一种盾构用大断面马蹄形隧道开挖系统技术领域
本实用新型涉及异形隧道施工设备技术领域，具体说是一种用于大断面马蹄形隧
道的开挖系统。
背景技术
在目前隧道施工中，盾构技术以其自动化程度高、施工安全度高、施工进度快、污
染小、成本低等优势，逐步得到广泛应用。其中，盾构机是一种采用盾构法的集机械、电子、
液压、激光和控制等技术于一体的高度机械化和自动化的掘进衬砌成套设备。
采用全断面盾构机掘进隧道施工时，通常采用圆截面刀盘旋转开挖，开挖出的截
面为圆形，在隧道中，隧道底部为平整的截面，不需要圆截面，因此，需要对开挖出的圆截面
巷道底部进行预制仰拱块铺设等处理，此过程无疑造成开挖空间利用率的浪费，一种新型
断面隧道亟需被设计，保证强度需求的同时以便充分提高空间利用率，进而节约成本；在隧
道双线施工中，往往采用双盾构同时开挖的形式。显然，该方法在设备、人员、工期等方面的
消耗都是双倍的，而在软岩地层施工难度相对较低，条件相对允许的情况下，采用双线一次
施工成型的构想，在施工效率方面与成本控制方面都具有重大优势。
因此，如何改进盾构机掘进截面、实现双线软岩隧道一次施工成型，提高掘进机的
掘进效率、同时降低成本，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
实用新型内容
本实用新型为提高现有隧道空间利用率，使双线隧道一次性成型，提高隧道施工
效率，降低隧道施工成本，采用马蹄形断面一次性开挖方式；为提高开挖掌子面开挖率，采
用多刀盘前后组合旋转开挖，各个刀盘可单独控制或组队联动，切削扭矩大，搅拌扭矩低，
对周围土体扰动小，同时盾体跳动小，有利于盾构姿态控制及地表沉降控制。使渣土具有良
好的塑形、流动性、止水性，对刀盘结构进行针对性设计。
本实用新型开发了一种大断面马蹄形断面盾构机开挖系统，提高现有圆形隧道空
间利用率，使双线隧道一次施工成型，提高隧道施工效率，降低隧道施工成本。
实现本实用新型的技术方案是：一种盾构用大断面马蹄形隧道开挖系统，包括位
于盾体周向等间距布置的盾体切刀装置、刀盘切削系统、搅拌机构和位于土压仓隔板上的
盲区处理装置，盾体切刀装置包括前盾切口环、盾体上切刀与盾体下切刀，前盾切口环为锥
形结构，盾体上切刀与盾体下切刀位于锥形前盾切口环上，盾体上切刀与盾体帽檐外沿齐
平，盾体下切刀与前盾切口环外侧平齐，保证了盾体刀具开挖界限与前盾外截面齐平；搅拌
机构位于底部中间大刀盘后侧左右区域，以提高螺机排渣口处土体的搅拌性能，搅拌机构
包括筒体、端盖、筒体与端盖通过螺栓连接、位于筒体两端的辐板、正反双向布置于辐板上
的搅拌棒；盲区处理装置包括铰接接头，铰接接头由球状关节、关节固定外法兰、关节固定
内法兰组成。
刀盘切削系统包括土压仓隔板前部的平行轴式布置的5个大刀盘、1个中型刀盘、1
小刀盘和2个微型刀盘，大刀盘、中型刀盘、小刀盘和微型刀盘均为辐条式刀盘，9个刀盘采
用削区域相互交叉方式，开挖覆盖率达到90%以上；5个大刀盘分为3个前刀盘和2个后刀盘，
3个前刀盘采用倒品字形方式布置于开挖断面底部中间、左上、右上部位，2个后刀盘布置于
开挖断面左下、右下部位；中型刀盘为后置方式布置于开挖断面顶部中间区域；小刀盘为后
置方式布置于开挖断面中心区域；微型刀盘为后置方式布置于开挖断面顶部左右侧区域。
所述大刀盘、中型刀盘、小刀盘和微型刀盘均为辐条式刀盘，大刀盘、中型刀盘均
包括5个刀梁，刀梁之间采用圆形钢管进行连接，刀梁为倒梯形结构，刀梁中心筒体处布置
有中心鱼尾刀，刀梁上对称布置切刀，切刀边缘对称设置有边刮刀，切刀与边刮刀均采用螺
栓连接，中心鱼尾刀与刀梁上布置有改良喷口。刀粱的周边堆焊接耐磨层，刀盘面板焊接格
栅状耐磨材料，充分保证刀盘在不良地质掘进时的耐磨性能；所述大刀盘、中型刀盘、小刀
盘和微型刀盘中心均布置改良剂（泡沫或水）注入口，保证改良剂均匀注入到开挖面，提升
开挖土体的流塑性；所述刀梁截面均为倒梯形结构，便于渣土顺畅流入土仓，所述刀梁均对
称布置可拆卸切刀与边刮刀，以适应长距离掘削时换刀与保径需求。
搅拌器采用液压驱动方式，保证搅拌扭矩充分，与驱动主轴连接，经济可靠，避免
电驱驱动时隧道底部积水损坏电机，设备失效。
所述盲区处理装置是指针对开挖盲区部位安装铰接式盲区处理接头，盲区铰接处
理接头包括位于前盾隔板背部的手动法兰、法兰连接螺栓、球状管节、支撑管节的内外法
兰、球状管节与支撑法兰间型密封以及确保球状管节顺利转动的垫片，球状管节安装完成
后，可绕垂直于土压仓隔板轴线方向的20°内活动；所述盲区处理装置有两种功用，一是通
过拆除球状关节和手动法兰后，并连接风钻万向接头，对土压仓内盲区进行钻削处理，二是
通过球阀连接高压水，依靠高压水对盲区内渣土进行改良。本实用新型的有益效果是：
（1）本实用新型的大断面马蹄形隧道开挖结构设计，包括盾体周边切刀装置，位于
土压仓隔板前部平行轴布置的3前6后9刀盘结构，对螺机出渣口附近渣土进行搅拌改良的
搅拌器机构，以及针对盲区进行改良处理的铰接式接头装置，该机构在充分保证刀盘开挖
率前提下，采用底部搅拌器改善渣土流动性，盾体切刀装置处理加固区土体，铰接式球形接
头装置对盲区土体进行钻削或改良处理，以确保整机掘进性能稳定；
（2）刀盘结构为辐条式，刀梁均设计为倒梯形结构，便于土仓内渣土流动与开挖面
压力控制，刀梁均对称布置切刀与边刮刀，以适应长距离掘削时换刀与保径需求，刀梁周边
与刀盘面板堆焊耐磨层，增强刀盘耐磨性能；
（3）搅拌器机构位于底部中心大刀盘后侧左右区域，以增强螺机出渣口区域土体
的搅拌性能，搅拌器采用液压驱动方式，与驱动主轴以平键连接，保证搅拌扭矩充分，避免
电驱驱动时隧道底部积水损坏电机，设备失效；
（4）盲区铰接处理接头，可绕垂直于土压仓隔板轴线方向的20°内活动，通过连接
风钻万向接头或高压水，对开挖盲区钻削或改良处理。
附图说明
图1是本实用新型的使用状态图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是大刀盘的结构示意图；
图4是图3的A-A剖视图；
图5是图3的B-B剖视图；
图6是图3的C-C剖视图；
图7是盾体上切刀的安装示意图
图8是盾体下切刀的安装示意图；
图9是搅拌机构的结构示意图；
图10是图9的A-A剖视图；
图11是盲区铰接处理接头的结构示意图；
图12是刀盘开挖盲区的示意图。
其中，1-盾体切刀装置，101-盾体上切刀，102-盾体下切刀，103-盾体切口环，2-刀
盘切削系统，201-大刀盘，202-中型刀盘，203-小刀盘，204-微型刀盘，2011-刀梁，2012-圆
形钢管，2013-中心鱼尾刀，2014-切刀，2015-边刮刀，2016-改良喷口，101-盾体上切刀，
102-盾体下切刀，301-筒体，302-幅板，303-圆钢，304-搅拌棒，401-球状关节，402-关节固
定外法兰，403-关节固定内法兰，404-隔板法兰，405-手动法兰，406-DN50球阀，407-安装垫
片。
具体实施方式
如图1-12所示，一种用于大断面马蹄形盾构开挖系统，包括位于盾体周向等间距
布置的盾体切刀装置1、刀盘切削系统2、搅拌机构3和位于土压仓隔板上的盲区处理装置，
盾体切刀装置1包括前盾切口环103、盾体上切刀101与盾体下切刀102，前盾切口环103为锥
形结构，盾体上切刀101与盾体下切刀102位于锥形前盾切口环103上，盾体上切刀101与盾
体帽檐104外沿齐平，盾体下切刀102与前盾切口环103外沿平齐，保证盾体刀具开挖界限与
前盾外截面齐平，扩大了对开挖盲区处理范围，增强了刀盘通过加固区的能力；刀盘切削系
统2包括土压仓隔板前部的平行轴式布置的5个大刀盘201、1个中型刀盘202、1小刀盘203和
2个微型刀盘204，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；搅
拌机构3位于底部中间大刀盘201后侧左右区域，搅拌机构3包括筒体301、端盖、筒体与端盖
通过螺栓连接、位于筒体301两端的辐板302、正反双向布置于辐板302上的搅拌棒304；盲区
处理装置包括铰接接头4，铰接接头4由球状关节401、关节固定外法兰402、关节固定内法兰
403组成。
5个大刀盘201分为3个前刀盘和2个后刀盘，3个前刀盘采用倒品字形方式布置于
开挖断面底部中间、左上、右上部位，2个后刀盘布置于开挖断面左下、右下部位；中型刀盘
202为后置方式布置于开挖断面顶部中间区域；小刀盘203为后置方式布置于开挖断面中心
区域；微型刀盘204为后置方式布置于开挖断面顶部左右侧区域。
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，大刀盘
201、中型刀盘202均包括5个刀梁2011，便于土舱内渣土的流动与开挖面压力控制，刀梁
2011之间采用圆形钢管2012进行加强连接，以增强刀盘整体强度，刀梁2011为倒梯形结构，
刀梁2011中心筒体处布置有中心鱼尾刀2013，以增强刀盘中心区域土体的切削和翻转，刀
梁2011上对称布置切刀2014，切刀2014边缘对称设置有边刮刀2015，切刀2014与边刮刀
2015均采用螺栓连接，以满足长距离掘削时换刀与保径的需求；刀梁周边与刀盘面板堆焊
有耐磨层，以增强刀盘耐磨性能；鱼尾刀2013与刀梁2011上布置有改良喷口2016，可通过向
土仓内注入泡沫、水、膨润土等对渣土进行进行改良，便于渣土排出土仓中心。
如图9所示，对称布置的搅拌机构3位于底部大刀盘201背部，搅拌机构3通过液压
马达驱动，采用平键连接，驱动方式经济可靠，辐板302分别布置于筒体301前后极限位置，
径向180°均布；辐板302背部采用圆钢303加强支撑；搅拌棒304正反双向布置于辐板上，增
大对下部土体的搅拌幅度，改善螺机出渣口区域土体的搅拌性能。
图12所示是该组合式刀盘的开挖覆盖率，约为90％，由于开挖断面较大，需针对开
挖盲区进行针对性处理。
如图11所示，布置于切削盲区的铰接处理接头的结构示意图，铰接接头4由球状关
节401、关节固定外法兰402、内法兰403组成，铰接处理接头不用时应用隔板法兰404对土压
仓隔板的开孔进行封盖；当需对土压仓隔板进行注入高压水处理时，通过手动法兰405连接
DN50球阀406，当开挖遇到较硬土体需用风钻对土体进行钻削处理时，可拆去球阀406连接
风钻对土体进行钻削处理，内外法兰采用螺栓连接，其接触面安装垫片407，满足球状关节
401绕垂直于土压仓隔板轴线方向20°内转动，扩大了对盲区土体的处理范围。