矩形顶管模具关键技术演化

根据矩形顶管模具技术的发展历程，可将其归纳为3个发展阶段：技术起步阶段(20世纪60—70年代)、以开放式工作面为主的技术发展期(20世纪70—90年代)、以密闭式矩形掘进机为主体的新技术开发期(20世纪90年代至今)。

1.矩形顶管模具技术起步阶段(20世纪60—70年代)

起步阶段的矩形顶管模具法是在圆形顶管模具的工艺基础上进行的技术探索，表现出以下特点：1)普遍采用敞开式工作面，对地层稳定性要求高，以手掘或者局部机械方式开挖土体；2)顶进距离较短(最大为100m)，断面由小到大，通过现场浇筑和工厂预制2种方法加工箱涵模具；3)应用场景主要局限在铁道和公路下穿领域。但该阶段的案例表明，顶管模具暗挖施工显著减少了对道路及邻近构筑物的影响，降低了工程成本，并实现了大跨度地下空间的灵活构筑。

2.矩形顶管模具技术发展期(20世纪70—90年代)

进入20世纪70年代，隧道掘进技术在装备及工艺上的突破为矩形顶管模具技术的发展奠定了基础。作为非开挖施工方法，工作面的开挖形式及其稳定性控制方法是技术演进的关键。具体来看，纽约和汉堡于1910年首先在地下水位线以下松散地层的隧道工程中，采用了压缩空气方法来维持手掘工作面的稳定；1964年，日本最先开发出了泥水平衡掘进机来平衡开挖面的水土压力，并实现了开挖面的密闭和机械挖掘，为突破长距离顶管模具打下了基础，德国在1976年开发出了具有类似功能的泥水平衡掘进机；此后，为解决泥水平衡顶管模具中的泥浆渗漏和地表变形等问题，日本于1976年率先开发了土压式掘进机；1981年，为应对复杂地层的暗挖工程，一种结合了泥水平衡及土压平衡2种工法优点的泥浓式掘进机被研发出来，并快速成为日本圆形顶管模具领域的主流掘进机(占比60%以上)。随着上述土体开挖和稳定技术的突破，此阶段，圆形顶管模具的顶进长度增加和地层适应性显著增强，也为矩形顶管模具装备的研发提供了借鉴。

矩形掘进机由于切割结构的复杂性，直到1989年才在日本被开发出来。当时矩形顶管模具以敞开式工作面为主要特征，通过顶进及牵引相配合的矩形推进工法得到了广泛应用。其中，代表性工程包括英国在M1高速公路15A号交界处安装的尺寸为14m×8.2m×45m(宽×外高×长)的下穿通道，该工程采用了新型的防拖拽技术控制摩阻力。顶进距离方面，南非德班的一条铁路线下施工了断面为7.9m×4.4m×158.5m(宽×外高×长)的顶进隧道，为早期长距离箱涵模具顶推的代表。美国在大断面浅覆土等复杂条件下，首次采用了冻结法稳定土体及工作面，并将其应用于2004年完工的波士顿地下快速道路工程中，该技术进一步拓宽了矩形顶管模具法的适用场景，使顶进的最大断面达到了23.78m×11.59m，最大顶进长度为109.45m。日本在工法多样性方面有多处创新，例如：在1980年开发的ESA(endlessselfadvancingmethod)工法，通过并排推进3个及以上的箱涵模具，利用错序顶推的方法使得相邻管节相互依托并以反作用力方式实现推进。这种类似于芥尺虫前进的方法降低了对反力墙的依赖，并于1996年应用于21.6m×7.8m×279.5m(外宽×外高×长)的宝来隧道等多个顶推工程。具体来看，该阶段的工程实践为顶推工法向密闭式掘进技术发展提供了理论依据。

3.矩形顶管模具的新技术开发期(20世纪90年代至今)

进入20世纪90年代，矩形顶管模具迎来了密闭式机械掘进的快速发展期。目前，主要的矩形断面及类矩形断面的切削方法及其装备主要来自日本和中国，本文将基于矩形掘进机的切削机制类型对矩形顶管模具掘进技术进行介绍。