CMT 改筑推进工法三大核心技术解析
——齿轮滚刀 · 螺旋机与真空排土 · 添加剂注入

1三大技术在 CMT 系统中的位置

CMT 改筑推进工法的官方自述分类是"切削破碎推进工法(既有管充填式)·泥土压式·吸引排土方式"[1]。这三个定语分别落在三个子系统上:切削破碎靠齿轮滚刀完成,泥土压靠添加剂把碎料调成塑性泥土来立压,吸引排土靠螺旋机把泥土取出、再靠真空泵送出洞。下图把三者放进同一张系统图:

2齿轮滚刀:破岩刀具的谱系与 CMT 配置

2.1 滚刀是什么:破岩刀具的三个家族

机械破岩刀具按"对岩石施力方式"分三大家族[2][3]:刮刀类(scraper/bit,齿面刮削,吃软土砂)、盘形滚刀(disc cutter,圆盘刀刃靠推力压入岩石、滚动剥落岩屑,硬岩 TBM 主力)、滚齿刀(roller cutter/ローラカッター,带齿的锥形滚轮边滚边啃,居中)。日本非开挖行业语境里的"ローラビット(滚刀)"指的正是第三类及其变体;CMT 资料中的"齿轮型滚刀(ギヤ型ローラビット)"是滚齿刀的一个特化形态——刀齿做成齿轮状密排,既能啃岩又能碾混凝土。

2.2 血统:从石油钻头的双锥/三锥滚刀说起

CMT 积算资料在刀具费一节写明:"中心滚刀以双锥式(ツーコーン型)为基本"[1]。"双锥/三锥滚刀"这套词汇来自石油钻井:1900 年代发展出的滚锥钻头(roller cone bit),用 2–3 个带齿锥轮在井底滚动,靠转压破碎吃岩——锥轮滚动时齿尖依次压入岩面,把岩石压碎撬块[4][5]。日本国产厂商(如セキサク)至今仍按地层硬度把刃形分为 SS/S/MS/M/MH/H 六级,其设计规律对理解 CMT 滚刀极有启发[5]:

2.3 CMT 的具体配置:端面齿轮型 + 外周齿轮型 + 中心双锥滚刀

CMT 积算资料明确:"破碎既有管混凝土及切断钢筋,由端面齿轮型滚刀(フェースギヤ型)与外周齿轮型滚刀(外周ギヤ型)对应"[1];刀具体系三级分工——中心滚刀(双锥式)负责开挖面正中(最先吃土、定心),端面滚刀负责面板主体断面,外周切刀(ゲージカッター)负责外径规径与边角[1]。与之配套的两个设计:

• 单缝式面板(モノスリット):面板开口率仅百分之几,只留窄缝进土[1]——这是"面板加压"的前提:面板以数百 kN 级推力顶着开挖面回转,若开口大就立不住压;代价是进料全靠破碎到缝宽以下,倒逼滚刀必须把混凝土碎得足够细。
• 面压值(切羽押付力 Pe):粘性土/砂质土/砂砾土 200–300 kN/㎡(φ800–1100 机型),硬质土 150–200,玉石·砂砾 300–500[1]——滚刀破碎能率直接由此压强决定。

对照口径看:φ1500 机型 183 kN·m 的刀盘扭矩,比 RebirthAce 同口径级的 R70C(30 kN·m)高出一个数量级——这正是"滚刀碾压破碎"与"锄刀折弯夹缺"两条路线的动力差异:CMT 靠扭矩+面压硬碾,RebirthAce 靠刀盘几何省力[6]。

2.4 破碎对象:混凝土碎块 + 钢筋切断

CMT 对旧管的处理目标是"把 A/B 形钢筋混凝土管细碎到能经单缝面板进入,钢筋切成所定长度以便随泥土出洞"[1]。协会目录以实拍展示钢筋被切断后的回收状态(图 2-8、2-9);行业期刊 ARIC 情报 129 则记录了到达后刀盘上混凝土壳与钢筋的实际工况(图 2-7)。与第 2.2 节对照:混凝土被"碾压细碎",钢筋则靠齿轮刀的齿间啮合与巨大面压"碾切+弯断"——这与 RebirthAce 专利化的"折弯—夹缺"是同一问题的两种解法[6]。

2.5 磨损与管理:150 m 标准、全损制、分刀位更换步距

• 标准更换延长 150 m:资料明示"滚刀标准交换延长为 150 m"——即每推进 150 m 计一次换刀;磨损判断依据是掘削扭矩、推力、推进速度、方向控制"手感"的变化[1]。
• 全损制计价:刀具费(損料)按"每现场全损一次"计——依据是工厂钢筋混凝土破碎·钢筋切断试验的破损实绩[1]。也就是说改筑工况的刀具消耗被官方定级为"比岩盘掘进更狠"。
• 分刀位更换工日:积算表按"中心滚刀/端面滚刀/外周切刀"分别给定每枚更换日数(0.5–1.0 日级,由隧道特殊工+作业员配合),螺旋机损耗件按砾率三档(<30% / 30–60% / ≥60%)给出标准更换延长[1](图 2-10)。
• 换刀通道 = 点检门:隔壁(封仓板)中央的 360×420(φ800–900)/360×450(φ1000 以上)点检门,是"机内换刀"得以成立的结构基础——开舱在涌水地层需辅以压气工法(地下水头 ≥8 m 或透水系数 ≥10⁻² cm/s 时改用药液注入完全止水)[1]。

3螺旋机+真空系统:两级排土的全链路

3.1 一级排土:无轴带式螺旋机(リボンスクリュー)

CMT 的一级排土系统"基本由无轴带式螺旋机(リボンスクリュー)与后方的排土闸门装置构成",负责把开挖面碎料(土砂+混凝土壳+切断钢筋)送过封仓板[1]。"带式(ribbon)"指螺旋叶片是无中心轴的连续螺旋带——这是相对"带轴螺旋机(軸付きスクリュー)"的功能选择[10][11]:

CMT 规格(2026 年度资料,图 3-2):φ800–1100 机型用机径 200 mm 螺旋机(3.7 kW/600 N·m/600 rpm);φ1200–1500 用 250 mm(7.5 kW/1200 N·m/600 rpm)[1]。选带式的工程理由与本工法的物料直接相关:料里混着切断钢筋与混凝土棱块——带轴式的中心轴正是钢筋缠绕卡死的高发位置,无轴结构让长条异物可以沿中空区通过;粘性泥土也不再有"粘轴"问题(真空段对粘土还需补水防粘,见 3.2)。

3.2 二级排土:真空吸排(空送排土)

经闸门落下的泥土混合料,由坑外设置的吸引排土装置(真空泵)经排土管抽吸出洞[1]。资料给出的系统特性:

• 真空泵规格:风量 30 m³/min,动力 55 kW,整机 4.5 t,排土管内径 125 mm,适用全部 7 个口径机型[1](图 3-4)。
• 气力输送(空送)的特性:"液体固体均可排送;机内通风·粉尘对策完备;可直接送到工作井"——即输送与通风除尘一体化[1]。固形物"混凝土壳、砾、砂、粉土、粘土不分比重均可搬运",唯粘土需补给水改善滑动、防管壁粘附[1]。
• 出洞后两段接力:先入坑外排土罐暂存,满罐后转排土贮留槽;极少发生的超长钢筋片由人工分选搬出[1]——这是全流程唯一保留人工作业的环节。
• 高扬程/高浓度工况:当始发井扬程高或排泥浓度高导致输送效率下降时,采用两段法——真空吸到井内排土罐+吊出,或两台吸引装置接力(机内→井内、井内→地面)[1]。

3.3 技术家族:谁在用同类系统

4添加剂注入:泥土化的配方与理论

4.1 为什么必须注:75 μm 细粒的 30% 铁律

泥土压式(土压式)开挖面稳定的物理前提是:仓内物料必须是塑性流动的泥土,既"立得住压"(对抗土压水压)又"流得出去"。行业通行判据:当开挖土中75 μm 以下细粒含量不足 30% 时,土砂无法自然泥土化,必须外加添加材[17]。CMT 改筑面对的是"砂砾/粘性土 + 混凝土碎壳 + 钢筋"的混合料——混凝土壳是典型的粗骨架低细粒物料,不注添加剂,碎石会在仓内卡死、立不住压、也无法经螺旋机稳定排出。因此资料将添加材注入工列为与"松弛土压抑制材"并列的两大注入工艺之一[1]。

4.2 CMT 的浓度公式与配合表

公式含义:P_0.075/P_0.25/P_2.0 为开挖土中 0.075/0.25/2.0 mm 粒径通过百分率;三个括号项分别是三种粒径档"细粒不足量",乘以权重(细粒档权重 α=2.0 最大)后叠加为添加材浓度 D(%)。再按 D 查配合表(图 4-2)得到每 m³ 地山的膨润土/粘土/水用量与注入量——浓度越高(土越粗),膨润土越多、注入量越大;D<15% 时按 90 L/m³ 下限计[1]。这套"按粒度三档定浓度"的算法,正是行业"细粒 30% 铁律"的精细化版本:不问土名,只问粒度组成。

4.3 三种注入材料的分工(易混点)

CMT 体系里有三种"注入",作用位置与性状完全不同,极易混淆,对照如下[1]:

4.4 家族与对照

• 泥浓式工法(Geox):高浓度泥水自刀盘外周注入,需要"造壁性+流动性"双性能,材料为粉末粘土+增粘材+堵漏材;注入量按砾率 G 的二次式 {0.3+0.3(G/100)+0.7(G/100)²}×100%(下限 50%);砾含量越高浓度与注入量越大,固结粘土层则改加防粘剂[13]——与 CMT 公式思路同源(按粗粒含量定注入强度),但 CMT 用"粒度三档",泥浓式用"砾率单参数"。
• RebirthAce:明确采用膨润土系添加材,从刀盘前端面喷向开挖面,泥土压由螺旋机外周的土压计监控[6]——同样是"粒度不足→膨润土补"的范式。
• 发泡剂路线:国际盾构(EPB)领域大量使用泡沫(表面活性剂)替代部分膨润土,日本非开挖推进领域亦有泡沫类添加材应用;公开检索中其协会级规范文件不及膨润土系丰富,本报告仅作名录性记载,不展开。
• 规范地位:添加材注入已成为日本公共工程通用规范中的正式工种(如农林水产省《土木工事共通仕様书》将泥水式/泥土压式/泥浓式推进作业与泥水处理设备列为标准条目)[18]。

5系统耦合:为什么恰好是这套组合

三项技术不是并列的零件,而是互相成全的闭环:

• 滚刀细碎 → 成全单缝面板与真空管。混凝土必须碎到能过"开口率仅数个百分点"的单缝面板[1],钢筋必须切成能被 125 mm 真空管抽走的短段——滚刀的破碎粒径直接被下游两环的过流尺寸倒逼出来。
• 添加剂 → 成全螺旋机与真空泵。碎混凝土+砂砾不经改质就是"滚石堆",既卡螺旋机也堵管道;膨润土浆把它调成泥土,才有"剪变传压的螺旋机密封"与"悬浮输送的管流"[1][11]。
• 真空负压 → 成全"什么都回收"。破碎物 100% 出洞(混凝土壳、钢筋、砾、粘土比重不限[1])是充填式家族"不残留"卖点的物理执行端;换成泵送/泥水,钢筋片立刻成为致命伤。

6术语对照表

7资料来源(编号引用 · 共 18 项)

网页来源检索/核对日期均为 2026-09-29。图片版权归各图注所注权利人所有;自绘图为本报告依来源绘制。

1. 1CMT 工法协会《2026 年度 技术资料·积算资料 CMT 改筑推进工法》(98 页 PDF;本报告主文献,三大系统全部参数出处)下载 PDF 2.2 MB
2. 2日本隧道技术协会「わが国の礫地山の泥水式推進工法に関する状況について」(砾层破碎机构综述)打开网页
3. 3建设施工与建设机械研讨会论文集「TBM ディスクカッターの掘削に関する実験的研究」(盘形滚刀"芯取れ"机理) jcmanet.or.jp
4. 4WonTech「トリコーンビット:掘削業界の主力製品」(滚锥钻头压碎机理)打开网页
5. 5株式会社セキサク「ツースタイプロックビット・トリコンビットとは」(刃形 SS–H 分级设计;表 2-1 出处)打开网页
6. 6エースモール工法协会《改築推進工法 リバースエース工法 技術·積算資料》(2018;对比路线与机型参数)打开 PDF
7. 7CMT 工法协会 目录(2022;图 2-2~2-4、2-6、2-8、2-9 来源)协会站点
8. 8月刊推进技术(2012)宇部兴产首例报告(图 2-5 来源;本调研 PDF 留档于 CMT 主调研目录)
9. 9ARIC 情报 129(2018;图 2-7、2-11 来源;本调研 PDF 留档于 CMT 主调研目录)
10. 10ga40077 技术页「土圧式シールド機の構造【攪拌翼、スクリューコンベヤー】」(螺旋机形式分类:带轴式/带式)打开网页
11. 11建设机械施工研讨会(1999)「土圧式シールド用スクリューコンベヤの土保持性能」(带式螺旋机压力降与剪切保压理论)下载 PDF 扫描版
12. 12CMT 工法协会 官网(图 3-3 来源)协会站点
13. 13Geox 株式会社「泥濃式推進工法の基礎知識」(真空吸引排土机制、注入率砾率公式、70 mm 分选粒径)打开网页
14. 14东洋 Tecx「改築推進工法」分类页(IM Reverse 吸引排土分类)打开网页
15. 15大林组 技术研究所报(1983)「気泡シールド工法における掘削土の連続輸送」(真空负压 vs 泵正压早期对比实验)打开 PDF
16. 16Hybrid Mole 技术资料(2020;NN 吸引式)/RAMSUS-S 技术资料(2019)(小口径吸引排土同源应用)打开 PDF
17. 17Geox 株式会社「土圧式推進工法の基礎知識」(75 μm 细粒≥30% 泥土化判据)打开网页
18. 18农林水产省《土木工事共通仕様書》(泥水/泥土压/泥浓式推进作业与泥水处理的规范条目)打开网页