一种不开挖条件下埋置顶管机头边切割边顶进原位替换方法及施工控制系统与流程

本发明涉及非开挖管道施工、顶管施工和地下工程抢险修复，尤其涉及一种在机械顶管机头被埋置、卡阻或抱死且地面不具备开挖取机头条件时，通过保留机头外壳临时支护、机头外壳分环分块切割和人工顶管管节小行程顶进相结合，对埋置顶管机头进行原位替换的方法及施工控制系统。

背景技术：

1、顶管法广泛用于市政排水、截污、调蓄、综合管廊及其他地下管线工程中。机械顶管在穿越道路、既有建筑物、地下管线、河道沿线及交通繁忙区域时，能够减少地面开挖范围。但是，在杂填土、砂卵石、孤石、塌空、涌水、涌砂或管周脱空等复杂地质条件下，机械顶管机头可能发生偏位、翘曲、抱死或卡阻，导致无法继续顶进。

2、当机械顶管机头埋置位置位于道路、建筑物、既有管线、电杆、变压器或其他敏感设施附近时，通常不具备从地面开天窗取出机头的条件。如果强行开挖，不仅施工范围大、交通和周边环境影响大，还可能引起道路塌陷、管线损坏、建筑物沉降或地下水突涌等次生风险。

3、现有处理方式主要包括以下几类：

4、第一类为开天窗法：在掘进机头上方地面通过开挖而解决问题。该方法简单直接，但施工范围大，对地面交通和周边环境影响显著，不适用于敏感区域。

5、第二类为反向顶出/逆套管法：利用千斤顶反向拔管将管道退出后重新顶进，或在接收井反向顶进内径大于机头外径的套筒取出机头。这些方法适用于顶进长度较短、机头能够整体拉出的场景，但对于已经被土体包裹、停机抱死、外壳仍占据管道通道且不能整体拉出的埋置机头，并不适用。

6、第三类为竖井开挖更换机头法（参见cn117028668a）：通过在机头位置开挖竖井，利用起重设备将原机头吊出并更换新机头。该方法需要占用地面空间进行竖井开挖，对周边环境仍有较大影响，且不适用于地面不具备开挖条件的场景。

7、第四类为液氮冻结+矿山法暗挖（参见期刊论文《基于液氮冻结矿山法暗挖施工的顶管机头脱困方法》）：通过液氮冻结土体形成冻土帷幕，然后采用矿山法暗挖取出机头。该方法虽然不需要地面开挖，但工艺复杂、成本高、工期长，且冻结对周边土体和管线可能产生冻胀影响。

8、第五类为盾构弃壳拆解：盾构机完成隧道掘进后，在接收井或暗挖扩大端分块切割拆解盾体。该方法公开了分块切割、洞内拆解的技术手段，但其应用场景是盾构完成掘进后的计划性拆解，目的是回收设备或腾出空间，而非施工过程中机头被卡阻时的应急原位替换。

9、第六类为弃壳工艺（参见专利cn117823173a）：在顶管施工前预先设计，使用混凝土预制管节代替部分或全部机头钢板结构，顶管施工后将刀盘及驱动机构拆除回收。该方法属于施工前的预先设计，而非机头被埋置后的应急处理方案。

10、上述现有技术至少存在以下不足：

11、第一，开天窗法和竖井开挖法均需要地面开挖，不适用于道路、建筑物、既有管线等敏感区域附近的埋置机头处理；

12、第二，反向顶出法和逆套管法需要机头能够整体拉出或退出，对于被土体包裹、停机抱死的埋置机头不适用；

13、第三，液氮冻结+矿山法暗挖工艺复杂、成本高、工期长，且可能对周边环境产生冻胀影响；

14、第四，盾构弃壳拆解虽然公开了分块切割，但其应用场景是完成掘进后的计划性拆解，未涉及利用外壳临时支护作用实现管道贯通的应急原位替换；

15、第五，现有技术未解决机头外壳既阻碍管节贯通又具有临时支护作用的技术矛盾——整体拆除外壳可能造成掌子面及周围土体失稳，完全保留外壳则无法实现管道贯通。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：在机械顶管机头被埋置或卡阻、地面不具备开挖取机头条件且机头外壳既阻碍管节贯通又具有临时支护作用的情况下，如何在控制掌子面失稳风险的同时，实现埋置机头位置的管道贯通。

2、本发明的第一方面，提供一种不开挖条件下埋置顶管机头边切割边顶进原位替换方法，包括如下步骤：

3、s1，确定被埋置、卡阻或抱死的机械顶管机头的位置、高程和对接方向，并确认所述机械顶管机头不具备从地面开挖取出或沿既有管道整体拉出的施工条件；

4、s2，自工作井或可施工井位采用人工顶管方式向所述机械顶管机头顶进，使人工顶管管节的前端到达所述机械顶管机头前端；

5、s3，清掏所述机械顶管机头的刀盘、前端空隙和周边松散土体，拆除或切除位于所述机械顶管机头外壳内且阻碍所述人工顶管管节继续顶进的内部构件；

6、s4，保留所述机械顶管机头外壳的未切割部分，使所述未切割部分在后续施工循环中作为周围土体的临时外衬支护；

7、s5，根据等效土压力、等效地基反力系数、外壳等效弯曲刚度、人工顶管设备可用顶进力和单块允许清运重量的参数，确定外壳切割环段的轴向长度，并将所述外壳划分为外壳切割环段和环向切割块；

8、s6，对当前施工循环对应的至少一个环向切割块进行切割和清理；

9、s7，在完成通风确认、气体检测、人员撤离确认和切割设备安全状态确认后，控制人工顶管设备执行小行程顶进，使人工顶管管节前端在同一施工循环内进入被切除的环向切割块形成的空位，且所述小行程顶进的单次顶进距离不大于当前被切除外壳对应的轴向长度；

10、s8，在未被切割的外壳部分继续保持原位支护的状态下，重复s6和s7，直至所述机械顶管机头外壳的占位被所述人工顶管管节原位替换；

11、s9，对人工顶管管节外周空隙注浆填补，并对人工顶管管节与既有管道或对接管段之间的接口进行密封处理。

12、优选的，所述施工循环包括依次执行的切割当前环向切割块、清理切割件和渣土、排出烟尘、进行气体检测、确认人员离开顶进受力危险区域以及执行所述小行程顶进；所述小行程顶进是指单次顶进距离不大于当前被切除环向切割块或外壳切割环段的轴向长度的顶进操作。

13、优选的，在s5中，每一外壳切割环段的轴向长度lc按如下计算模型确定：

14、计算等效土压力pe；

15、计算外壳等效弯曲刚度；

16、根据得到土体-外壳稳定限值；

17、根据得到顶进能力限值；

18、根据得到切割块清运限值；

19、取lc不大于ls、lj和lh中的最小值，即；

20、其中，d为外壳外径或待替换管节外径，t为外壳厚度，es为外壳材料弹性模量，v为泊松比，β为壳体曲率修正系数，k为等效地基反力系数，fa为人工顶管设备可用顶进力，mu为管土摩阻系数，tau为切割后局部附加阻力折算值，n为环向切割块数量，wa为单块允许清运重量，rho为外壳材料密度，g为重力加速度，a为稳定修正系数，h为顶进修正系数；a、h、β和k根据现场试切数据、现场监测数据或同类工程数据确定。

21、优选的，每一外壳切割环段沿环向划分为四个、六个或八个环向切割块，并按先上部后侧部、先局部后闭合的顺序切割，以降低单次暴露面积和单块清运重量。

22、优选的，切割采用氧气乙炔切割、等离子切割、机械切割、水切割或其组合；当管内气体检测不满足动火条件时，停止动火切割并采用机械切割或水切割。

23、优选的，s7中的顶进前安全确认包括：确认气体检测结果满足有限空间作业要求、确认管内通风风量达到预设阈值、确认切割设备处于停止或安全状态、确认管内作业人员离开顶进受力危险区域、确认视频监控未发现人员滞留以及确认语音通信正常。

24、优选的，气体检测至少包括氧气、甲烷、一氧化碳和硫化氢检测；当任一检测值超过预警阈值时，禁止执行小行程顶进并停止切割作业。

25、优选的，在s9中，当人工顶管管节与既有管道或对接管段之间存在错口时，先对接口间隙进行填充找平，再安装密封止水带和不锈钢胀圈，并通过液压工具使不锈钢胀圈胀紧，以使密封止水带贴合管道内壁。

26、优选的，当在s3的清掏过程中发现涌水、流砂、塌方、孤石障碍或管周脱空时，先进行封堵、注浆、临时支护或障碍物破除，再执行s4至s8。

27、本发明的第二方面，提供一种用于实施上述任一项所述方法的施工控制系统，包括：

28、定位测量单元，用于确定被埋置、卡阻或抱死的机械顶管机头的位置、高程和对接方向；

29、外壳参数获取单元，用于获取所述机械顶管机头外壳的外径、厚度、材料弹性模量、壳体曲率修正系数、等效土压力和等效地基反力系数；

30、切割环段计算单元，用于根据所述外壳参数获取单元输出的参数、人工顶管设备可用顶进力和单块允许清运重量，计算土体-外壳稳定限值ls、顶进能力限值lj和切割块清运限值lh，并输出不大于ls、lj和lh中最小值的外壳切割环段轴向长度lc；

31、切割确认单元，用于记录环向切割块的切割和清理状态，并在当前环向切割块完成切割和清理后输出顶进触发信号；

32、顶进步距控制单元，用于根据所述顶进触发信号和所述外壳切割环段轴向长度lc，控制人工顶管管节的小行程顶进距离不大于当前被切除外壳对应的轴向长度；

33、有限空间安全联锁单元，用于根据气体检测、通风、人员位置、切割设备状态、视频监控和语音通信状态输出是否允许顶进的联锁信号；

34、反馈修正单元，用于根据顶进力、外壳变形、管周沉降、管节轴线偏差和掌子面稳定状态，对稳定修正系数、顶进修正系数、壳体曲率修正系数或等效地基反力系数进行修正。

35、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

36、本发明不要求从地面开天窗取出埋置机头，能够减少对道路、建筑物、既有管线和周边敏感设施的扰动。

37、本发明在机头内部构件拆除后保留机头外壳，使外壳作为临时外衬支护，避免一次性整体拆除外壳造成掌子面或周围土体失稳。这是本发明与现有技术的核心区别之一。

38、本发明根据管径、等效土压力、外壳厚度、外壳刚度、等效地基反力系数和人工顶管设备顶进能力确定外壳切割环段的轴向长度，使切割尺寸与现场受力状态、外壳临时支护能力和顶进替换能力相匹配，避免切割环段过长导致土体失稳，也避免切割环段过短导致循环次数过多。

39、本发明将切割、清理、安全确认和小行程顶进纳入同一施工循环，每切除一个切割块（或一个外壳切割环段）立即进行小行程顶进，使管节占据该空间，始终保持未被切割的外壳部分对周围土体的临时支护作用。如果将切割和顶进分离，掌子面将处于无支护状态，土体失稳风险显著增加。

40、本发明在原位替换完成后对管外空隙进行注浆填补，并对接口进行密封处理，有利于提高管道接通后的稳定性和密封性。

41、本发明适用于机械顶管机头已被埋置、抱死或卡阻且不具备整体拉出或地面开挖取出条件的复杂工程场景，填补了该场景下应急处理技术的空白。

42、本发明建立了综合考虑土体稳定、顶进能力和清运能力的切割环段长度计算模型，引入等效地基反力系数使各限值具有统一且正确的量纲，并可通过现场试切监测数据迭代修正，使计算结果更贴近工程实际。

43、本发明通过四个工艺在时间、空间和力学上的耦合，实现了"保留外壳临时支护→分环分块切割→边切割边小行程顶进原位替换→贯通密封"的完整技术方案，各工艺之间相互依赖、不可割裂。