工作循环时间的长短。为提高生产效率，可采取推土机助铲、松土机预松硬土等方法，可以加大铲土力，减少铲土阻力，缩短装土时间。为缩短空程时间，合理选择开行路线，如环行或“ 8”字形路线。四.水力和水中开挖机械（简介）：水力开挖是依靠水的力量开采土方，这类机械主要指水枪；水中开挖是指在水下开采土方，这类机械主要指吸泥船。（一）水枪开挖：1.水枪开挖施工特点：水枪是由管道输送高压水，经过喷嘴形成高速射流（流速要达 20 30m/s），将干土冲成泥浆，泥浆再沿一定坡度的输泥渠自流到填筑地或弃土坑，泥浆也可以由吸泥泵经管道输送到填筑地或弃土坑。水力冲填坝、水坠坝就是利用该法施工的坝型。2.水枪开挖

22、施工方法：根据施工特点的需要，可将水枪的基座支于地面上冲采开挖面的土方，也可以利用浮筒浮于水面上冲击基坑四壁的土方。水枪在平面上能回转 360度，在立面上也可仰俯 50 60度，开采比较方便，但需要有充足的水源条件。3.水枪开挖注意问题：利用水枪进行基础开挖具有较高的经济效益，但开挖时应防止对地基的破坏，为此，开挖到离基底设计标高之前要预留一定厚度的保护层。4.水枪开挖适宜条件：水枪开挖最适合沙土、亚粘土、淤泥等，对于开采干硬粘土时，可先用爆破法、钻孔渗水法、松土机松土法，将要开挖的土预先松软，水冲时，泥浆浓度就大，水枪冲土的生产效率就会提高。（二）吸泥船（也叫绞吸式挖泥船）：1.使用范围：水

23、下开挖、河道疏浚、水库清淤、湖泊清淤、港口清淤等。 2.组成构造：主要有泥浆泵、动力设备（电动机）、各种输泥管道、绞刀等（详见图 1 14）。3.工作原理：工作时启动泥浆泵，操纵铰车和钢索滑轮组，将绞刀架沉入水底，然后开动绞刀电动机，经传动轴带动绞刀旋转，将工作面处的泥沙翻松，并与水混成泥浆。在泥浆泵的吸取作用下，泥浆经吸泥管端部的吞口被吸入，然后由泥浆泵压出，经过架设在浮筒上的输泥管道，将泥浆送到排泥地点。挖泥时除吸泥管的吞口不断吸取外，还要借助船首两侧的边锚，配合船尾的定位桩，使船体和绞刀架左右摆动进行采挖。第三节土料压实一.土方施工简述（一）土方施工基本工序：水利工程中土方工程以土堤土坝

24、为典型代表，要求施工后的工程防渗性好、稳定性好、沉降量小，必须具有足够的密实度，必须具有足够的强度。为此，堤坝施工作业的各个工序，必须严格按设计要求和有关规范控制。堤坝施工作业的工序，在选择好土料的前提下，主要包括铺土、平土、洒水、压实、（刨毛）、质检等。堤坝作业的施工特点在于工作面狭窄，工种多，工序多，机械设备多。没有良好的施工组织，将导致相互干扰，引起窝工，延误进度，影响质量，造成浪费。为控制好各个施工工序，确保工程质量，一般的做法是“算方上料，定点卸料，随卸随平，定机定人，铺平把关，插杆检查。本节是在各个工序符合要求的同时，重点介绍土料压实的问题。（二）土料压实主要影响因素：堤坝的稳定性

25、主要靠土料内部的摩擦力、凝聚力。然而土料的摩擦力、内聚力以及土料的防渗性能都是随填土的密实度增大而提高的。例如干容重 1.4的砂壤土，压实后干容重提高到 1.7，其抗压强度可提高 4倍，渗透系数可降低 2000倍。因此压实的土料堤坝边坡较陡，工程量减少，投资降低，进度加快。影响土料压实的主要因素就是铺土厚度、压实遍数、和含水量三大要素。三者的最佳组合一般通过现场试验来确定。大家已经知道，土料是由固相的土粒、液相的水、气象的空气所组成。土料压实实质就是将由水包裹的土粒挤压充填到土粒间的空隙中，从而排走空气占有的空间，使土料的孔隙率减少，密实度提高。显然，土料压实的过程，就是在外力作用下土料的三相

26、重新组合的过程。因此研究以最小的压实功能，获得最大的压实效果，对土料压实理论和压实施工技术的发展和提高是十分必要的。（三）土方压实的含水量控制：土力学研究证实，粘性土的压实控制含水量至关重要，含水量过小，土粒间的磨阻力和粘结力较大，难以压实；含水量过大，土粒孔隙中就会出现自由水，产生孔隙水压力，压实效果不好，甚至会出现“橡皮土”。显 然，在一定压实功能下，粘性土只有在某一特定含水量时，才能取得最好的压实效果，即最大干容重，这一特定含水量就是最优含水量。最优含水量确定后，施工中要严格按此控制，土料过湿，应翻晒凉干，土料过干，应洒水湿润。对于砂性土，加水能明显降低土粒之间相对移动时的磨阻力，它透水

27、性好，排水容易，压实时不会形成明显的孔隙水压力，因此不存在最优含水量的问题，压实时可以大量洒水灌水，以提高压实效果。（四）土方压实的基本方法：土料的压实效果涉及到压实方法，压实方法涉及到压实机具，这是本节应重点要了解的基本内容。压实方法按其原理有四种：碾压法（也称静力法），它适宜各类土的压实；夯击法（也称冲击法），它适宜各类土的压实，更适宜砂性土的压实；振动法，它仅适宜砂性土的压实；综合法，它是将碾压法与振动法结合在一起的方法，有的适宜粘性土的压实，有的适宜砂性土的压实。二土方压实机械：（见图 1 15）（一）平碾（又称光面碾）：碾压特点是：单位压力小；表面土层易压成光滑硬壳；土层碾压上紧下松

28、，底部不易压实，碾压质量不均匀；不利于上下土层之间的结合；易出现剪切裂缝，对防渗不利。使用条件：砂性土、风化料，碎砾石层的碾压；对含水量较大，干容重要求低的粘性土也可使用平碾，但铺土厚度不宜超过 20 25，碾压不少于 6 12遍。平碾由于压实生产率较低，因此使用受限。（二）羊足碾：羊足碾是碾压滚筒外设交错排列的羊足，滚筒为钢铁空心，滚筒侧面设有加载孔，加载大小根据设计确定。羊足的长度随碾滚的重量增加而增加，一般为碾滚直径的 1/6 1/7。重型羊足碾可达 30吨，羊足长度达 40。羊足碾的羊足插入土中，不仅使羊足底部的土料得到压实，并且使羊足侧向的土料受到挤压，同时有利于上下土层的结合，压实

29、过程中羊足对表层土的翻松，省去了刨毛工序从而达到均匀压实的效果，增加了填方的整体性和抗渗性使用条件：防渗要求高的粘性土防渗体的压实。但不适宜沙砾料的压实，因为压实过程中羊足从行进的后面由土中拔出时，会将压实的砂性土翻松，产生侧向滑移，因此达不到应有的压实效果。（三）气胎碾：气胎碾分单轴（一排轮胎）双轴（两排轮胎）两种。教材中图为单轴式。单轴的主要构造是由装载荷重的金属车厢和装在轴上的1 154 6个气胎轮组成。碾压时在金属车厢内加载，同时将气胎按设计压力充气。为避免气胎损坏，停工时，要用千斤顶将金属车厢支托起来，并把气胎的气放掉。气胎碾由拖拉机牵引，重量很大，一般几十吨到上百吨，（60年代美国就已生产了 200吨的超重型气胎碾。）全部重量由一排充气轮胎传到土层上去。因轮胎具有弹性，压实土料