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咱們可以把矩形頂管模具技術(shù)的發(fā)展分成三個階段來看:剛開始摸索的起步階段(20 世紀(jì) 60—70 年代)、主要用敞開式工作面的發(fā)展階段(20 世紀(jì) 70—90 年代),還有以密閉式矩形掘進(jìn)機(jī)為主的新技術(shù)開發(fā)階段(20 世紀(jì) 90 年代到現(xiàn)在)。
1. 技術(shù)起步階段(20 世紀(jì) 60—70 年代)
這個階段的矩形頂管模具技術(shù),是在圓形頂管模具的施工工藝基礎(chǔ)上慢慢摸索出來的,有這么幾個特點:一是大多采用敞開式的施工工作面,對土層的穩(wěn)定性要求很高,挖土壤要么靠人工,要么靠局部的機(jī)械設(shè)備;二是頂進(jìn)的距離比較短,最長也就 100 米,管道的橫截面尺寸是從小慢慢變大的,加工箱涵模具的方法有兩種,一種是在施工現(xiàn)場澆筑,另一種是在工廠里預(yù)制;三是主要用在鐵路和公路下穿的工程里。不過從這個階段的實際工程來看,用頂管模具暗挖的方式施工,大大減少了對地面道路和旁邊建筑物的影響,還降低了工程成本,而且能靈活搭建大跨度的地下空間。
2. 技術(shù)發(fā)展期(20 世紀(jì) 70—90 年代)
到了 20 世紀(jì) 70 年代,隧道掘進(jìn)技術(shù)在設(shè)備和施工工藝上有了突破,這為矩形頂管模具技術(shù)的發(fā)展打下了好基礎(chǔ)。對于這種不用開挖地面的施工方法來說,工作面的開挖方式和保持其穩(wěn)定的方法,是技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵。具體來說,早在 1910 年,紐約和漢堡就率先在地下水位以下的松散土層隧道工程中,用壓縮空氣的方法來保持人工開挖工作面的穩(wěn)定;1964 年,日本最先造出了泥水平衡掘進(jìn)機(jī),這種機(jī)器能平衡開挖面的水土壓力,還能實現(xiàn)開挖面的封閉和機(jī)械挖掘,為實現(xiàn)長距離頂管模具施工創(chuàng)造了條件,德國在 1976 年也造出了功能類似的泥水平衡掘進(jìn)機(jī);后來,為了解決泥水平衡頂管模具施工中出現(xiàn)的泥漿滲漏、地面變形等問題,日本在 1976 年又率先研發(fā)了土壓式掘進(jìn)機(jī);1981 年,為了應(yīng)對復(fù)雜土層的暗挖工程,一種結(jié)合了泥水平衡和土壓平衡兩種施工方法優(yōu)點的泥濃式掘進(jìn)機(jī)被研發(fā)出來,而且很快就成了日本圓形頂管模具領(lǐng)域的主流掘進(jìn)機(jī),市場占比超過 60%。隨著這些土壤開挖和穩(wěn)定技術(shù)的突破,這個階段圓形頂管模具的頂進(jìn)距離變得更長,對不同土層的適應(yīng)能力也明顯增強(qiáng),這也為矩形頂管模具設(shè)備的研發(fā)提供了可參考的經(jīng)驗。
不過因為矩形掘進(jìn)機(jī)的切割結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,直到 1989 年日本才研發(fā)出這種設(shè)備。當(dāng)時的矩形頂管模具施工,主要還是采用敞開式工作面,通過頂進(jìn)和牽引相互配合的矩形推進(jìn)施工方法,得到了廣泛應(yīng)用。這一階段有幾個有代表性的工程:英國在 M1 高速公路 15A 號交界處修建的下穿通道,尺寸是 14 米(寬)×8.2 米(外高)×45 米(長),這個工程用了新型的防拖拽技術(shù)來控制摩擦力;頂進(jìn)距離方面,南非德班在一條鐵路線下施工的頂進(jìn)隧道,橫截面尺寸是 7.9 米(寬)×4.4 米(外高)×158.5 米(長),是早期長距離箱涵模具頂推施工的典型案例;美國在大橫截面、淺覆土等復(fù)雜條件下,第一次采用凍結(jié)法來穩(wěn)定土壤和工作面,還把這種技術(shù)用在了 2004 年完工的波士頓地下快速道路工程中,這項技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)大了矩形頂管模具施工方法的適用范圍,讓頂進(jìn)的最大橫截面達(dá)到了 23.78 米 ×11.59 米,最大頂進(jìn)長度達(dá)到 109.45 米;日本在施工方法的多樣性上有不少創(chuàng)新,比如 1980 年開發(fā)的 ESA 工法(也就是連續(xù)自進(jìn)式施工法),這種方法是把 3 個及以上的箱涵模具并排推進(jìn),通過錯開順序頂推的方式,讓相鄰的管節(jié)相互依靠,并且用反作用力來實現(xiàn)推進(jìn)。這種推進(jìn)方式有點像尺蠖(芥尺蟲)前進(jìn),減少了對反力墻的依賴,1996 年還應(yīng)用在了寶來隧道等多個頂推工程中,這個隧道的尺寸是 21.6 米(外寬)×7.8 米(外高)×279.5 米(長)??偟膩碚f,這個階段的工程實踐,為頂推施工方法向密閉式掘進(jìn)技術(shù)發(fā)展提供了理論支持。
3. 新技術(shù)開發(fā)期(20 世紀(jì) 90 年代至今)
進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代,矩形頂管模具技術(shù)迎來了密閉式機(jī)械掘進(jìn)的快速發(fā)展時期?,F(xiàn)在,主要的矩形橫截面和類似矩形橫截面的切割方法及相關(guān)設(shè)備,大多來自日本和中國。下面就根據(jù)矩形掘進(jìn)機(jī)的切削原理類型,給大家介紹一下矩形頂管模具的掘進(jìn)技術(shù)。
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