一种用于富水鹅卵石地层的同平面多刀盘矩形隧道掘进机技术领域
本发明涉及隧道施工装备技术领域，具体说是一种用于富水鹅卵石地层的同平面
多刀盘矩形隧道掘进机。
背景技术
随着经济的发展，城市化进程逐渐加快，路面空间越来越小，地下隧道建设已经成
为当前建筑施工领域的一个新方向。矩形隧道掘进机具有空间利用率高、覆土浅和施工成
本相对低廉的优点，其有效使用面积较圆形顶管增大20%以上。目前国内矩形隧道掘进机还
局限于只适应淤、粘、粉、砂等软土地层的常规矩形隧道掘进机，但在富水鹅卵石地层领域
矩形隧道掘进机的应用还是空白。
鹅卵石地层稳定性差且含有细砂，流动性强，在隧道开挖时无法形成自然力拱，即
掌子面不稳定，易发生坍塌现象。矩形隧道掘进机通常是由多个刀盘前后组合交叉排布，依
靠前后刀盘开挖面的相互弥补，来尽可能的减少矩形区域的开挖盲区。但这种刀盘组合形
式对土体的扰动较大，搅拌区域有限，渣土流动性差，因此只适用于地层相对稳定的工况
下，在富水鹅卵石地层中，前后刀盘的开挖差为流沙的喷涌提供了空间，易引起土体坍塌。
简单的刀盘同平面布置虽然可以对掌子面起到一定的支撑，但极端情况下鹅卵石地层流沙
仍可经设备涌喷形成溶洞，该情况一旦发生该如何解决、沉降控制如何保障也是设备施工
所需要面临的问题。此外，刀盘同平面布置也会导致较大的开挖盲区，对该地层中富含的大
尺寸鹅卵石的排出也提出了挑战。
因此，如何实现富水鹅卵石地层矩形隧道非开挖施工的问题亟待解决，一种适用
于富水鹅卵石地层的矩形隧道掘进装备亟需被提供。
发明内容
本发明的发明目的在于，克服目前现有鹅卵石地层矩形掘进机存在的对土体扰动
大，搅拌区域有限，渣土流动性差，易引起土体坍塌的缺陷，从而实现一种刀盘在同一平面
内，同时使掌子面得到有效支撑，避免了土体坍塌，对鹅卵石地层适应性较好的用于富水鹅
卵石地层的同平面多刀盘矩形隧道掘进机。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：一种用于富水鹅卵石地层的同平面
多刀盘矩形隧道掘进机，包括起支撑作用的盾体、位于盾体前端的刀盘机构、刀盘机构后侧
的刀盘驱动机构和渣土输送机构，所述盾体的截面为矩形，且盾体包括前盾、纠偏油缸和尾
盾，所述前盾和尾盾通过纠偏油缸连接，所述刀盘机构包括同平面对称布置的10个刀盘，且
刀盘机构包括大刀盘、中型刀盘、小刀盘和微型刀盘，所述大刀盘为4个，且大刀盘位于开挖
断面的四角处；所述中型刀盘为2个，且中型刀盘位于开挖断面的竖向中间上下侧；所述小
刀盘为2个，且小刀盘位于开挖断面横向中心位置；微型刀盘为2个，且微型刀盘位于开挖断
面横向中心最左侧和最右侧，10个刀盘在同一平面内协同转动且互不干涉，开挖率可达到
88%以上；盾体上部倾斜设置有超前注浆管，当地层不稳定或者需要进仓处理问题时，超前
注浆管注浆对周围土体进行加固，形成管棚，可保证土仓工作人员的安全；所述超前注浆管
采用分段衔接式结构，使用时再安装最后一段延长管，不用时用封板封住前段注浆管，为盾
体内部节省空间。
所述大刀盘、中型刀盘、小刀盘和微型刀盘均为辐条式刀盘，每个刀盘均包括四个
刀梁，刀梁外端均设置大圆环，大圆环与四个刀梁连接，且大圆环均呈截锥形；所述大刀盘、
中型刀盘、小刀盘和微型刀盘的刀盘中心均设置有鱼尾刀，所述刀梁上均设置有切刀和撕
裂刀，大刀盘的每根刀梁上还设置有一把滚刀，上述四种刀盘的大圆环上圆周均布有4个撕
裂刀作为保径刀。
所述渣土输送机构为带状螺旋输送机，可使出渣量与切削量达到一种平衡状态。
所述的前盾尾部和尾盾前部固定设置有限位块，用于限制纠偏油缸行程，避免纠
偏油缸在零行程时受到撞击损坏。
所述大刀盘、中型刀盘、小刀盘和微型刀盘的背面均平行设置有4个搅拌区域不同
的刀盘搅拌棒，可实现全断面搅拌，刀盘系统转动时对刀盘背后的土体进行搅拌，使注入的
渣土改良剂与切削下来的土体进行充分混合，使土体具有良好的塑性、流动性和止水性，保
证土体的顺利排出。
所述前盾前端内侧沿圆周方向设有一圈锥板，使前盾具有更高的强度和刚性，增
强受力和抵抗变形的能力，此外锥板横截面呈倒截锥形，有利于渣土流动。
本发明的用于富水鹅卵石地层的同平面多刀盘矩形隧道掘进机的有益效果：
1.本发明的用于富水鹅卵石地层的同平面多刀盘矩形隧道掘进机，刀盘机构包括同平
面对称布置的10个刀盘，开挖刀盘在同一平面内，掌子面得到有效支撑，避免了土体坍塌，
可有效控制沉降，从而保证了工作人员的生命安全。
2.本发明的用于富水鹅卵石地层的同平面多刀盘矩形隧道掘进机，刀盘上设置有
撕裂刀和滚刀，使用撕裂刀可显著增加土体的流动性，还可大大降低切刀的扭矩，增大切刀
的切削效率，减少切刀的磨损；滚刀具有破岩的作用，当遇到大粒径卵石时，滚刀在滚动力
和推力的作用下，使卵石发生破碎，可有效实现对鹅卵石的破碎，对鹅卵石地层的适应性大
大提高。
3.本发明的用于富水鹅卵石地层的同平面多刀盘矩形隧道掘进机，渣土输送机构
为带状螺旋输送机，且螺旋输送机的数量为两台，螺旋输送机能够将大颗粒鹅卵石排出，实
现流畅排渣。
附图说明
图1是用于富水鹅卵石地层的同平面多刀盘矩形隧道掘进机的内部结构示意图；
图2是刀盘机构的刀盘分布结构示意图；
图3是刀盘搅拌棒搅拌区域结构示意图；
图4是大刀盘的结构示意图；
图5是图4的A-A剖视结构示意图；
图6是图1中B的放大结构示意图。
参见图1-6：1-盾体，101-前盾，102-纠偏油缸，103-尾盾，104-限位块，2-刀盘机
构，201-大刀盘，202-中型刀盘，203-小刀盘，204-微型刀盘，205-刀梁，206-大圆环，207-鱼
尾刀，208-切刀，209-撕裂刀，210-滚刀，3-刀盘驱动机构，4-渣土输送机构，5-超前注浆管，
6-刀盘搅拌棒，7-锥板。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体的实施方式对本发明的用于富水鹅卵石地层的同平面
多刀盘矩形隧道掘进机做更加详细的描述。
实施例：
本发明的用于富水鹅卵石地层的同平面多刀盘矩形隧道掘进机，包括起支撑作用的盾
体1、位于盾体前端的刀盘机构2、刀盘机构2后侧的刀盘驱动机构3和渣土输送机构4，所述
盾体1的截面为矩形，且盾体包括前盾101、纠偏油缸102和尾盾103，所述前盾101和尾盾103
通过纠偏油缸102连接，所述刀盘机构2包括同平面对称布置的10个刀盘，且刀盘机构2包括
大刀盘201、中型刀盘202、小刀盘203和微型刀盘204，所述大刀盘201为4个，且大刀盘201位
于开挖断面的四角处；所述中型刀盘202为2个，且中型刀盘202位于开挖断面的竖向中间上
下侧；所述小刀盘203为2个，且小刀盘203位于开挖断面横向中心位置；微型刀盘204为2个，
且微型刀盘204位于开挖断面横向中心最左侧和最右侧，上述10个刀盘在同一平面内协同
转动且互不干涉；盾体1上部倾斜设置有超前注浆管5，当地层不稳定或者需要进仓处理问
题时，超前注浆管5注浆对周围土体进行加固，形成管棚，可保证土仓工作人员的安全；所述
超前注浆管5采用分段衔接式结构，使用时再安装最后一段延长管，不用时用封板封住前段
注浆管，为盾体1内部节省空间。
所述大刀盘201、中型刀盘202、小刀盘203和微型刀盘204均为辐条式刀盘，每个刀
盘均包括四个刀梁205，刀梁205外端均设置大圆环206，大圆环206与四个刀梁205连接，且
大圆环206均呈截锥形；所述大刀盘201、中型刀盘202、小刀盘203和微型刀盘204的刀盘中
心均设置有鱼尾刀207，所述刀梁上均设置有切刀208和撕裂刀209，大刀盘201的每根刀梁
205上还设置有一把滚刀210，上述四种刀盘的大圆环206上圆周均布有4个撕裂刀209作为
保径刀。
所述渣土输送机构4为带状螺旋输送机，可使出渣量与切削量达到一种平衡状态。
所述的前盾101尾部和尾盾103前部固定设置有限位块104，用于限制纠偏油缸102
行程，避免纠偏油缸102在零行程时受到撞击损坏。
所述大刀盘201、中型刀盘202、小刀盘203和微型刀盘204的背面均平行设置有4个
搅拌区域不同的刀盘搅拌棒6，可实现全断面搅拌，刀盘机构2转动时对刀盘背后的土体进
行搅拌，使注入的渣土改良剂与切削下来的土体进行充分混合，使土体具有良好的塑性、流
动性和止水性，保证土体的顺利排出。
所述前盾101前端内侧沿圆周方向设有一圈锥板7，使前盾101具有更高的强度和
刚性，增强受力和抵抗变形的能力，此外，锥板7横截面呈倒截锥形，有利于渣土流动。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围，任何
本领域的技术人员在不脱离本发明构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属
于本发明保护的范围。