矩形顶管模具技术发展历程

矩形顶管模具刚起步的时候，并不是全新研发的技术，而是在圆形顶管模具的工艺基础上慢慢摸索出来的。这个阶段的矩形顶管模具，有几个很明显的特点：

第一，大多采用“敞开式工作面”施工，简单说就是挖的时候工作面是暴露在外的，这就对周围土层的稳定性要求特别高，开挖方式要么靠人工挖掘，要么用小型机械辅助挖土体；

第二，顶进的距离比较短，最长也就能到100米，而且矩形断面的尺寸是从小慢慢做大的。加工这种顶管模具也有两种方式，一种是在施工工地现场浇筑，另一种是在工厂里提前预制好再运到工地；

第三，应用场景比较单一，主要用在铁路或者公路的下穿工程里，也就是从铁路、公路下面挖通道，不影响地面交通。

不过即便有这些局限，这个阶段的实际工程案例也能看出顶管暗挖施工的优势——能大大减少对地面道路和旁边建筑物的影响，还能降低工程成本，同时也能灵活打造大跨度的地下空间，比传统开挖方式更实用。

到了20世纪70年代，隧道掘进技术在设备和施工工艺上有了大突破，这也为矩形顶管技术的进一步发展打下了坚实基础。对于顶管这种“不挖开地面就能施工”的方法来说，工作面怎么开挖、如何保持稳定，是技术升级的核心关键。我们可以通过几个关键节点，看看这项技术是怎么一步步升级的：

1910年，纽约和汉堡的工程师们率先尝试，在地下水位以下的松散土层里挖隧道时，用压缩空气的方法来维持人工挖掘工作面的稳定，避免土层坍塌；1964年，日本最先研发出了泥水平衡掘进机，这种设备能平衡开挖面的水土压力，还能把工作面封闭起来，实现机械化挖掘，这就为后来长距离顶管施工创造了条件。后来德国在1976年，也研发出了功能类似的泥水平衡掘进机。

不过泥水平衡技术也有问题，比如施工中容易出现泥浆渗漏、地面变形等情况。为了解决这些难题，日本在1976年又率先推出了土压式掘进机。到了1981年，针对更复杂的地层开挖需求，一种结合了泥水平衡和土压平衡两种技术优点的泥浓式掘进机被研发出来，很快就成了日本圆形顶管施工领域的主流设备，市场占比超过了60%。

随着这些土体开挖和稳定技术的突破，圆形顶管模具不仅能顶进更长的距离，对不同地层的适应能力也大大增强。这些技术成果，也为后来矩形顶管模具设备的研发提供了很多可借鉴的经验。

和圆形顶管相比，矩形掘进机的切割结构要复杂得多，所以直到1989年，日本才成功研发出第一台矩形掘进机。这个阶段的矩形顶管模具，依然以敞开式工作面为主要特点，施工时采用“顶进+牵引”相互配合的矩形推进方法，得到了广泛应用。这一时期也有不少代表性工程，能直观体现技术的进步：

英国在M1高速公路15A号交界处，用矩形顶管模具打造了一个下穿通道，尺寸达到14米（宽）×8.2米（外高）×45米（长），施工时还用到了新型防拖拽技术，专门控制顶进时的摩擦力，提升施工效率；在顶进距离上，南非德班的一条铁路线下，施工了断面7.9米（宽）×4.4米（外高）×158.5米（长）的顶管隧道，成为早期长距离矩形顶管施工的典型案例。

美国则在更复杂的施工条件下（比如断面大、土层覆盖浅），首次采用冻结法来稳定土体和工作面，这项技术还应用在了2004年完工的波士顿地下快速道路工程中。冻结法进一步拓宽了矩形顶管模具的适用范围，让顶进的最大断面达到23.78米×11.59米，最大顶进长度也提升到109.45米。

日本在施工方法的多样性上也有不少创新，比如1980年开发的ESA工法。这种方法是把3个及以上的顶管模具并排推进，通过错开顺序顶推的方式，让相邻的顶管模具管节相互依靠，利用反作用力实现前进，有点像尺蠖（一种小虫子）爬行的样子。这种工法减少了对反力墙的依赖，1996年还应用在了宝来隧道工程中，该隧道尺寸为21.6米（外宽）×7.8米（外高）×279.5米（长），之后也被用在多个类似顶推工程里。

总的来说，这个阶段的大量工程实践，为矩形顶管从敞开式施工，逐步向密闭式掘进技术发展，提供了扎实的理论和实践依据。