套筒滚刀破碎顶管法可行性

1结论

2命名

日本推进技术协会把“改筑推进工法”按旧管怎么处理分为四类：静力破碎推进、冲击破碎推进、切削破碎推进、拔出推进（用比旧管大的钢管或钢套筒把旧管吞进去，到达后拔出或回收）。我们四条路线都在这个框架里，名字建议按“旧管怎么处理 + 用什么工具”来起，读者一看就知道区别：

“吃管法”是国内习惯叫法，保留在副标题里即可。“分瓣”准确，建议保留；“腹内渐进”在第三版里已经不准确了，因为锯切在旧管内进行，不在机腹里，可以去掉。总称可以叫“大口径钢筋混凝土管原位置换”，下面三个套筒类方法共用一个前缀“套筒”，读者能看出它们是一族。

3工况与数据

上海浅部土层的两类情况

渗透系数取自上海《岩土工程勘察规范》表 5.5.9 的典型值，孔隙比取自已发表论文的参数表。具体项目以勘察报告为准。

4套筒能不能止水

战神的想法是：刀盘缩在套筒里，不直接顶着旧管外面的土，外面的土和水就不会大量流进来。这个想法在工程上有三个先例，它们的原理都能用上：

• 网格挤压盾构。上海 1965 年打浦路隧道用的就是网格盾构，开口率约 80%，靠土的黏聚力和网格的机械支撑稳住开挖面。越江段逐步关闭网格门，做到全闭胸挤压，几乎不出土，代价是江底最多隆起 3 m 多。穿越房屋时网格门不能关，否则房子会被顶起。结论：上海软黏土确实能靠机械约束稳住，但完全不出土会把地层挤起来。
• 全套管钻机与钢管内的土塞。套管底部切削齿切出一个略大的孔，套管里面的土柱靠内壁摩擦阻止外面的土和水涌入，这就是“土塞效应”。套管越长、土越黏，土塞越可靠。
• 日本 UPRIX 工法、ベビーモール老朽管入替工法。都是用比旧管大的钢管旋转压入，把旧管吞进钢管里再回收。前者管径到 800 mm，后者削进钢管 φ40–2000。说明“钢管套住旧管、旧管在里面处理”的思路在工程上成立，但日本公开资料里没有大口径、高水位下的做法。

第一层：套筒与旧管之间的环形土柱

刀盘缩在套筒里，外面的土要流到刀盘前，只有一条路：沿着 60 mm 的环隙，从刀口一直流到刀盘面。这段环隙里是一个环形土柱，长度就是刀盘缩进去的距离。

我的估算：重度 17.5 kN/m³，环面积 0.288 m²，内外两个接触面周长合计 9.61 m，土与钢、土与混凝土的界面剪应力取软黏土不排水强度的一部分，5–10 kPa。

对黏土：止土没有问题。渗水量按达西定律估，淤泥质黏土里每天约 0.1 L，可以忽略。还有一个好处：土柱不被推动时，它相对地层是静止的，套筒滑过它前进，环隙每前进 1 m 恰好进土 0.288 m³，进土量天然等于推进量，不会超挖，也不会像全闭胸那样把地层挤起来。

对砂质粉土：会流砂。环隙里的土柱两端水头差就是管轴处的地下水头 4.1 m，除以 2–2.5 m 长度，坡降 1.6–2.1；埋深 8 m 时 2.9–3.6。粉土的临界坡降约 (G_s−1)/(1+e) ≈ 0.9。坡降超过临界值，土柱就会被水冲穿，形成流砂通道。要把坡降压到 0.45（安全系数 2）以下，开挖面需要维持约 30 kPa（埋深 4.9 m）到 60 kPa（埋深 8 m）的压力。

第二层：旧管内腔

这一点容易被忽略，但更关键。刀盘在套筒里破碎旧管，旧管内腔和开挖面直接连通。如果旧管里是空的、通大气（为了从接收井出渣，通常就是这样），那么：

• 开挖面的压力会从旧管内腔泄掉，第一层的泥水舱压力建立不起来；
• 前方旧管的所有接口、裂缝、错口都变成外面土和水的入口，水带着土顺着旧管流到刀盘前，这正是战神担心的“外部土体大幅扰动”，只是入口从刀盘前挪到了前方旧管的缺陷处。

解决办法只有两个：旧管内加压（封闭接收井端，旧管内充水保压，相当于把整条旧管当泥水舱的延伸），或者旧管内充填。日本 CMT 改筑推进工法选的是后者，并且写进了工法名称：“切削破碎推进工法（既设管充填式）”，先用水泥浆等材料把旧管充满，再用泥土压式掘进机破碎。我认为这是在上海高水位软土里最稳妥的做法。

5滚刀破碎与刀具配置

文献里能用的数据

换算到本工况

• 以 CMT 实测为基准：CMT 积算资料按“每根 2.43 m 管的所需时间”计算基准日进量，开削用钢筋混凝土旧管、DN800–1350 各机型每 8 h 班 3.3–4.2 m。它就是用齿形滚刀破碎旧 RC 管，而且旧管是充填过的，和本文方案 A 最接近。按两班计，6–8 m/日。
• 下限：切桩试验推荐 3–5 mm/min，对象是主筋 Φ25、直径 1 m 左右的整根桩。管道钢筋细得多，环筋一般 Φ6–12，所以这组数只作最不利情况：每 2 m 纯破碎 6.7–11 h，日进尺约 3–4 m。
• CMT 自己的提醒：改筑推进的日进尺和刀具磨损随旧管强度、形式、管基变化很大，“极端时日进量减半、换刀次数增多”，设计阶段的信息和实际常常不符。
• 刀具：CMT 标准换刀距离 150 m，根据工厂破碎、断筋试验的破损实绩，刀具按每个工地全损计。这是目前能找到的唯一大口径改筑刀具消耗数据。上海两检查井之间常见 40–60 m，一段内大概率不用换刀。

一个几何上的难点：环筋躺在切削面上

刀盘是从旧管端头往前“啃”的。旧管的环向钢筋是一圈圈平行于刀盘面的圆，刀盘每啃到一圈环筋，这根钢筋就整圈露在切削面上。滚刀沿着它碾过去，钢筋不容易断，反而容易被整圈剥出来，缠在刀盘上。纵筋平行于推进方向，是被滚刀端头一点点磨掉的，问题不大。

对策有三层：

1. 让钢筋被握住再切。旧管内腔充填以后，环筋内外都被材料包着，和切桩时钢筋埋在混凝土里的状态一样；这时高位刀先切、低位刀后破，才能按文献的方式把钢筋切断。空管状态下内层钢筋笼只有外侧一面被握住，最容易被剥出来。这是我推荐充填的第二个理由。
2. 在进渣口把钢筋剪短。面板开口处装固定断筋刀，开口里装一个经齿轮增速的行星刀，两者相对剪切，把漏进来的钢筋切成短段（日本改筑用掘进机专利的做法）。
3. 刀盘后二次破碎。锥形破碎机的锥齿能把钢筋和碎块一起破到规定尺寸（吃管法的传统做法）。

刀盘配置建议

刀盘外径 Φ1590，装在套筒内侧。要破碎的是一个环：外侧是 60 mm 环隙土，中间是 135 mm 管壁（含两层钢筋笼），内侧是旧管内腔（空的或充填的）。

刀盘在套筒内，外径受套筒内径限制，只能装 8–14 英寸的小滚刀（微型隧道掘进机的常用范围），单刀承载力比大 TBM 的 17 英寸滚刀低得多。旧管混凝土强度远低于硬岩，小滚刀够用；关键是钢筋。

刀盘缩进多少

战神的设定是套筒只套住一节管的长度。止水需要的是土柱长度（第 4 节，2 m 以上），破碎需要的是刀盘前面有旧管可以碾。建议刀盘缩进 2.0–2.5 m，也就是说套筒前端伸出刀盘面一节多一点，套筒总长约 2.5 m + 刀盘和舱体约 1.5 m，整机前段 4 m 左右，与第三版刀管 3.5 m 接近，设备可以共用一部分。

6前方出渣

战神的设定是渣从接收井一侧出。好处是新管里干净，不走泥浆管；问题是渣要穿过前方的旧管，而旧管正是外面水土的入口（第 4 节）。三种出渣方式对比：

泥浆往哪边送

• 向接收井（前方）：从接收井端在旧管里敷设一根排浆管 Φ150，一根进浆管；接收井设泥浆处理站。旧管是现成的“隧道”，管道安装方便。但每顶进一节，旧管前端被刀盘吃掉一段，排浆管要随着缩短，接头在刀盘前方，靠遥控接头或伸缩管处理，有一定难度。
• 向始发井（后方）：常规泥水顶管的做法，泥浆管从新管里走，随顶管一节一节接长。技术最成熟，旧管里什么都不用放，而且可以灌满充填料。

如果坚持前方出渣：双气囊蠕动隔舱

前方出渣的根本矛盾是旧管内要通大气，开挖面就没有压力。可以在旧管内、刀盘前 1–2 m 处放两个带旁通的封堵气囊，装在一根从刀盘中心伸出的固定导杆上，排浆管从气囊旁通孔穿过。刀盘面与气囊之间就是一个可加压的小泥水舱。机器每前进一段，前后两个气囊交替放气、前移、充气，始终保持至少一个气囊密封，像管道蠕动机器人那样走。这样前方旧管不用承受内压，只有气囊到刀盘之间 1–2 m 受压。难点是气囊背压：48 英寸管径下市售带旁通封堵器约 10 psi（约 70 kPa），埋深 5 m 左右够用，更深要换机械式隔板。

如果坚持前方出渣：输送方式

CMT 用的是真空吸渣：55 kW、30 m³/min 的真空泵，Φ125 排土管，混凝土碎块、钢筋段、泥水都能吸，偶尔吸不动的长钢筋在机内人工挑出。它的前提是开挖面常压，和双气囊隔舱冲突；黏土段常压、粉土段保压的“双模式”可以两种都配：常压段真空吸，保压段泥浆泵。

我倾向向始发井出渣。“前方出渣”的初衷是让新管里干净、不走管线，但新管里本来就要走电缆和液压管，多两根泥浆管代价不大；而前方出渣要在一根正在被吃掉的旧管里维护管线，难度大得多。如果战神坚持前方出渣，可行的办法是“旧管内充水保压 + 前端伸缩排浆管”，见第 7 节方案 B。

7推荐方案

在战神方案的基础上，我给两个版本。

方案 A（推荐）：充填 · 套筒刀盘 · 泥水后排

1. 旧管内充填。从接收井封堵管口，从检查井向旧管内灌注低强度可破碎充填料（例如水泥-膨润土浆或气泡混合轻质土，7 天强度 0.5–2 MPa）。旧管变成一根实心的棒，外面的水从接口、裂缝进来也无处可流。
2. 套筒刀盘掘进。钢套筒内径 1590，比旧管单边大 60 mm；刀盘缩在套筒内 2.0–2.5 m，隔板后是泥水舱。泥水舱压力设定为地下水压加 20 kPa 左右（约 60 kPa）。
3. 破碎与排渣。外周高位滚刀先切钢筋笼，中位齿形滚刀压碎混凝土，低位刮刀刮碎充填料；二次破碎机把碎块破到 50 mm 以下；泥浆经新管回始发井，地面泥水站分离。
4. 同步顶进。新管 DN1350 跟进，套筒与新管之间注触变泥浆。
5. 到达。刀盘破洞门进入接收井，管外注浆。

优点：开挖面始终有压力，旧管里不进人、不通大气；与常规泥水顶管一样成熟。代价：充填料的费用和养护时间；每米多破碎 1.1 m³ 充填料。

这时套筒还有什么用？有了充填和泥水舱，止水主要靠压力，套筒退居第二道防线。它仍然有三个实际作用：一是泥水舱压力一旦波动，2 m 多长的环形土柱还能顶一阵，给操作留时间；二是进土量被环隙限定，便于用“排浆量减进浆量”核对是否超挖；三是和套筒分瓣法共用一套外壳、驱动舱和主顶。

套筒的两个限制也要写清楚：第一，新管线形被锁在旧管 ±60 mm 以内，旧管下沉、蛇行都跟着走，不能像敞开刀盘那样纠正坡度（CMT 能纠正，因为它把旧管和周围土一起破碎）。第二，刀口 Φ1690 会切到旧管的混凝土管基；管基是 120° 还是 180°、有没有钢筋，要在设计前查清楚，刀口齿要按切混凝土配。

方案 B（战神原方案的改进）：套筒刀盘 · 旧管保压 · 泥水前排

1. 旧管内保压。接收井端用带旁通的承压封堵器封住旧管，旧管内充满水，保持与泥水舱相同的压力。旧管本身就是泥水舱的延伸。
2. 前端排浆。从接收井经旧管敷设进浆管和排浆管，前端接一段伸缩管到刀盘后的吸口；每顶进一节，伸缩管收回一节，在接收井端拆掉一节管子。
3. 其余同方案 A。

风险：市面上的承压管道封堵器在 48 英寸（约 1200 mm）管径下的额定背压约 10 psi（约 70 kPa），与需要的保压值接近，没有余量，必须加机械约束；前方旧管的每一个缺陷都要承受内压，可能被压坏。这个方案对旧管状态要求高。

大胆一点：旧管整体顶出法

这是国外叫 pipe ejection 的做法：新管推着旧管前进，旧管一节节被推进接收井，在井里吊走。放到本工况，前端只需要一个环形扩孔头，把 Φ1470 的孔扩到 Φ1690，扩出来的土随泥浆回始发井；开挖面就是旧管的端头，始终被旧管堵着，完全不存在止水问题，也没有钢筋。

• 顶力（我的估算）：旧管外表面每米 4.62 m²，40 m 长。老管与软黏土的附着力按 15–25 kPa 计 2.8–4.6 MN；先从管内打孔注膨润土减阻到 3–5 kPa，降到 0.6–0.9 MN，常规主顶能提供。
• 致命条件：如果旧管坐在 180° 混凝土管基上，按 0.2 MPa 粘结估算，40 m 要 18.5 MN，不可行。旧管严重破裂的节段在顶推下可能压碎，错口 60 mm 的节段会顶着错开的孔走。支管要先切断。
• 怎么判断：在接收井里用千斤顶顶推最近的一节旧管，测起动力。这是四条路线里最便宜的一个试验。

我的看法：四条路线怎么排

套筒刀盘破碎法和套筒分瓣法不是互相替代，是分工：

• 黏土为主、旧管较完整：套筒分瓣法（链锯或水刀），不充填、不泄压问题小，旧管分片回收，扰动最小。
• 有粉土、粉砂夹层，或旧管严重破损、错口大：套筒刀盘破碎法方案 A，靠充填和泥水舱压力保证安全。
• 旧管素混凝土或配筋少、地层以黏土为主、工期紧：刀盘破碎置换法（常规吃管），最快。
• 砂石管基、旧管结构基本完好、试顶起动力可接受：旧管整体顶出法，最省事。

同一台设备的套筒、驱动舱、主顶可以共用，只换前端：分瓣法前端是空套筒加管内解体台车，刀盘破碎法前端是刀盘加隔板。这是一个值得追求的研发方向：一套主机，两种前端。

8流程与设备（方案 A）

主机参数量级（我的估算，参照 CMT DN1350 机型）

CMT 的最大新管 DN1500、最大旧管 DN1500，套筒是战神方案新加的，CMT 没有套筒，靠泥土压和面板加压稳定开挖面。

9四条路线比选

10风险与验证

验证路线

1. 滚刀破碎台架试验：取充填过的 DN1200 实物管节，用小滚刀组合刀盘破碎，测贯入度、扭矩、断筋率、钢筋段长度、刀具磨损。
2. 土柱渗流模型试验：在上海粉土和黏土中做套筒环隙土柱，测不同缩进长度下的渗流和失稳压力，验证第 4 节的估算。
3. 充填料配比试验。
4. 旧管试顶：在接收井用千斤顶顶推一节旧管测起动力，判断旧管整体顶出法能否成立。
5. 与 CMT 工法协会技术交流：它是目前唯一公开的大中口径改筑推进工法，刀具、换刀、充填的实践经验最有价值。

11要战神定的

1. 命名：第 2 节的四个名字是否采用。
2. 出渣方向：方案 A（向始发井、旧管充填）还是方案 B（向接收井、旧管保压）。我建议 A。
3. 是否做“一套主机、两种前端”：套筒分瓣法和套筒刀盘法共用套筒、驱动舱、主顶，只换前端。
4. 刀盘缩进长度：2.0 m 还是 2.5 m；更长止水更可靠，但套筒更长、搓管或回转扭矩更大。
5. 要不要把旧管整体顶出法列为第五条路线：它的试验最便宜，建议在下一个项目的接收井里顺手做一次试顶。
6. 需要的现场资料：目标管段的管基形式、②3 粉性土分布、旧管混凝土芯样强度和配筋，这三项决定走哪条路线。