本发明涉及地下工程建设技术领域，特别涉及一种考虑土体复合支撑效应的管幕下土方开挖方法。
背景技术：
管幕法是一种新型暗挖法施工技术，它的施工原理为在始发井与接收井之间，利用顶管设备将钢管顶进土体，各钢管间依靠锁口相接形成管排，并在锁口空隙注入止水剂以达到止水要求，然后，在管幕的保护下施作地下结构。
在软土地区管幕法施工过程中，管幕法多与箱涵顶进施工工艺相结合，在箱涵结构依次顶进的同时，依靠箱涵结构的支撑作用，逐步挖出箱涵结构内土体，最终完成顶推置换施工；或者是通过拱形管幕的支撑作用，利用台阶法等土方分部开挖方式结合临时支撑系统，完成管幕下土方开挖作业。管幕法与箱涵顶进施工工艺相结合的施工工序较为繁琐，顶推施工工艺复杂，安全隐患多；拱形管幕结合临时支撑系统的土方开挖工艺，对于软土地区适应性较差，而且，拱形管幕浪费施工空间，对其上方土体的扰动影响较大。
技术实现要素：
针对现有软土地区管幕法施工过程中存在施工工艺复杂、安全隐患多、对上方土体扰动影响较大的问题。本发明的目的是提供一种管幕下土方开挖方法，对管幕下方待开挖土体采取格栅式冻结施工，并结合跳仓法依次实施土方开挖施工，利用了已有冻结土体的支撑作用，减少了相邻土体开挖造成的扰动影响，并避免了土体无序开挖导致的不安全隐患。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种管幕下土方开挖方法，步骤如下：
s1：对管幕下方土体实施格栅式冻结施工,将所述管幕下方土体划分成格栅状的若干个块区，为间隔设置的块区一和块区二，所述块区一土体为未冻结土体，所述块区二土体为冻结土体，所述块区一和所述块区二四周土体冻结后形成冻结壁，计算分析确定所述块区一和所述块区二的开挖尺寸，以及所述块区一和所述块区二四周冻结壁的尺寸；
s2：以跳仓开挖方式挖除所述块区一内未冻结土体，在所述块区一的顶部冻结壁与底部冻结壁之间安装临时支撑装置，然后，再挖除所述块区二内恢复到未冻结状态的土体，在所述块区二的顶部冻结壁与底部冻结壁之间安装临时支撑装置；
s3：挖除所述块区一和所述块区二顶部冻结壁中间部位土体并安装水平设置的支撑一，所述支撑一底部通过与其垂直固接的临时支杆支撑于底部冻结壁；
s4：挖除所述块区一和所述块区二顶部冻结壁两侧的剩余土体，分别在所述支撑一两侧安装水平设置的支撑二，且所述支撑一和所述支撑二固接，使所述临时支撑装置的顶部与所述支撑二相抵，拆除所述临时支杆；
s5：挖除所述块区一和所述块区二之间的侧面冻结壁，并在相邻两个所述支撑二之间安装支撑三，并将所述支撑一、支撑二和支撑三连接成一个整体的水平支撑；
s6：重复步骤s2至s5，沿所述管幕的长度方向逐步实施土方开挖及支撑施工。
优选的，所述步骤s2中，所述临时支撑装置包括由至少四根竖杆及连接于相邻两根所述竖杆之间的斜撑构成的框架主体，沿所述管幕的长度方向安装于所述块区一或所述块区二底部冻结壁上的一对滑轨，以及分别连接于所述竖杆底部的至少四个滑动支座，所述滑动支座的凹槽与所述滑轨相匹配。
优选的，所述步骤s2中，先在所述块区一、所述块区二的顶部冻结壁与底部冻结壁之间安装至少四根竖杆，待所述步骤s4全部挖除所述顶部冻结壁并安装所述支撑二后，在相邻两根所述竖杆之间组装斜撑以构成框架主体，使所述竖杆顶端与所述支撑二相抵。
优选的，所述步骤s6中，沿所述管幕长度方向设置的相邻两个所述块区的滑轨之间螺纹连接。
优选的，所述步骤s4中，所述临时支撑装置每根竖杆的顶部均安装有一个竖向位移补偿装置，所述竖向位移补偿装置包括液压缸、支撑座、顶杆、至少两个支撑架、至少两个锁紧块、至少两个自锁油缸，以及plc控制单元，所述顶杆的一端与所述液压缸的活塞杆螺栓连接，所述顶杆的另一端与所述支撑二的底部相抵，所述支撑座套设于所述顶杆外侧且与所述液压缸螺栓连接，至少两个所述支撑架均布于所述支撑座外壁并固接，每个所述支撑架上均安装一个自锁油缸，所述自锁油缸的一端与所述支撑架的端板铰接，所述自锁油缸的另一端与半圆形的锁紧块销连接，两个所述锁紧块相对设置并套设于所述顶杆外侧，所述锁紧块内壁的导槽与所述顶杆外壁的卡牙相互啮合，所述液压缸内设有位移传感器，且所述位移传感器与所述plc控制单元信号连接；当所述竖向位移补偿装置与所述支撑二的间隙过大时，所述位移传感器将信号反馈给所述plc控制单元，所述plc控制单元发出指令使所述液压缸的活塞杆伸出，使得所述顶杆向上移动并与所述支撑二相抵后自锁；当所述竖向位移补偿装置与所述支撑二的间隙过小时，所述plc控制单元发出指令使所述液压缸的活塞杆收缩，使得所述顶杆向下移动并与所述支撑二相抵后自锁。
本发明的效果在于：本发明的管幕下土方开挖方法，综合考虑土体复合支撑效应，对管幕下方待开挖土体采取格栅式冻结施工，并结合跳仓法依次实施土方开挖施工，最大限度地利用了已有冻结土体的支撑作用，可减少临时支撑装置的受力，降低其支撑构件的截面面积，使得支撑施工更易于操作；跳仓法在实现流水作业的同时，减少了相邻土体开挖造成的扰动影响，保证了软土地区管幕下狭小空间内土方开挖施工的稳定性，避免了土体无序开挖导致的不安全隐患。
附图说明
图1至图6为本发明一实施例的管幕下土方开挖方法各施工步骤的示意图；
图7为本发明一实施例的竖向位移补偿装置的结构示意图。
图中标号如下：
块区一1；块区二2；管幕10；地下围护结构11；滑轨21；滑动支座22；竖杆23；水平支撑24；支撑一24a；支撑二24b；支撑三24c；临时支杆25；斜撑26；顶部冻结壁32；底部冻结壁31；侧面冻结壁33；
竖向位移补偿装置27；液压缸271；支撑座272；顶杆273；支撑架274；端板275；自锁油缸276；锁紧块277。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种管幕下土方开挖方法作进一步详细说明。根据下面的说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。为叙述方便，下文中所述的“上”、“下”与附图的上、下的方向一致，但这不能成为本发明技术方案的限制。
本实施例结合冻结法和跳仓法进行施工，冻结法是将待开挖地下空间周围土体中的水冻结为冰并与土体胶结在一起形成设计轮廓的冻结土体，用以抵抗土体压力并隔绝地下水，冻结土体创造了良好的承载及密封性能，为构筑新的地下空间服务，施工完成后，根据需要拔除冻结管，冻结土体将逐渐恢复到未冻结状态。跳仓法是将待开挖地下空间划分成若干个块区，并采用间隔施工的方式，在实现流水作业的同时减少了相邻土体开挖造成的扰动影响。
下面结合图1至图6说明本发明的一种管幕下土方开挖方法，具体步骤如下：
s1：开挖待施工管幕区域两侧的工作井，即始发井与接收井(图中未示出)，施工待施工管幕区域的地下围护结构11再施作管幕10；对管幕10下方土体实施格栅式冻结施工,将管幕10下方土体划分成格栅状的若干个块区，即如图1所示的间隔设置的块区一1和块区二2，块区一1土体为未冻结土体，块区二2土体为冻结土体，块区一1和块区二2四周土体冻结后形成冻结壁，计算分析确定块区一1和块区二2的开挖尺寸，以及块区一1和块区二2四周冻结壁的尺寸；
s2：如图2所示，采用跳仓开挖施工工艺，先挖出块区一1内未冻结土体，在块区一1的顶部冻结壁32与底部冻结壁31之间安装临时支撑装置，然后，如图3所示，拔除块区二2的冻结管，再挖除块区二2内恢复到未冻结状态的土体，在块区二2的顶部冻结壁32与底部冻结壁31之间安装临时支撑装置；
s3：如图4所示，在临时支撑装置的支撑作用下，挖除块区一1和块区二2顶部冻结壁32中间部位土体并安装水平设置的支撑一24a，支撑一24a底部通过与其垂直固接的临时支杆25支撑于底部冻结壁31；
s4：如图5所示，挖除块区一1和块区二2顶部冻结壁32两侧的剩余土体，分别在支撑一24a两侧安装水平设置的支撑二24b，且支撑一24a和支撑二24b固接，使临时支撑装置的顶部与支撑二24b相抵，拆除临时支杆25；
s5：如图6所示，挖除块区一1和块区二2之间的侧面冻结壁33，并在相邻两个支撑二24b之间安装支撑三24c，使得支撑一24a、支撑二24b和支撑三24c连接成一个整体的水平支撑24，水平支撑24由型钢或钢筋混凝土制成；
s6：重复步骤s2至s5，沿管幕10的长度方向逐步实施土方开挖及支撑施工，在土方开挖完毕后，进行下一步施工工序，如地下结构顺作或下方土体开挖施工等。
本发明的管幕下土方开挖方法，综合考虑土体复合支撑效应，对管幕10下方待开挖土体采取格栅式冻结施工，并结合跳仓法依次实施土方开挖施工，最大限度地利用了已有冻结土体的支撑作用，可减少临时支撑装置的受力，降低其支撑构件的截面面积，使得支撑施工更易于操作；跳仓法在实现流水作业的同时，减少了相邻土体开挖造成的扰动影响，保证了软土地区管幕10下狭小空间内土方开挖施工的稳定性，避免了土体无序开挖导致的不安全隐患。
上述步骤s2中，临时支撑装置包括由至少四根竖杆23及连接于相邻两根竖杆23之间的斜撑26构成的框架主体，沿管幕10的长度方向安装于块区一1或块区二2底部冻结壁31上的一对滑轨21，以及分别连接于竖杆23底部的至少四个滑动支座22，滑动支座22的凹槽与滑轨21相匹配，使得框架主体能够根据施工需要沿滑轨21移动，较佳的，本实施例在相邻两根竖杆23之间安装剪力撑形成框架主体，结构更加稳定可靠。
临时支撑装置可以整体组装后安装于块区内，当然，为了更便于运输及施工，也可将临时支撑装置的各构件在块区内现场拼装，具体而言，在步骤s2中，先在块区一1、块区二2的顶部冻结壁32与底部冻结壁31之间安装至少四根竖杆23起临时支撑作用，待步骤s4全部挖除顶部冻结壁32并安装支撑二24b后，在相邻两根竖杆23之间组装斜撑26以构成结构更加稳定的框架主体，使竖杆23顶端与支撑二24b相抵。
上述步骤s6中，沿管幕10长度方向设置的相邻两个块区的滑轨21之间螺纹连接，滑轨21能够根据施工需要快速安装及拆卸，从而实现滑轨21的重复利用，本实施例的滑轨21由型钢制成。
如图7所示，上述步骤s4中，临时支撑装置每根竖杆23的顶部均安装有一个竖向位移补偿装置27，竖向位移补偿装置27包括液压缸271、支撑座272、顶杆273、至少两个支撑架274、至少两个锁紧块277、至少两个自锁油缸276，以及plc控制单元(图中未示出)，顶杆273的一端与液压缸271的活塞杆螺栓连接，顶杆273的另一端与支撑二24b的底部相抵，支撑座272套设于顶杆273外侧且与液压缸271螺栓连接，至少两个支撑架274均布于支撑座272外壁并固接，每个支撑架274上均安装一个自锁油缸276，自锁油缸276的一端与支撑架274的端板275铰接，自锁油缸276的另一端与半圆形的锁紧块277销连接，两个锁紧块277相对设置并套设于顶杆273外侧，锁紧块277内壁的导槽与顶杆273外壁的卡牙相互啮合，液压缸271内设有位移传感器，且位移传感器与plc控制单元信号连接。
当竖向位移补偿装置27与支撑二24b之间的间隙过大时，位移传感器将信号反馈给plc控制单元，plc控制单元发出打开机械自锁指令，自锁油缸276的活塞杆回缩，带动两个锁紧块277向相反方向移动，随后，plc控制单元发出指令使液压缸271的活塞杆伸出，使得顶杆273向上移动并支撑二24b相抵，plc控制单元发出自锁指令，使自锁油缸276的活塞伸出，带动两块锁紧块277相向移动锁定顶杆273位置；相反，当竖向位移补偿装置27与水平支撑24的间隙过小时，plc控制单元发出指令使液压缸271的活塞杆收缩，使得顶杆273向下移动并与支撑二24b相抵后自锁。可见，高精度的位移传感器能够对临时支撑装置与水平支撑24之间的间距进行实时数据采集与分析，并通过plc控制单元控制顶杆273伸缩实现临时支撑装置竖向位移的智能化补偿，操作方便，而且调节精度高。本实施例的竖向位移补偿装置27的结构仅是一个示例，并不局限于此。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求范围。