探究土方开挖优化策略与工具

2023-06-29 理论教育版权反馈

【摘要】：开挖和运输是土方工程施工的两个主要过程，承担这两个过程施工的机械是各类挖掘机械、挖运组合机械和运输机械。2）在挖掘黏性土时，工作面底部高度宜小于最大挖土半径时的挖掘高度，以防止出现土体倒悬的情况。推土机的开行方式基本上是穿梭式的。

开挖和运输是土方工程施工的两个主要过程，承担这两个过程施工的机械是各类挖掘机械、挖运组合机械和运输机械。

（一）挖掘机械

挖掘机械的作用主要是完成挖掘工作，并将所挖土料卸在机身附近或装入运输工具。挖掘机械按工作机构可分为单斗式或多斗式两类。

1.单斗式挖掘机

单斗式挖掘机由工作装置、行驶装置和动力装置等组成。工作装置有正向铲、反向铲、索铲和抓铲等；工作装置可用钢索或液压操作。行驶装置一般为履带式或轮胎式；动力装置可分为内燃机拖动、电力拖动和复合式拖动等几种类型。

（1）正向铲挖掘机。正向铲挖掘机工作时，其支杆一般保持某一角度不变，可挖掘停机面以上的Ⅰ～Ⅳ级土，停机面以下则挖得很浅。在组织正向铲挖掘施工时，应注意下列几点：

1）为了操作安全，使用时应将最大挖掘高度、最大挖掘半径值减少5%～10%。

2）在挖掘黏性土时，工作面底部高度宜小于最大挖土半径时的挖掘高度，以防止出现土体倒悬的情况。

3）为了发挥挖掘机的生产效率，工作面高度应不低于挖掘一次即可装满铲斗的高度。

挖掘的工作面，即挖掘机挖土时的工作空间称为掌子。根据掌子的布置不同，正向铲挖掘机有三种作业方式：正向挖土、侧向卸土；正向挖土、后方卸土；侧向挖土、侧向卸土。至于采用哪一种作业方式，应根据施工条件确定。

（2）反向铲挖掘机。反向铲挖掘机能开挖停机面以下的土方，可就地甩土或装车，适用于中小型沟渠开挖、清基、清淤等工程，工作方式可分为沟端开挖和沟侧开挖。

（3）单斗挖掘机生产率计算。施工机械的生产率是指它在一定时间内和一定条件下能够完成的工程量。生产率可分为理论生产率、技术生产率和实用生产率。实用生产率是考虑了在生产中各种不可避免的停歇时间（如加燃料、换班、中间休息等）之后，所能达到的实际生产率。

单斗挖掘机生产率计算公式为

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式中　n——设计每分钟循环次数；

q——铲斗容量（松方），m3；

K充——铲斗充盈系数，参见表4-8；

K时——挖掘机时间利用系数，可取0.8～0.9；

K修——工作循环时间修正系数；

K延——卸载延误系数，卸入弃土堆为1.0，卸入车厢为0.9；

K松——土壤可松性系数，参见表4-9；

K土——土壤级别修正系数，可采用1.0～1.2；

b——转角修正系数，转角为90°时为1.0，100°～135°时为1.08～1.37。

表4-8　挖掘机铲斗充盈系数

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表4-9　土壤可松性系数

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从式（4-2）可以看出，要想提高挖掘机的实用生产率，必须提高单位时间的循环次数和所装容量。为此可采取下述措施：

1）加长中间斗齿长度，以减小铲土阻力，从而减少铲土时间。

2）合并回转、升起、降落的操纵过程采用卸土转角小的装车或卸土方式，以缩短循环时间。

3）挖松散土料时，可更换大铲斗。

4）加强机械的保养维修，保证机械正常运转。

5）合理布置工作面，做好场地准备工作，使工作时间得以充分利用。

6）保证有足够的运输工具并合理地组织好运输路线，使挖掘机能不断地进行工作。

2.多斗式挖掘机

多斗式挖掘机是一种连续作业式挖掘机械，按构造不同，可分为链斗式和斗轮式两类。链斗式是由传动机械带动固定在传动链条上的土斗进行挖掘的，多用于挖掘河滩及水下砂砾料；斗轮式以固定在转动轮上的土斗进行挖掘，多用于挖掘陆地上土料。

（1）链斗式采砂船。水利水电工程中常用的国产采砂船有120m3/h和250m3/h两种。采砂船是无自航能力的砂砾石采掘机械，当做远距离移动时须靠拖轮拖带；近距离移动时（如开采时移动），可借助船上的绞车和钢丝绳移动。其配合的运输工具一般采用轨距为1435mm和762mm 的机车牵引矿斗车（河滩开采）或与砂驳船配合（河床水下开采）使用。

（2）斗轮式挖掘机。斗轮式挖掘机的斗轮装在可仰俯的斗轮臂上，斗轮上装有7～8个铲斗，当斗轮转动时，即可挖土；铲斗转到最高位置时，斗内土料借助自重卸到受料皮带机上卸入运输工具或直接卸到料堆上。斗轮式挖掘机的主要特点是斗轮转速较快，连续作业，因而生产率高。此外，斗轮臂倾角可以改变，且可回转360°，因而开挖范围大，可适应不同形状工作面的要求。

（二）挖运组合机械

挖运组合机械是指由一种机械同时完成开挖、运输、卸土任务，有推土机，铲运机及装载机。

1.推土机

推土机在水利工程施工中应用很广，可用于平整场地、开挖基坑、推平填方、堆积土料、回填沟槽等。推土机的运距不宜超过60～100m，挖深不宜大于1.5～2.0m，填高不宜大于2～3m。

推土机按安装方式可分为固定式和万能式两种；按操纵机构可分为索式及液压式两种；按行驶机构可分为轮胎式和履带式两种。

推土机的开行方式基本上是穿梭式的。为了提高推土机的生产率，应力求减少推土器两侧散失土料，一般可采用槽行开挖、下坡推土、分段铲土、集中推运及多机并列推土等方法。

2.铲运机

铲运机是一种能铲土、运土和填土的综合性土方工程机械。它一次能铲运几立方米到几十立方米的土方，经济运距达几百米。铲运机能开挖黏性土和砂卵石，多用于平整场地、开采土料、修筑渠道和路基以及软基开挖等。

铲运机按操纵系统分为索式和液压式两种；按牵引方式分为施行式和自行式两种；按卸土方式分为自由卸土、强制卸土和半强制卸土三种。

3.装载机

装载机是一种工作效率高、用途广泛的工程机械，它不仅可对堆积的松散物料进行装、运、卸作业，还可以对岩石、硬土进行轻度的铲掘工作，并能用于清理、刮平场地及牵引作业。如更换工作装置，还可完成堆土、挖土、松土、起重以及装载棒状物料等工作，因此被广泛应用。

装载机按行走装置可分为轮胎式和履带式两种；按卸载方式可分为前卸式、后卸式和回转式三种；按铲斗的额定重量可分为小型（小于1t）、轻型（1 ～3t ）、中型（4～8t）、重型（大于10t）四种。

（三）运输机械

水利工程施工中，运输机械有：无轨运输、有轨运输和皮带机运输等。

1.无轨运输

在我国水利水电工程施工中，汽车运输因其操纵灵活，机动性大，能适应各种复杂的地形，已成为最广泛采用的运输工具。

土方运输一般采用自卸汽车。随着施工机械化水平的不断提高，工程规模越来越大，国内外都倾向于采用大吨位重型和超重型自卸汽车，其载重量可达60～100t以上。

对于车型的选择，自卸汽车车厢容量应与装车机械斗容相匹配。一般自卸汽车容量应为挖装机械斗容的3～5 倍较适合。汽车容量太大，其生产率降低，反之挖装机械生产率减少。

对于施工道路，要求质量优良。加强经常性养护，可提高汽车运输能力和延长汽车使用年限。汽车道路的路面应按工程需要而定，一般多为泥结碎石路面，运输量及强度大的可采用混凝土路面。

对于运输线路的布置，一般是双线式和环形式，应依据施工条件，地形条件等具体情况确定，但必须满足运输量的要求。自卸汽车生产率计算式

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式中　p——运输车辆生产率（松方），m3/台班；

V——每一工作循环的载运量，一般以车厢堆装容积计，但实际载重不得超过车辆的重量，m3；

Kt——时间利用系数；

T——运输车辆工作循环时间，min。

运输车辆工作循环时间可用式（4-4）计算

式中　t1——装车时间，min；

t2——包括重车运输和空车返回的行驶时间，min；

t3——卸车和倒车转向时间，min，参见表4-10；

t4——在装载机旁的调车时间，但不包括因等候装车耽误的时间，min，参见表4-11。

表4-10　运输车辆的卸车和倒车（即掉头）时间t3　单位：min

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表4-11　运输车辆的调车（即定位）时间t4　单位：min

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装车时间t1的计算式为

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式中　P——装载机械的生产率（松方），m3/h。

行驶时间t2由行驶距离和平均行驶速度而定，应根据具体情况计算。

2.有轨运输

水利水电工程施工中所用的有轨运输，除巨型工程以外，其他工程均为窄轨铁路。窄轨铁路的轨距有1000mm、762mm、610mm几种。轨距1000mm和762mm窄轨铁路的钢轨重量为11～18kg/m，其上可行驶3m3、6 m3、15m3可倾翻的车厢，用机车牵引。轨距610mm的钢轨重量为8kg/m，其上可行驶1.5～1.6 m3可倾翻的铁斗车，可用人力推运或电瓶车牵引。

铁路运输的线路布置方式有单线式、单线带岔道式、双线式和环形式四种。线路布置及车型应根据工程量的大小、运输强度、运距远近以及当地地形条件来选定。需要指出的是，随着大吨位汽车的发展和机械化水平的提高，目前国内水利水电工程一般多采用无轨运输方式，仅在一些有特殊条件限制的情况才考虑采用有轨运输（如小断面隧洞开挖运输）。若选用有轨运输，为确保施工安全，工人只许推车不许拉车，两车前后应保持一定的距离：当坡度小于0.5%的下坡道时，不得小于10m；当坡度大于0.5%的下坡或车速大于3m/s 时，不得小于30m。每一个工人在平直的轨道上只能推运重车一辆。

3.皮带机运输

皮带机是一种连续式运输设备，适用于地形复杂，坡度较大，通过地形较狭窄和跨越深沟等情况；特别适用于运输大量的粒状材料。

按皮带机能否移动，可分为固定式和移动式两种。固定式皮带机没有行走装置，多用于运距长而路线固定的情况。移动式皮带机则有行走装置，一般长5～15m，移动方便，适用于需要经常移动的短距离运输。按承托带条的托辊分，有水平和槽形两种形式，一般常用槽形。皮带宽度有 300mm、 400mm、 500mm、 650mm、 800mm、 1000mm、1200mm、1400mm、1600mm等几种。其运行速度一般为1～2.5m/s。皮带机的允许坡度和运行速度，可参考表4-12。

表4-12　皮带机的允许坡度和运行速度

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