土方机械在施工过程中的组合设计探讨

杜增利

（中铁十九局集团矿业投资有限公司，北京 100071）

随着我国社会经济的飞速发展，作为我国国民经济支柱的建筑业的发展成就显著。在工程项目建设中，工程项目不断趋向于大型化、复杂化，土方工程作为施工过程中的第一道工序，是整个建设工程中最基本的工程之一。在大型土方工程施工过程中，由于土方量巨大，需要使用大量施工机械，因此土方机械的合理组合配置尤为重要。目前，土方工程机械化施工在我国建设领域已基本实现，在土方工程的施工过程中，土方机械的组合设计是一项十分重要的内容，因此，研究土方工程施工机械优化，可以提高施工作业的机械化水平，对保证施工质量、进度按期完成、节约施工成本有着极其重要的意义。

土方工程在施工过程的主要工序包括土方开挖、运输、填筑与压实，在施工过程中涉及到的土方机械主要有挖掘机、推土机、装载机、铲运机等[1]。上述各类土方机械适用范围、技术性能都存在差异，选用机械时应根据具体情况考虑。如果同一作业内容有多种机械可供选择时，则应进行技术经济性比较，选择生产效率高、成本费用低的机械进行施工。本文将结合运距及造价2个因素进行分析，探讨土方机械在施工过程中的最优组合。

1 常用的土方机械

1.1 土方工程挖掘机械——挖掘机

挖掘机是土方施工过程中主要的挖掘机械，其工作机理是通过挖掘机铲斗挖掘高于或低于基础面的物料，并装入运输机械或卸至堆料场的土方机械，在更换工作装置后还可实现浇筑、起重、安装、打桩、夯土和拔桩等作业[1]。在工程施工中应用广泛，如在筑路工程中可完成路基的开挖工作；在建筑工程中主要承担基础开挖工作；在水利工程可用于开挖沟渠、运河和疏浚河道；在采石场、矿石加工等工程中用于料石的剥离、矿石的采挖工作等。一般将挖掘机按铲斗容积分为以下3类：铲斗容量介于0.25～0.35m3之间的轻型挖掘机；铲斗容量介于0.35～1.5m3范围内的中型挖掘机；铲斗容量大于1.5m3的重型挖掘机。

1.2 土方工程平整机械——推土机

在土方工程施工过程中，推土机可完场对物料进行切削或搬运的工作。在道路施工中，可用于开挖路堤、桥基、填筑路基、回填土方等；在筑港和运河工程中可填筑堤坝、围堰、护岸以及开挖河床等；在一般的市政工程中可用于清除施工场地、回填基坑等作业。推土机配备有松紧器等装置，可完成土方的预松土作业，还可配合铲运机共同完成铲运作业。

根据发动机功率大小将推土机分为：功率小于30kW的超小型推土机，用于极小作业场地；功率为30～75kW的小型推土机，常用于零星土方作业；功率介于75～225kW的中型推土机，用于一般土方作业；功率为225～745kW的大型推土机，生产率高，常用于坚硬土质或深度冻土作业；功率大于745kW的特大型推土机，适用于大型露天矿开采或大型水利水电工程。在土方工程中一般使用的是履带式推土机，附着性能好，接地比压小，通过性好，爬坡能力强，可适用于土壤松软或潮湿软泥，选择推土机型号时，应选择机械成本最低的推土机。

1.3 土方工程装运机械——装载机

装载机为土方工程中用于铲装、搬运、倾卸物料及清理路面、平整场地的土方机械。主要功能包括土壤、砂石料、煤炭等散装物料的铲装及对岩石、硬土、冻土进行铲挖作业。广泛应用于采矿工程、建筑施工、水利工程及其他工业部门。

1.4 土方工程铲土运输机械——铲运机

铲运机是土方施工过程中用于大面积填挖土方的高效铲土运输机械。铲运机主要通过铲斗、破土刀完成土方铲削、物料装载、土方运输和铺筑等工作，通常适用于较为开阔的填方路段的施工。在筑路工程中可实现开挖路堑、填筑路堤、搬运土方等作业；在水利工程中可完成开挖河道、渠道、填筑土石堤坝等；在农田建设工程中可用于平整土地、洼地等。

2 运距对机械组合设计的影响

影响土方施工过程中土方机械的组合设计的因素有多种，其中运距对土方机械的选用起到主导作用，同时也决定土方机械相应配套机械的数量。因此，运距是土方工程机械化施工组合设计研究中的重要因素[2]。

在土方工程施工过程中，可以根据作业内容的运输距离来合理选择土方机械。例如，在公路工程土方施工过程中，推土机、铲运机、挖掘机都可完成土方挖运作业，但每种土方机械的经济运距存在差异。兼顾工程造价和土方机械的实际情况，公路工程施工过程中，对短距离（10～200m段）的土方转运宜采用165kW型推土机，中、长距离（大于200m段）的土方运转宜采用挖掘机配12t自卸车[3]。对任一土方机械而言，运距过短，则会影响其机械效能的正常发挥；运距过长，则会降低土方机械施工过程中的使用效率，增加施工过程的生产成本。因此，在进行土方机械组合设计时应保证每种机械在其合理运距内进行作业。依据工程经验，常用土方机械的经济运距如表1所示。

3 造价对机械组合设计的影响

在土方施工过程中除了运距的影响，造价也是确定土方机械型号的重要因素，根据全国统一施工机械台班费用定额，从概预算的角度定量地对比各类土方机械不同型号的经济效益。

表1 常用土方机械的经济运距

表2 不同型号挖掘机台班基价

在土方施工过程中挖掘机大部分采用履带式，其地面接触面积大，能满足在较松软的地方作业；在不平整的地面行驶时，能够抵抗地面凹凸不平的冲击保持车体平稳运行。在同等条件下采用不同型号的履带式单斗挖掘机的台班基价如表2所示。

在土方施工过程中同等条件下采用不同型号的履带式推土机的台班基价如表3所示。

在土方施工过程中，多采用轮胎式装载机，其具有制造成本低、行走速度快、工效高、机动灵活等优点。在同等条件下采用不同型号的轮胎式装载机的台班基价如表4所示。

在土方施工过程中同等条件下采用不同型号的铲运机的台班基价如表5所示。

在土方工程施工中，一般根据工程量来选择土方机械型号，上述表1～表5列出了常用的施工机械在同等条件下不同型号的台班基价，在实际工程中可综合土方机械的投资、工程量及施工费用之间的关系使施工经济效益达到最佳。

表3 不同型号推土机台班基价

表4 不同型号装载机台班基价

表5 不同型号铲运机台班基价

4 土方机械组合设计过程中常用模型

综合运距及造价因素后，土方施工过程中土方机械的组合设计还可通过建立相关的模型来科学的进行组合。在土方挖运过程中，常采用排队论[4]模型建立挖填方区—挖掘机械—运输机械的多节点的闭合排队系统，计算出最优的土方机械运输路线及土方机械组合配置。在土方机械选型中，基于层次分析法建立AHP模型，将选型问题系统化、数学化、模型化，通过分析影响土方机械的主要因素的权重排比得出土方机械选型的最优组合。

5 结束语

综上所述，在土方工程施工过程中应综合考虑运距及造价对土方机械组合设计的影响，以工期和成本为控制目标，建立科学、合理的组合模型，分析计算出最佳的土方机械施工组合方案。