盾构在上软下硬地层中急曲线施工的轴线控制方法技术领域
本发明涉及一种盾构隧道工程施工技术领域的轴线控制技术，具体地，涉及一种
盾构在上软下硬地层中急曲线施工的轴线控制方法。
背景技术
盾构工法有着掘进速度快、施工影响小、劳动强度低的特点，是大中型隧道的主要
施工方式。该工法中，盾构机体是一个直线形圆筒状刚体，盾构机身的直线很难与急曲
线的切线方向完全吻合，进而带来超挖、土体扰动范围加大、地面沉降加大等问题，特
别对于上软下硬地层，软硬土层切削难易度不同，地面沉降变形控制难度更大，所以，
盾构机在上软下硬地层中急曲线施工的轴线控制是盾构施工中的难点之一。
经对现有技术文献的检索发现，中国专利号为200810226716.8，专利公开号为
101737058A，专利名称：小半径盾构隧道施工技术，该发明利用超挖刀、铰接装置；
管片选型和拼装；盾构姿态实时控制与调整；以及同步注浆及二次补充注浆的运用来实
现小半径盾构隧道的施工控制，但是该发明是利用超挖为代价并需及时注浆填充超挖孔
隙和进行二次注浆来进行轴线控制。然而，如果超挖量过大、同步注浆不及时或者二次
注浆不充分将会大大增加地面沉降。而且该发明只适用于简单地层条件下，没有考虑在
复杂地质条件下，特别是对于盾构穿越上软下硬地层和小半径急曲线工程的条件。利用
该发明专利的方法不能很好解决在上软下硬地层中急曲线周围的地面沉降且难以保证
轴线施工质量。所以，现有技术在上软下硬地层中急曲线施工过程中存在轴线控制不理
想、超挖量大和地面沉降大的缺点。
发明内容
针对现有技术中的不足和缺陷，本发明的目的是提出一种盾构在上软下硬地层中急
曲线施工的轴线控制方法，该方法改变了现有技术在急曲线施工中盾构机发生偏转以后
再进行纠偏的被动纠偏方式，而是采用了一种盾构改装，即在盾构壳体上加装帽檐装置
的主动纠偏方式，可以有效减少液压千斤顶各区域的推力比例，使得各区域推力更加协
调，大幅度减少管片的侧向分力，确保盾构在上软下硬地层中急曲线施工的连续纠偏，
从而减少超挖量，确保轴线控制质量。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种盾构在上软下硬地层中急曲线施工的轴线控制方法，包括如下步骤：
第一步、沿盾构路线进行地层调查：
在隧道轴线两侧各布置一排勘探孔；
通过标准贯入试验得到勘探范围内土体的实测标贯击数N，如果实测标贯击数
N≤30，划分为软土，如果实测标贯击数N>30，划分为硬土；
第二步、在盾构机上安装帽檐装置，所述帽檐装置包括至少两套固定单元、转动单
元、至少三套同步伸缩单元和帽檐，在盾构机壳体的内侧安装固定单元；将转动单元与
固定单元活动连接，使得转动单元能绕盾构机的轴线实现360度旋转；将同步伸缩单元
的后端与转动单元的前端固定连接；将每套同步伸缩单元的前端与帽檐的后端固定连
接；帽檐沿着固定单元在转动单元的带动下在盾构内部旋转到任意位置，并通过帽檐推
出长度的多少来连续不断调节转弯纠偏；
第三步、应用帽檐装置控制盾构及在上软下硬地层中急曲线施工：
(1)、在急曲线施工中，利用第一步获得上软下硬地层分布，然后根据上软下硬
地层分布来确定第二步设计的帽檐装置中帽檐的伸长量；
(2)、帽檐装置中帽檐的伸出方向根据具体的施工工况：
盾构急曲线调整：当盾构在急曲线施工时，需要向左急转弯时，将帽檐装置旋转到
盾构机体左侧并推出帽檐；当盾构机向右转弯时，将帽檐装置旋转到盾构机体右侧并推
出帽檐；
盾构平面纠偏：当盾构轴线出现左偏现象时，将帽檐装置旋转到盾构机体右侧并推
出帽檐；当盾构轴线出现偏右偏现象时，将帽檐装置旋转到盾构机体左侧并推出帽檐；
盾构垂直纠偏：当盾构轴线出现抬头现象时，将帽檐装置旋转到盾构机体下侧并推
出帽檐；当盾构轴线出现低头现象时，将帽檐装置旋转到盾构机体上侧并推出帽檐。
优选地，第一步中，在隧道轴线两侧距轴线3-4m处各布置一排勘探孔，相邻勘探
孔的间隔40-50m，勘探孔深度为隧道底以下2倍隧道直径。
优选地，第二步中，所述固定单元平行设置且相邻两个所述固定单元之间有一间距；
所述同步伸缩单元相互平行设置且相邻间距相等。所述间距可以是300-500mm。
更优选的，所述固定单元包括支座底板、支座竖板和钢轨道，其中：所述支座底板
的一面与盾构机壳体的内侧固定连接；所述支座竖板的一端焊接在所述支座底板的另一
面上、另一端与所述钢轨道的内侧固定连接。
更优选地，所述支座底板两侧设有螺栓孔，螺栓通过螺栓孔实现支座底板与盾构机
壳体的固定连接；多块所述支座底板首尾焊接相连呈环状，且该环状的圆心位于盾构机
的轴线上。所述支座底板可以采用厚度10-12mm的钢板。
更优选的，多块所述支座竖板首尾焊接相连呈环状，且该环的圆心与多块所述支座
底板形成的环的圆心重合。所述支座竖板可以采用厚度10-12mm的钢板。
更优选地，所述钢轨道的横截面为矩形，多块所述钢轨道首尾焊接相连呈环状，且
该环状的圆心与多块所述支座底板形成的环状的圆心重合。
优选地，所述转动单元包括底盘、导向架、主轮、侧轮、底轮和制动夹，其中：所
述导向架、所述底轮、所述制动夹均安装在所述底盘上；所述主轮和所述侧轮均安装在
所述导向架上，且所述主轮设置于所述钢轨道的内侧，所述侧轮设置于所述钢轨道的左、
右两侧，所述底轮设置于所述钢轨道的外侧，所述制动夹设置于所述钢轨道的垂直转角
处；通过控制所述制动夹与所述钢轨道的接触与否来控制所述转动单元的转动。
更优选地，所述同步伸缩单元包括液压油缸、法兰盘和法兰垫，其中：所述液压油
缸的后端与所述转动单元固定连接，所述液压油缸的前端与所述帽檐连接，并在所述液
压油缸与所述帽檐的连接部位设置所述法兰盘和所述法兰垫。
更优选地，所述帽檐由帽檐钢板和帽檐固定底板组成，其中：所述帽檐固定底板上
设置有螺栓孔，螺栓穿过所述螺栓孔和所述法兰盘上的螺栓孔实现所述同步伸缩单元与
所述帽檐的连接固定；所述帽檐钢板与所述帽檐固定底板焊接在一起，且所述帽檐钢板
与所述帽檐固定底板垂直焊接连接。
更优选地，所述帽檐钢板弯曲成与盾构刀盘外径一致的圆弧；所述帽檐钢板的前端
为一刃角、后端与所述帽檐固定底板固定连接。较好的，所述圆弧为60°的圆弧；所
述刃角为45°的刃角。
本发明的工作原理为：
所述帽檐装置未被使用时，所述帽檐装置利用所述伸缩单元收缩到盾构内。当盾构
需要转弯时，所述帽檐装置能够沿着所述固定单元在所述转动单元的带动下在盾构内部
360°旋转到任意位置。当旋转到理想位置时，把所述帽檐推到盾构机体外，推出长度的
多少根据上软下硬地层分布情况确定。盾构在掘进过程中，由于所述帽檐的阻挡作用，
土体会对所述帽檐产生作用力，从而使盾构两侧推力的差距加大，转弯更加迅速。所述
帽檐推出长度越大，相互作用越大，两侧推力差越大，盾构转弯的弧度越大。因此当在
上软下硬地层中急曲线施工时，盾构需要进行连续不断的向一侧转弯纠偏，而帽檐装置
方向也在该侧推出，并通过帽檐推出长度的多少来连续不断调节转弯纠偏。
与现有技术和其他相关专利相比，本发明具有如下的优点：
本发明从盾构设备的改装即设计帽檐装置，克服了现有施工方法在上软下硬地层中
急曲线轴线控制质量不高、纠偏不及时、超挖量过大导致地面沉降大等缺点和不足。所
述帽檐装置不仅只是在隧道轴线是急曲线的情况下能够使用，对于盾构掘进过程中隧道
轴线出现偏差，需进行纠偏的情况下，也能够使用。本装置将使得盾构的轴线控制和轴
线纠偏变得更加灵活自如，增加了轴线控制质量，减少了急曲线纠偏产生的超挖量。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特
征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一优选实施例的急曲线(半径：350m)勘探孔布置图；
图2为本发明一优选实施例的盾构穿越上软下硬地层示意图；
图3为本发明一优选实施例的帽檐装置总体示意图；
图4为本发明一优选实施例的帽檐装置的固定单元纵剖面示意图；
图5为本发明一优选实施例的帽檐装置的转动单元示意图；
图6为本发明一优选实施例的帽檐装置的同步伸缩单元示意图；
图7为本发明一优选实施例的帽檐装置的帽檐立体示意图；
图8为本发明一优选实施例的帽檐装置在盾构掘进机的示意图；
图9为本发明一优选实施例的帽檐装置在盾构中的工作状态示意图；
图中：
001为上层软土、002为下层硬土、003为盾构隧道、004为地面、01为帽檐装置；
1为固定单元、2为转动单元、3为同步伸缩单元、4为帽檐、5为盾构壳体、6为
盾构刀盘、7为推力；
101为支座底板、102为支座竖板、103为钢轨道、104为螺栓；
201为底盘、202为导向架、203为主轮、204为侧轮、205为底轮、206为制动夹；
301为液压油缸、302为法兰盘、303为法兰垫、304为螺栓；
401为帽檐钢板、402为帽檐固定底板、403为螺栓孔。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人
员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技
术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于
本发明的保护范围。
下面结合图1-图9与实施例对本发明做进一步的描述。
一种盾构在上软下硬地层中急曲线施工的轴线控制方法，具体实施步骤如下：
第一步、沿盾构路线进行地层调查
(1)如图1所示，急曲线半径为350m，在隧道轴线两侧距轴线4m处布置勘探孔，
每侧勘探孔的间隔50m，勘探孔深度为隧道底以下2倍隧道直径；
(2)通过标准贯入试验得到实测标贯击数N，如果实测标贯击数N≤30，划分为软土，
如果实测标贯击数N>30，划分为硬土；查明软硬地层分布情况，如图2所示，其中包
括：上层软土001，下层硬土002，盾构隧道003，地面004。
第二步、在盾构机上安装帽檐装置01
如图3所示：
(1)在盾构壳体5的内侧安装固定单元1；
(2)将转动单元2与固定单元1活动连接；
(3)将同步伸缩单元3与转动单元2固定连接；
(4)将帽檐装置4与同步伸缩单元3固定连接；
其中：所述固定单元1共有2套，均用螺栓104固定在盾构壳体5的内侧，两套固
定单元1平行设置且间距为300mm；所述转动单元2与所述固定单元1活动连接使得
所述转动单元2可绕所述盾构机的轴线360度旋转；所述同步伸缩单元3共有三套，三
套同步伸缩单元3相互平行设置且相邻间距相等；每套所述同步伸缩单元3的后端与所
述转动单元2的前端焊接；每套所述同步伸缩单元3的前端与所述帽檐4的后端固定连
接。
如图4所示，在一优选实施例中，所述固定单元1包括支座底板101、支座竖板102
和钢轨道103，其中，所述支座底板101的一面与所述盾构壳体5的内侧固定连接；所
述支座竖板102的一端焊接在所述支座底板101的另一面上，所述支座竖板102的另一
端与所述钢轨道103的内侧固定连接；
具体的：
所述支座底板101是厚度为12mm的钢板，两侧开有螺栓孔；多块支座底板101
首尾焊接相连呈环状，该环的圆心位于盾构机的轴线上；
所述支座竖板102是厚度为10mm的钢板，多块支座竖板102首尾焊接相连呈环状，
且该环的圆心与多块所述支座底板101形成的环状的圆心重合；
所述钢轨道103的横截面是矩形，多块钢轨道103首尾焊接相连呈环状，且该环的
圆心也与多块所述支座底板101形成的环状的圆心重合；
所述支座底板101、所述支座竖板102、所述钢轨道103均用角焊缝焊接，焊缝高
度8mm；所述螺栓104为M20螺栓。
如图5所示，在一优选实施例中，所述转动单元2包括底盘201、导向架202、主
轮203、侧轮204、底轮205和制动夹206，其中：所述导向架202、所述底轮205、所
述制动夹206均安装在所述底盘201上，所述主轮203和所述侧轮204安装在所述导向
架202上，且所述主轮203位于所述钢轨道103内侧、所述侧轮204位于所述钢轨道
103左右两侧、所述底轮205位于所述钢轨道103外侧、所述制动夹206位于所述钢轨
道103垂直转角处；通过控制所述制动夹206与所述钢轨道103的接触与否可以控制所
述转动单元2的转动；
具体的：
所述主轮203是由聚亚安酯或尼龙制成，其直径50mm、轮宽45mm；
所述侧轮204是由聚亚安酯或尼龙制成，其直径60mm、轮宽25mm；
所述底轮205是由聚亚安酯或尼龙制成，其直径25mm、轮宽45mm；
所述夹子206由特殊纤维材料制成。
如图6所示，在一优选实施例中，所述同步伸缩单元3包括液压油缸301、法兰盘
302和法兰垫303，其中：所述液压油缸301后端与所述转动单元2固定连接，所述液
压油缸301的前端通过法兰盘302和法兰垫303与所述帽檐4使用螺栓304连接；
具体的：
所述液压油缸301的直径为100mm，长为600mm；
所述法兰盘302的外径为220mm，公称通径为100mm，厚度为22mm，材质为20#；
所述螺栓304为4颗M18螺栓。
如图7所示，在一优选实施例中，所述帽檐4由帽檐钢板401和帽檐固定底板402
组成，其中：所述帽檐钢板401与所述帽檐固定底板402焊接在一起，采用角焊缝焊接，
焊缝高度8mm；
具体的：
所述帽檐钢板401是一块厚度为30mm、宽度为300mm、长度为盾构圆周的六分之
一的钢板，钢板弯曲成与盾构刀盘6外径一致的60°圆弧，所述帽檐钢板401前端加工
成45°刃角，后端与所述帽檐固定底板402焊接；
所述帽檐固定底板402的前端与所述帽檐钢板401焊接、后端通过设置在所述帽檐
固定底板402上的螺栓孔403与所述法兰盘301通过螺栓304连接，其中所述帽檐钢板
401与所述帽檐固定底板垂直402。
第三步、应用帽檐装置01控制盾构及在上软下硬地层中急曲线施工：
1、在急曲线施工中，利用第一步获得上软下硬地层分布然后根据上软下硬地层分
布来确定第二步设计的帽檐装置01中帽檐4的伸长量；
2、帽檐装置01中帽檐4的伸出方向需要根据具体的施工工况，具体如下：
(1)盾构急曲线调整
当盾构在急曲线施工时，需要向左急转弯的时候，将帽檐装置01旋转到盾构机体
左侧并推出帽檐4；同理可得，盾构机向右转弯的时候，将帽檐装置01旋转到盾构机
体右侧并推出帽檐4；
(2)盾构平面纠偏
如果盾构轴线出现左偏现象，将帽檐装置01旋转到盾构机体右侧并推出帽檐4；
同理可得，如果盾构轴线出现偏右偏现象，将帽檐装置01旋转到盾构机体左侧并推出
帽檐4；
(3)盾构垂直纠偏
如果盾构轴线出现抬头现象，将帽檐装置01旋转到盾构机体下侧并推出帽檐4；
同理可得，如果盾构轴线出现低头现象，将帽檐装置01旋转到盾构机体上侧并推出帽
檐4。
上述方法的工作原理：所述帽檐装置01未被使用时，所述帽檐装置01利用所述液
压油缸3收缩到盾构内。当盾构需要转弯时，所述帽檐装置01能够沿着所述固定单元
1在所述转动单元2的带动下在盾构内部360°旋转到任意位置。当旋转到理想位置时，
通过控制液压油缸3把所述帽檐4推到盾构机体外，推出长度的多少根据上软下硬地层
分布情况确定。盾构在掘进过程中，由于所述帽檐4的阻挡作用，土体会对所述帽檐4
产生作用力，从而使盾构两侧推力的差距加大，转弯更加迅速，如图9所示。所述帽檐
4推出长度越大，相互作用越大，两侧推力差越大，盾构转弯的弧度越大。因此当在上
软下硬地层中急曲线施工时，盾构需要进行连续不断的向一侧转弯纠偏，而帽檐装置
01也在该侧推出，并通过帽檐4推出长度的多少来连续不断调节纠偏。
本发明从盾构设备的改装即设计帽檐装置，克服了现有施工方法在上软下硬地层中
急曲线轴线控制质量不高、纠偏不及时、超挖量过大导致地面沉降大等缺点和不足。所
述帽檐装置不仅只是在隧道轴线是急曲线的情况下能够使用，对于盾构掘进过程中隧道
轴线出现偏差，需进行纠偏的情况下，也能够使用。所述帽檐装置使得盾构的轴线控制
和轴线纠偏变得更加灵活自如，增加了轴线控制质量，减少了急曲线纠偏产生的超挖量。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上
述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，
这并不影响本发明的实质内容。