一种适用于复合地层的小直径硬岩顶管机技术领域
本实用新型属于隧道施工设备的技术领域，具体涉及一种适用于复合地层
的小直径硬岩顶管机。
背景技术
在我国，排污、煤气、石油、热力、通信电缆等综合管道一般都是直埋地
下且错综复杂，许多管线已严重老化，无法满足城市发展与城镇化建设的需要。
随着我国城镇化建设的推进与发展，管网建设与改造将成为城市建设的当务之
急。
传统的管网改造与建设都需要将路面重新挖开或者采用矿山法施工，不仅
造成经济浪费，还影响交通、污染环境。相较传统的施工方法，顶管法施工具
有不需要开挖地面、占地面积少、交通影响小、开挖速度快、环保、经济、高
效的优势。
目前国内顶管机还局限于只适应淤、粘、粉、砂等软土地层的常规顶管机，
但在具有世界地质博物馆之称的中国，大多城市水文地质复杂，往往施工区间
以一种地质为主，多种地质情况复合，而能够适应软岩、硬岩、软硬不均等复
合底地层的顶管机还是空白。
如何利用性价比最优的隧道顶管机完成复杂地质工程项目建设的问题亟待
解决，提供一种既能在软弱地层或围岩较差地层中掘进又兼具有硬岩掘进机性
能的隧道施工装备，在地层地质变化时切换掘进模式，使一台设备具有软土、软
岩、硬岩及交替地层广泛的地质适应性，同时对地层干扰小，降低工程风险，
是隧道掘进机设计及施工中的一大难题。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种适用于复合地层
的小直径硬岩顶管机，可以适用于软硬交替地层、过渡地层，是一种适合淤、
粘、粉、砂、卵砾、风化岩等复合地层的施工装备。
本实用新型的技术方案是这样实现的：一种适用于复合地层的小直径硬岩
顶管机，包括前端的刀盘，前盾内置有驱动系统，驱动系统与刀盘相连，前盾
通过纠偏系统与尾盾相连，尾盾后端与管节连接，在盾体内设有泥水循环系统，
驱动系统通过扭腿与刀盘连接，锥环与前盾的隔板相连，扭腿、锥环设置在泥
水仓内，刀盘与前盾的隔板间形成泥水仓，前盾内设有气垫仓，泥水仓与气垫
仓之间设有连通的阀门；泥水仓上连有泥水仓排浆管，气垫仓上连有气垫仓排
浆管，泥水仓排浆管、气垫仓排浆管与泥水循环系统相连。
刀盘、驱动系统和锥环的中心线重合，中心线与盾体中心线偏心设置。
所述刀盘包括刀盘面板，刀盘面板上设有双刃滚刀、边刮刀和刮刀，刀盘
面板上中心设有单刃滚刀。
泥水仓内设有格栅板，格栅板与锥环齐平，格栅板后端设有高压水管。
所述泥水循环系统包括液压油缸，液压油缸一端与蓄能器相连。
本实用新型既能适用于软土、软岩、硬岩等单一地层，同时兼具有适用于
软硬交替地层、过渡地层，针对不同地层能够实现泥水平衡掘进模式和气垫辅
助泥水平衡两种掘进模式。本实用新型具有构造简单、施工安全、适应性强、
成本低廉的优点，为现代市政管廊施工建设提供了技术支持。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对
实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面
描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，
在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型的结构示意图。
图2为本实用新型的气垫辅助泥水平衡掘进模式示意图。
图3为本实用新型的刀盘结构示意图。
图4泥水循环系统结构示意图。
图5泥水循环系统结构原理图。
其中，1.刀盘；2.前盾；3.纠偏系统；4.尾盾；5.驱动系统；6.泥水循
环系统；7.管节；8.顶环；9.顶铁；10.主推油缸；11.后靠墙；12.泥水仓；
13.气垫仓；14.蓄能器；15.过滤器；16.液压站；17.冷却器；18.始发井；
19.扭腿；20.高压空气；21.中心线；22.盾体中心线；23.锥环；24.格栅板；
25.泥水；26.双刃滚刀；27.单刃滚刀；28.边刮刀；29.刮刀；30.泥水仓排
浆管；31.气垫仓排浆管；32.液压油缸；33.反冲洗结构。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方
案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实
施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人
员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型
保护的范围。
如图1～5所示，一种适用于复合地层的小直径硬岩顶管机，包括前端的刀
盘1，前盾2内置有驱动系统5，驱动系统5与刀盘1相连，前盾2通过纠偏系
统3与尾盾4相连，尾盾4后端与管节7固定连接，在盾体内设有泥水循环系
统6，驱动系统5通过扭腿19与刀盘1连接，锥环23与前盾2的隔板相连，扭
腿19、锥环23设置在泥水仓12内，刀盘1与前盾2的隔板间形成泥水仓12，
前盾2内设有气垫仓13，泥水仓12与气垫仓13之间设有连通的阀门；泥水仓
12上连有泥水仓排浆管30，气垫仓13上连有气垫仓排浆管31，泥水仓排浆管
30、气垫仓排浆管31与泥水循环系统6相连。驱动系统5包括蓄能器14、控制
阀组、过滤器15、液压站16和冷却器17等。
本实用新型工作原理如下：管节7、顶环8、顶铁9、主推油缸10、后靠墙
11处于始发井18内，掘进过程中，以前盾2、尾盾4作为驱动系统5及刀盘1
的支撑，由主推油缸10为整机掘进提供推力，并由驱动系统5带动刀盘1回转
开挖掘进；渣土通过刀盘1进入泥水仓12，在扭腿19的搅拌下与泥水混合，其
中较大碎石被扭腿19、锥环23破碎，直至其大小能够通过格栅板24，再通过
泥水循环系统中的泥水仓排浆管30排出隧道外；主推油缸10通过管节7、顶环
8和顶铁9将推进力传递至主机，与此同时伴随管节7背衬同步注浆减磨，实现
主机与管节7的整体前进。掘进一工作区间后，主机停机，主推油缸10收回，
在顶环8、顶铁9前增加新的管节7，然后驱动系统5、主推油缸10再次工作，
顶管机实现间歇循环向前推进，最终形成由环形管节衬砌的隧道。顶管机在掘
进发生偏转时通过纠偏系统3矫正姿势。所述纠偏系统3可以采用油缸，油缸
两端分别与尾盾、气垫仓的隔板连接，通过油缸的伸缩可以调节前盾2的方向，
防止走偏。
在顶管机在掘进过程中，需要紧急停机时，蓄能器自动控制液压油缸32的
阀门关闭，以保证泥水仓的压力平衡，确保掌子面安全。
泥水循环管路发生堵塞时通过反冲洗结构33对管路进行疏通。在地层稳定、
刀具磨损时，气垫仓13可作为人仓通道实现人员常压进仓换刀。
本实用新型可以实现两种掘进模式，1.泥水平衡掘进模式：顶管在稳定地
层顶进过程中，关闭泥水仓12与气垫仓13的连通阀门，只通过调节进浆与排
浆的流量与压力，来控制泥水仓12压力以平衡掌子面水土压力。2.气垫辅助泥
水平衡掘进模式，顶管在不稳定地层顶进过程中，打开泥水仓12与气垫仓13
的连通阀门，通过控制气垫仓13顶部的高压空气20的压力，来实时精确控制
泥水仓12中泥水25压力变化，以平衡掌子面水土压力。
刀盘1、驱动系统5和锥环23的中心线21重合，中心线21与盾体中心线
22偏心设置。这样可以保证掘进中硬岩回缩不卡盾。
所述刀盘1包括刀盘面板，刀盘面板上设有双刃滚刀26、边刮刀28和刮刀
29，刀盘面板1上中心设有单刃滚刀27。
泥水仓12内设有格栅板24，格栅板24与锥环23齐平，格栅板24后端设
有高压水管。本申请包括6个扭腿19、6个锥环23，扭腿19和锥环23表层设
有耐磨层，扭腿19和锥环23构成了破碎装置，而格栅板24后端设置有高压水
管，在格栅板发生堵塞时进行冲洗。
所述泥水循环系统6包括液压油缸32，液压油缸32一端与蓄能器14相连。
紧急情况下蓄能器14促使液压油缸32关闭，以保证泥水仓的压力平衡。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，
凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均
应包含在本实用新型的保护范围之内。