1.3 沟槽（基坑）的土方施工
1.3.1 沟槽断面
1.常用形式
常用形式有直槽、梯形槽、混合槽、联合槽等，如图1.14所示。沟槽底宽由下式确定，如图1.15所示。
图1.14 沟槽断面种类
图1.15 沟槽底宽和挖深
l—管壁厚度：l2—管座厚度：l1—基础厚度
2.选择形式
在保证安全和工程高质量的前提下，综合考虑土质、地下水、埋深、施工现场环境条件等因素。
沟槽底宽W：
W=B+2b （1.15）
式中：W—沟槽底宽（m）；
B—基础构造宽度（m）；
b—工作面宽度（m）。
沟槽上口宽度S：
S=W+2nH （1.16）
式中：S—沟槽上口的宽度（m）；
n—沟槽边坡系数；
H—沟槽开挖深度（m）。
工作面宽度b决定于管道断面尺寸和施工方法，每侧工作面宽度如表1.6所示。
表1.6 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。
沟槽开挖深度按管道设计纵断面确定。
1.3.2 沟槽及土方量计算
通常，沟槽土方量计算采用分段平均法，基坑土方量计算按立体几何中柱体体积公式计算，如图1.16和图所示。计算公式如下：
（1）沟槽： V1=1/2（F1+F2）L=1/2（F1×F2）L1 （1.17）
（2）基坑： V=H/6（F1+4F0+F2） （1.18）
图1.16 沟槽土方量计算
图1.17 基坑土方量计算
【工程案例】已知某一给水管线纵断面图设计如图1.18所示，土质为黏土，无地下水，采用人工开槽法施工，其开槽边坡系数采用1∶0.25，工作面宽度b=0.4，计算土方量。
【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，分三段计算。
（1）各断面面积计算
①0+100处断面面积：
沟槽底宽：W=B+2b=0.6+2×0.4=1.4m
沟槽上口宽度：S=W+2nH1=1.4+2×0.25×2.4=2.6m
图1.18 管线纵断面图
②0+150处断面面积
沟槽底宽：W=B+2b=0.6+2×0.4=1.4m
沟槽上口宽度：S=W+2nH2=1.4+2×0.25×3.65=3.225m
③0+200处断面面积
沟槽底宽：W=B+2b=0.6+2×0.4=1.4m
沟槽上口宽度：S=W+2nH2=1.4+2×0.25×3.10=2.95m
④0+225处断面面积
沟槽底宽：W=B+2b=0.6+2×0.4=1.4m
沟槽上口宽度：S=W+2nH2=1.4+2×0.25×2.625=2.71m
（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：
1.3.3 沟槽（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。例如，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）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，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）保证土壁稳定。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0.8～1.5m，推土高度不应超过1.5m。
（4）专人指挥机械开挖，且留有足够的标高。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.开挖质量标准
（1）不得扰动天然地基或地基处理负荷设计规定；雨季施工时，应尽可能缩短开槽长度，且成槽快、回填快，并采取防泡槽措施。一旦发生泡槽，应将受泡的软化土层清除，换填砂石料或中粗砂。
（2）槽壁平整，边坡符合施工设计规定。
（3）沟槽底部中心每侧净宽留有足够的施工宽度；沟槽中心线每侧的净宽不应小于管道沟槽底部开挖宽度的一半。
（4）槽底标高允许误差：开挖土方时应为±20mm；开挖石方时应为+20mm、-200mm。开挖至设计管底标高以上200mm时，即停止机械作业，改用人工开挖清理至设计标高。人工开挖应在机械开挖的同时及时跟进，便于沟槽深度较大时利用挖掘机械将淤泥清出槽外。
（5）开挖沟底比设计基底每侧加宽0.5m，以保证基础施工和管道安装有必要的操作空间，沟槽开挖期间还应加强对其标高的测量，以防止超挖。
3.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种类型。
（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。挖土机按行走方式分履带式和轮胎式两种；按其操纵机构的不同，分为机械式和液压式两类，如图1.19所示。目前，多采用的是液压式挖土机，其特点是能够比较准确地控制挖土深度。
①正铲挖土机。它适用于开挖停机面以上的一至三类土，一般与自卸汽车配合完成整个挖运任务，可用于开挖高度大于2.0m的大型基坑及土丘。其特点是：开挖时土斗前进向上，强制切土，挖掘力大，生产率高，其外形如图1.20所示。正铲挖土机挖土方式有两种：正向挖土、侧向卸土和正向挖土、后方卸土。开挖工作面较大、深度不大的基坑（槽）和管沟等一般采用正向工作面挖土，侧向卸土；方便汽车倒车、装土和运土。开挖工作面较小且基坑（槽）和管沟较深时，一般采用正向挖土，后方卸土。开挖土丘一般采用侧向工作面挖土，挖土机回转卸土的角度小，且避免汽车的倒车和转弯多的缺点，如图1.21所示。如果开挖的基坑较深，还可采用分层挖土等方法，以提高生产效率。
图1.19 单斗挖土机
图1.20 正铲挖土机外形图
A—停机面上最大挖掘半径；B—最大挖掘深度；C—停机面上最小挖掘半径；D—最大挖掘半径；E—最大挖掘半径时挖掘高度；F—最大卸载高度时卸载半径；G—最大卸载高度；H—最大挖掘高度时挖掘半径；I—最大挖掘高度；J—停机面上最小装载半径；K—停机面上最大水平装载行程
图1.21 正铲挖土机挖土方式
②反铲挖土机。它适用于开挖停机面以下的一至三类土方，其机身和装土都在地面上操作，受地下水的影响较小；用于开挖沟槽和深度不大的基坑，其外形如图1.22所示。反铲挖土机挖土方法通常采用沟端开挖或沟侧开挖两种，如图1.23所示。沟端开挖反铲挖土机停于沟端，向后倒退挖土，同时往沟两侧弃土或装车运走；沟端开挖工作面宽度为：单面装土时为1.3R，双面装土时为1.7R。基坑较宽时，可多次开行开挖或按Z字形路线开挖。沟侧开挖挖土机沿基槽的一侧移动挖土，将土弃于距基槽边较远处，但开挖宽度受限制（一般为0.8R），且不能很好地控制边坡，机身停在沟边稳定性较差；一般只在无法采用沟端开挖或所挖的土不需运走时采用。后者挖土的宽度与深度小于前者，但弃土距沟边较远。
图1.22 反铲挖土机外形图
A—停机面上最大挖掘半径；B—最大挖掘深度时挖掘半径；C—最大挖掘深度；D—停机面上最小挖掘半径；E—最大挖掘半径；F—最大挖掘半径时挖掘高度；H—最大装卸高度；I—最大挖掘高度；J—最大挖掘高度时挖掘半径
图1.23 反铲挖土机作业方式
1—反铲挖土机；2—自卸汽车；3—弃土堆；R—铲臂回转半径
③拉铲挖土机。它适用于开挖停机面以下的一至三类土或水中开挖，主要开挖较深、较大的沟槽、基坑。其工效低，外形如图1.24所示。其挖土特点是“后退向下，自重切土”，挖土时土斗在自重作用下落到地面切入土中，其挖土半径和挖土深度较大，但不如反铲挖土机灵活，开挖精确性差；开挖大型基坑或水下挖土采用。拉铲挖土机的开挖方式与反铲挖土机的开挖方式相似，也可分为沟端开挖和沟侧开挖。
图1.24 拉铲挖土机外形图
④抓铲挖土机。它适用于开挖停机面以下一至三类土，主要用于开挖面积较小、深度较大的基坑及开挖水中的淤泥或疏通旧有渠道等。其外形如图1.25所示。其挖土特点是“直上直下，自重切土”，挖掘力较小；可用于开挖窄而深的基坑，疏通旧有渠道，以及挖取水中淤泥等，或用于装卸碎石、矿渣等松散材料。在软土地基地区，常用于开挖基坑、沉井等。
图1.25 抓铲挖土机
A—最大挖土半径：B—卸土高度：C—卸土半径：D—最大挖土深度：E—最大挖土深度时的挖土半径
（2）多斗挖土机
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，有装卸土传动带运输器和未装卸土传动带运输器两种。
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1.26所示。
图1.26 多斗挖土机
1—传动装置；2—工作装置；3—行走装置
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。
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
主要有：工程类型及规模，施工现场的工程及水文地质情况，现有机械设备条件，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厚的土层，由人工清理整平。
1.3.4 开挖注意问题
（1）挖前先验线。
（2）连续开挖尽快完，防止水流入基坑。
（3）坑边堆土防坍塌：及时清运；堆土0.8m以外，高≤1.5m。
（4）严禁扰动基底土，加强测量防超挖：预留层，保护层，抄平清底打木桩。
（5）发现文物、古墓停挖，上报、待处理。
（6）注意安全，雨后复工先检查。