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】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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】
[0004]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。
[0005]本发明是通过以下技术方案实现的:
[0006]—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:
[0007]第一步、沿盾构路线进行地层调查:
[0008]在隧道轴线两侧各布置一排勘探孔；
[0009]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NS30，划分为软土，如果实测标贯击数N>30，划分为硬土 ；
[0010]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；
[0011 ]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:
[0012](I)、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；
[0013](2)、帽檐装置中帽檐的伸出方向根据具体的施工工况:
[0014]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；
[0015]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；
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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10-12_的钢板。
[0021]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。
[0022]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。
[0023]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。
[0024]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。
[0025]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。
[0026]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。
[0027]本发明的工作原理为:
[0028]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。
[0029]与现有技术和其他相关专利相比，本发明具有如下的优点:
[0030]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