——中空顶管机吞入旧管 + 液压铡刀/大钳子腹内切断成段取出的技术论证与专利风险分析
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 研究日期 | 2026-09-06 |
| 研究对象 | 用户构想:吃管法构型的中空顶管机,将旧管节完整吞入"腹中",机内一圈布置 3 个液压切断装置(铡刀/钳),将壁厚 ≤200mm、强度 C50 的钢筋混凝土管节切断成段,落于机腹底部运出 |
| 结论摘要 | "剪得断":力学可行(设计剪断力 750t 量级,现有液压技术可覆盖);"吞得进":仅限扩一号口径(同径更换几何不可行);"运得出":可行但重(1.46t/m 渣量须轨道化运输);专利:最近邻已定位,腹内剪断成瓣未见占位,存在自主申请空间,但须规避两件 2020 年后有效中国专利的泥水系统特征 |
| 关联研究 | 《DN1200 原位置换研究报告 v4》(四法合并)、《延展研究二·大口径管径经济学》 |
你的原始构想可拆为五个要素:
一圈布置 3 个切断装置,存在两种物理上完全不同的切法(见图解):
两套几何各有分工,缺一不可:
因此细化的工艺不是"一圈三个铡刀切三段"这么单一,而是"环断 + 纵分瓣"两级剪切:环向闸刀负责"把这一节从管串上切下来",纵向铡刀负责"把切下来的管段剖成能运走的瓣"。两套机构可以同轴布置在不同轴向工位。
切下的瓣落至机腹底部后,离开机腹的唯一通道是身后的新管内腔(机头前方还是待吞的旧管)。因此需要在机腹底部设链板/刮板输送机(向后运行),将瓣转送到新管内的轨道平车,由卷扬机拖回工作井、井口吊出。物流量级见第 5.4 节。
完整吞入的尺寸链(详细计算见 5.3 节):
机头外径 ≥ 旧管外径 + 腹内间隙(40) + 2×壳体壁厚(40×2)
DN1200 壁135 旧管:机头外径 ≥ 1470+40+80 = 1590mm
新管 DN1400 外径 = 1670mm ≥ 1590mm ✓(裕度 80mm)
同径 DN1200→DN1200:1590 > 1440 ✗ 不可行
同径情形下,机头外径必然大于新管外径,新管无法跟进,只能采用传统吃管法的"端面破碎"构型(破碎室在机头最前端,旧管边进边碎,碎渣泥浆排出)。这也解释了为什么现实中吃管法都是破碎式——完整吞入式必须有扩径空间。
依据《顶进施工法用钢筋混凝土排水管》(GB/T 21492)与《混凝土和钢筋混凝土排水管》(GB/T 11836-2023),顶管专用管为 F 型钢承口,混凝土强度 C50、抗渗 P6 以上;DN1200 常见壁厚 120mm(Ⅱ/Ⅲ级)与 135mm(Ⅲ级 F 型),对应外径 1440/1470mm[来源:江门造价信息"Ⅲ级 F 型管 Ф1200(壁厚120)"条目、北京材料价格目录"内径×壁厚×长度"格式、宏通建材规格说明,见文末链接]。本研究取壁厚 120 与 135 两档,并以壁厚 200mm(DN2000 级)覆盖你设定的"20cm 以下"上限。
| 管型 | 内径 | 壁厚 | 外径 | 环形截面积 | 每米混凝土量 | 每米重 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| DN1200/120 | 1200 | 120 | 1440 | 0.498 m² | 0.50 m³ | 1.24 t |
| DN1200/135 | 1200 | 135 | 1470 | 0.566 m² | 0.57 m³ | 1.42 t |
| DN1400/135 | 1400 | 135 | 1670 | 0.651 m² | 0.65 m³ | 1.63 t |
| DN1600/150 | 1600 | 150 | 1900 | 0.825 m² | 0.83 m³ | 2.06 t |
| DN2000/200 | 2000 | 200 | 2400 | 1.382 m² | 1.38 m³ | 3.46 t |
(ρ混凝土 = 2500 kg/m³;钢筋另计)
注意:规范层面没有"直剪强度"的法定值,上述取值是文献归纳+工程放大,属于设计假设,必须由台架试验标定(见第 8 节)。本报告如实标注。
| 纵向配筋率 ρ | 纵筋剪断贡献 | 整圈合计设计值(含混凝土 577t) | 3 刀分担/刀 |
|---|---|---|---|
| 0.5% | 92 t | 669 t | 223 t |
| 1.0%(主表) | 187 t | 765 t | 255 t |
| 1.5% | 281 t | 858 t | 286 t |
F 型钢承口管在承口端埋有环形钢圈(行业典型构造:宽度数百毫米、厚 6~10mm;具体尺寸随管型与厂家不同,须以实物管型图纸核实——本节按"宽 250mm × 厚 8/10mm"作为量级算例)。若环向横断面正切在钢圈区,附加剪断力达 7.6~9.5MN(整圈钢圈截面积 33.8~42.3cm² × τ≈0.6×375MPa)。设计对策:环断刀位选在承插区以外的素混凝土壁段,钢圈交给纵缝刀处理(3 条纵缝切钢圈合计约 1.6MN,可控)。
计算式:F = A × (τ_c + ρ·τ_s),A 为环形截面积。
| 管型 | A (m²) | 混凝土剪断力(τ=6.25~12.5MPa) | 设计点(τ=10MPa) | 纵筋贡献(ρ=1%) | 整圈合计设计值 | 3 刀分担/刀 | 6 刀分担/刀 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| DN1200/120 | 0.498 | 311~622 t | 507 t | 164 t | 672 t (6.6MN) | 224 t | 112 t |
| DN1200/135 | 0.566 | 361~721 t | 577 t | 187 t | 765 t (7.5MN) | 255 t | 127 t |
| DN1400/135 | 0.651 | 415~830 t | 664 t | 215 t | 879 t | 293 t | 146 t |
| DN1600/150 | 0.825 | 525~1051 t | 841 t | 272 t | 1113 t | 371 t | 186 t |
| DN2000/200 | 1.382 | 881~1761 t | 1409 t | 457 t | 1866 t | 622 t | 311 t |
读法:DN1200 是"每刀 255 吨"的量级;到 DN2000/壁200 上升到"每刀 622 吨",需要每刀双缸或 6 刀布置——机头越大缸位空间越大,力需求与布置空间同步增长,不出现天花板。
单条纵缝全长(壁 135mm × 节长 2m)一次剪断需 364t——没必要一次做。改为步进式铡刀(刀宽 W,分 N 步切完 2m):
| 刀宽 | 步数 | 每步剪断力(单刀) | 3 缝同步合计 |
|---|---|---|---|
| 300mm | 7 | 55 t | 164 t |
| 400mm | 5 | 73 t | 219 t |
| 500mm | 4 | 91 t | 273 t |
步进剪单步力仅救援剪/工业剪量级(对标的消防剪断器系统压力即 63~72MPa),Φ200~250 缸即可,机构大幅轻量化。步进刀还可设计为"随行刀架"骑在管壁上,随顶进连续步进切缝,把分瓣时间完全藏进掘进节拍里。
| 缸径 | 250 | 280 | 320 | 360 | 400 | 450 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 推力 (t) | 166 | 209 | 273 | 345 | 426 | 539 |
弧形闸刀(120°)沿轴向剪断管壁时,刀刃前缘与被切材料的名义接触面 = 环形壁的 120° 弧段断面:径向高 135mm × 弧长(按壁中面 R=667.5mm)≈1398mm,面积 ≈0.189m²。平均承压 = 2.50MN/0.189m² ≈ 13MPa,远低于刃具钢(Q690 级 ≥690MPa)许用值;考虑剪断过程接触不均、刃口仅局部带宽先行压入的最不利情形(按 1/10 有效接触面),局部比压 ≈130MPa,仍留 5 倍以上安全余度。混凝土局部承压先行压碎属闸刀剪断的正常过程(类似颚式破碎机颚板工况,高锰钢/堆焊耐磨层为货架方案)。
┌─────────────────────────────────────────────┐
│ ①环切刀盘(中空,只切削旧管周边环形土体) │ ← 面压需求仅全断面的 17%
│ ↓ 旧管节进入机腹(中心通道) │
│ ②环向横断工位:3 把 120° 弧形闸刀(轴向滑动) │ ← 每刀 255t,Φ360缸,60~120s
│ ↓ 脱节后的管节(2m)继续前送 │
│ ③纵向分瓣工位:3 把 120° 径向步进铡刀 │ ← 每步 55~91t,随行/步进
│ ↓ 三个 120° 瓣失去环向刚度,摊平落于底部 │
│ ④底部链板输送机(向后)→ 新管内轨道平车 │ ← 0.94t/瓣(2m) 或 0.47t/瓣(1m)
└─────────────────────────────────────────────┘
| 工况 | 旧管外径 | 最小机头外径(间隙40+壳厚80) | 新管外径 | 裕度 | 判定 |
|---|---|---|---|---|---|
| DN1200→DN1400 | 1470 | 1590 | 1670 | +80 | ✓ |
| DN1400→DN1600 | 1670 | 1790 | 1900 | +110 | ✓ |
| DN1600→DN2000 | 1900 | 2020 | 2400 | +380 | ✓ |
| DN1200→DN1200 同径 | 1440 | 1560 | 1440 | -120 | ✗ 不可行 |
结论:"腹内剪断"工艺的适用前提是扩一号(及以上)置换。同径更新只能走传统破碎式吃管法。这与"大口径扩容更新"的商业定位天然一致——你的差异化场景恰好是该工艺的可行域。
| 指标 | 数值 |
|---|---|
| 渣量 | 1.46 t/m(混凝土 1.42 + 纵筋 0.04) |
| 每节(2m) | 2.92 t ≈ 3 个 2m 瓣(0.94t/个)或 6 个 1m 瓣(0.47t/个) |
| 1km 管线 | ≈1460 t |
| 日进尺(30mm/min 连续) | ≈43 m/日 → 日产渣 ≈63 t/日 |
| 新管内运输 | 轨道平车 6 件/车(1m 瓣,≈2.8t≈每节一车)或 12 件/车(5.6t,每 2 节一车);井口提升须与管节吊装错峰 |
对比破碎式:传统吃管法把旧管碎成骨料由泥浆泵送,省去轨道物流但增加泥浆处理厂与浆液外运;剪断式反其道(干式、块状、可资源化),物流是它的主要成本增量——这是两条路线经济性对比的核心变量,应在立项前用具体工程测算。
| 环节 | 传统吃管法(破碎式,ISTT 定义) | 本构想(剪断式) |
|---|---|---|
| 旧管处置 | 机头前端破碎钳/刀盘边进边碎 | 完整吞入 → 环断 + 纵分瓣 |
| 排渣 | 泥浆循环/泵送,需泥水处理厂 | 干式成瓣,轨道平车 + 井口吊出 |
| 面压 | 全断面平衡(机头全面积) | 仅环形断面(约 17%——旧管替你撑着中心) |
| 粒度 | 碎至泵送粒度(破碎功耗大) | 瓣状大块(剪切功耗集中在断口) |
| 适用口径 | ISTT 文献记载约 DN150-900 为主 | 大口径(DN1200+)扩容场景 |
| 装备复杂度 | 破碎锥+泥浆系统(成熟) | 剪断机构+物流系统(需研发) |
关于"吃管法适用口径",ISTT 指南将 Pipe Eating 归类为"旧管被破坏、碎块必须移出、可处理钢筋混凝土管"的唯一在线更换工艺之一;多篇英文文献记载其用于 DN150~900 重力污水管[ISTT Guidelines、Trenchlesspedia、FHWA、Iowa State Univ. 讲义,见文末]。"吃管法+大口径+剪断式"的交叉区,正是国内外均未见工程报道的空白带——这是机会,也是风险(无先例可抄)。
| # | 专利号 | 申请人/年代 | 技术方案要点 | 法律状态 | 与构想的冲突度 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | CN112483104B《一种吃管法管道更新掘进机及施工方法》 | 中铁工程装备集团,申请 2020-12 | 中空吃管刀盘+主机中心通道供旧管通过+泥水舱+排浆/注浆系统;施工方法为旧管整节不切断,由卷扬机+滑移夹具沿新管拖至始发井吊出 | 已授权,有效 | 最近邻。共享"吞管"构型,但其权1依赖"泥水舱+排浆+注浆"特征,且处理方式是"整节拖出"而非"腹内剪断" |
| 2 | CN114719082B《换管机》 | 中国石油集团,申请 2021-01 | 中空机体+刀盘破碎掌子面+锥形内/外壁破碎机构+泥浆供给/排渣机构+顶进机构,将小旧管换为新大管 | 已授权(2024),有效 | 次近邻。"破碎+泥浆"路线,无腹内剪断 |
| 3 | US4915543A《Existing pipeline renewing method and apparatus》 | 日本 ISEKI,申请 1988 | 吃管法基础专利:盾构机掘进中"吃掉"旧管,偏心曲轴带动内向切削刃以内向力破管(比外向力省力),破碎锥+格栅,泥浆排渣,临时通水装置,密封机构 | 2002 年因未缴年费失效 | 无冲突(可自由引用其原理) |
| 4 | JPS63189593A《既設管路の更新方法および装置》 | 日本 ISEKI,申请 1987 | 同上的日本族专利:掘进中破碎旧管+泥浆排渣+新管敷设 | 期满失效 | 无冲突 |
| 5 | CN219220421U《一种半开挖吃管管道更新掘进机及施工系统》 | 徐工集团,2023 | 半开挖吃管:刀盘+螺旋+渣斗垂直排土 | 有效(实用新型) | 低(半开挖路线) |
| 6 | JP2021177057A《切削破砕機及び既設管破砕システム》 | 日本真柄建设,2020 | 内张铰接破砕刃(液压楔支承)对球墨铸铁旧管从内侧压溃,碎片外挤 | 审查中/状态待核 | 低-中(是"内压破管"但非剪断成段) |
| 7 | CN224694196U《一种PE排水管道前拉后顶碎裂管更换系统》 | 中交三航局,申请 2025-07 | 碎管法+主动切割:胀管机头外周设旋转切割刀,随钻杆转动主动切削破碎旧管、"大幅降低破管阻力";前拉(定向钻)+后顶(推新管)协同 | 有效(实用新型) | 中(动向信号):证明"切割降阻"是行业演进方向,但其切割在碎管机头上,仍非"吞管后腹内剪断成段" |
| 8 | CN116220173A《一种排水管道非开挖短管置换施工工艺》 | —,2023 | 挤压破碎原管+回拖新管(短管置换) | 待核 | 低 |
| 9 | CN112627831B《一种顶管机施工方法》 | —,2020 | 顶管掘进至设定位置后取出顶管机主机与孔内管节(管节可取出性的方法先例) | 有效 | 低(解决机器/管节回收,不涉及腹内剪断) |
| 10 | JP5188276《管切断装置》 | 日本 TGS,2013-02 登记 | 细节待核(J-PlatPat 查询);TGS 官方专利清单在列,名称直指"管切断" | 登记中(约 2031 年期满) | 待核(已列入正式 FTO 清单) |
| 11 | CN114738550A《一种可在管道内拆解的顶管机》 | —,2021 | 顶管机自身在管内分体拆解以便回收 | 待核 | 低(解决机器回收,不解决旧管) |
| 12 | CN112031787A《破拆、扩径掘进机》 | —,2020 | 扩挖刀盘破拆旧管周边+扩径 | 待核 | 低 |
| 13 | 日本族:JP2559134B2(奥村组)、JP4298897B2(西松,2000)、JP2001073673A(大林组)、JPH02140396A(三菱,1988)、CN111852493B、CN103234075B(双环刀非开挖管道更换设备)等 | 1988-2001 | "既設管更新シールド"系列及国内同族:盾构吞管+破碎+泥浆(取自专利页"相似文献"列表) | 均已期满或临期 | 无冲突(构成丰富公有 prior art;CN111852493B/CN103234075B 法律状态逐件核实) |
| 维度 | 评级 | 依据 |
|---|---|---|
| 剪断力学 | 可行(高置信) | 设计剪断力 7.5MN 量级,液压货架技术覆盖;峰值功率 77kW;刃口比压 81MPa 安全 |
| 几何吞入 | 有条件可行 | 仅"扩一号"及以上;同径不可行;管节椭圆/错缝需导正喇叭口与间隙管理 |
| 剪筋完整性 | 可行但需试验 | 钢筋剪断为货架技术(消防剪断器级);但"混凝土先断、钢筋后断"的次生拉结行为须台架验证 |
| 渣土物流 | 可行但重(中等置信) | 1.46t/m、63t/日,轨道化方案成立;经济性 vs 泥浆路线待具体工程测算 |
| 专利自由实施 | 有空间、需正式 FTO | 两件在效近邻专利可规避(去泥水化+腹内剪断);基础原理已公有 |
| 机构可靠性 | 待验证(最大不确定域) | 刀具磨损寿命、剪断冲击对机头结构/测量的影响、瓣体卡阻处理,均无先例数据 |
总评:该工艺不是"是否可行"的问题,而是"适用域是否足够大"的问题。 它的可行域=大口径+扩容+不宜泥浆/需渣资源化场景,恰好落在大口径差异化战略的延长线上;其代价是装备复杂度与物流系统,以及零先例的可靠性风险。
工法定义与分类 - ISTT《Trenchless Technology Guidelines》On-Line Replacement 章节(ISTT 官方 PDF) —— Pipe Eating 分类:旧管被毁、碎块必须移出、可处理钢筋混凝土管 - Trenchlesspedia:What is Pipe Eating? - FHWA:Reducing Pavement Cuts(吃管法定义章节) - Iowa State University《Chapter 14: Trenchless Construction》 - ScienceDirect:Research needs for on-line pipeline replacement techniques - 隧道网知享文库《管道更新非开挖装备技术综述》(范磊,2022,全文付费) —— "顶管法和吃管法集成刀盘破切开挖装置、压力平衡系统、保通系统" - 知乎《不开挖地面也能更换老旧管道?搞懂"爆管法"和"吃管法"》 - 武汉市《排水管道非开挖修复技术规程》DB4201/T 700-2024 —— 列"管道排出法"为更新工法之一(经 WebSearch 检索确认其工法条目;原文 PDF 按标准号向发布方获取,本轮检索所得链接不完整,不在此挂载) - 搜狐:中交三航局取得"PE排水管道前拉后顶碎裂管更换系统"专利(CN224694196U,含主动切割刀) - TGS 株式会社《特許等一覧(国内)》(特许第5188276号"管切断装置",2013-02-01 登记,官方清单 PDF)
专利(均经 Google Patents 全文核读) - CN112483104B 吃管法管道更新掘进机及施工方法(中铁装备,有效) - CN114719082B 换管机(中国石油,2024 授权有效) - US4915543A Existing pipeline renewing method and apparatus(ISEKI,1988,2002 失效) - JPS63189593A 既設管路の更新方法および装置(ISEKI,1987,期满) - CN219220421U 半开挖吃管管道更新掘进机(徐工,2023) - JP2021177057A 切削破砕機及び既設管破砕システム(真柄建设,2020) - CN114738550A 可在管道内拆解的顶管机 - CN112031787A 破拆、扩径掘进机及其施工方法
日本工程实践(机内切割作业先例) - 東京都下水道局《DO-Jet 工法を装備したシールド機からの探査結果》 —— 掘进机在机内对障碍物"切断除去"的工程实践 - 大豊建設《機内から障害物を撤去する推進工法の開発》 - JCMA 1989 年次大会《リフレッシュシールド工法に関する掘削要素実験》(扫描件) —— 钢筋混凝土管渠掘削实验(1989) - JFE エンジニアリング《旧管更新・更生工法》
材料参数 - 百度爱采购百科:混凝土抗剪强度≈抗压的 1/6~1/8(引 GB 50010 体系) - HansPub《用原位单剪法检测混凝土抗压强度的研究》(直剪-抗压强度相关关系) - 钢筋混凝土顶管(F 型钢承口,GB/T 11836-2023/GB/T 21492 体系,壁厚与等级)
液压剪设备对标 - 搜狐:液压钢筋剪选型("20 型"=剪断 Φ20 钢筋) - 原创力文档:液压剪断器参数培训课件(额定压力 63~72MPa) - 贵州七星关区消防救援装备采购(剪断 Φ20 钢筋、系统压力 ≥70MPa)
报告完。计算脚本与中间过程见本文件夹;所有力值为设计估算,实施前须经台架试验与正式设计复核。