矩形顶管模具关键技术的发展变化

咱们可以把矩形顶管模具技术的发展分成三个阶段来看：刚开始摸索的起步阶段（20 世纪 60—70 年代）、主要用敞开式工作面的发展阶段（20 世纪 70—90 年代），还有以密闭式矩形掘进机为主的新技术开发阶段（20 世纪 90 年代到现在）。

1. 技术起步阶段（20 世纪 60—70 年代）

这个阶段的矩形顶管模具技术，是在圆形顶管模具的施工工艺基础上慢慢摸索出来的，有这么几个特点：一是大多采用敞开式的施工工作面，对土层的稳定性要求很高，挖土壤要么靠人工，要么靠局部的机械设备；二是顶进的距离比较短，最长也就 100 米，管道的横截面尺寸是从小慢慢变大的，加工箱涵模具的方法有两种，一种是在施工现场浇筑，另一种是在工厂里预制；三是主要用在铁路和公路下穿的工程里。不过从这个阶段的实际工程来看，用顶管模具暗挖的方式施工，大大减少了对地面道路和旁边建筑物的影响，还降低了工程成本，而且能灵活搭建大跨度的地下空间。

2. 技术发展期（20 世纪 70—90 年代）

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突破，这为矩形顶管模具技术的发展打下了好基础。对于这种不用开挖地面的施工方法来说，工作面的开挖方式和保持其稳定的方法，是技术进步的关键。具体来说，早在 1910 年，纽约和汉堡就率先在地下水位以下的松散土层隧道工程中，用压缩空气的方法来保持人工开挖工作面的稳定；1964 年，日本最先造出了泥水平衡掘进机，这种机器能平衡开挖面的水土压力，还能实现开挖面的封闭和机械挖掘，为实现长距离顶管模具施工创造了条件，德国在 1976 年也造出了功能类似的泥水平衡掘进机；后来，为了解决泥水平衡顶管模具施工中出现的泥浆渗漏、地面变形等问题，日本在 1976 年又率先研发了土压式掘进机；1981 年，为了应对复杂土层的暗挖工程，一种结合了泥水平衡和土压平衡两种施工方法优点的泥浓式掘进机被研发出来，而且很快就成了日本圆形顶管模具领域的主流掘进机，市场占比超过 60%。随着这些土壤开挖和稳定技术的突破，这个阶段圆形顶管模具的顶进距离变得更长，对不同土层的适应能力也明显增强，这也为矩形顶管模具设备的研发提供了可参考的经验。

不过因为矩形掘进机的切割结构比较复杂，直到 1989 年日本才研发出这种设备。当时的矩形顶管模具施工，主要还是采用敞开式工作面，通过顶进和牵引相互配合的矩形推进施工方法，得到了广泛应用。这一阶段有几个有代表性的工程：英国在 M1 高速公路 15A 号交界处修建的下穿通道，尺寸是 14 米（宽）×8.2 米（外高）×45 米（长），这个工程用了新型的防拖拽技术来控制摩擦力；顶进距离方面，南非德班在一条铁路线下施工的顶进隧道，横截面尺寸是 7.9 米（宽）×4.4 米（外高）×158.5 米（长），是早期长距离箱涵模具顶推施工的典型案例；美国在大横截面、浅覆土等复杂条件下，第一次采用冻结法来稳定土壤和工作面，还把这种技术用在了 2004 年完工的波士顿地下快速道路工程中，这项技术进一步扩大了矩形顶管模具施工方法的适用范围，让顶进的最大横截面达到了 23.78 米 ×11.59 米，最大顶进长度达到 109.45 米；日本在施工方法的多样性上有不少创新，比如 1980 年开发的 ESA 工法（也就是连续自进式施工法），这种方法是把 3 个及以上的箱涵模具并排推进，通过错开顺序顶推的方式，让相邻的管节相互依靠，并且用反作用力来实现推进。这种推进方式有点像尺蠖（芥尺虫）前进，减少了对反力墙的依赖，1996 年还应用在了宝来隧道等多个顶推工程中，这个隧道的尺寸是 21.6 米（外宽）×7.8 米（外高）×279.5 米（长）。总的来说，这个阶段的工程实践，为顶推施工方法向密闭式掘进技术发展提供了理论支持。

3. 新技术开发期（20 世纪 90 年代至今）

进入 20 世纪 90 年代，矩形顶管模具技术迎来了密闭式机械掘进的快速发展时期。现在，主要的矩形横截面和类似矩形横截面的切割方法及相关设备，大多来自日本和中国。下面就根据矩形掘进机的切削原理类型，给大家介绍一下矩形顶管模具的掘进技术。