盾构技术(在地面下暗挖隧洞的施工方法)

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盾构技术（地盾 Technology）是一种安全快捷的隧道修建技术。其原理是通过盾构外壳对岩层进行支撑，同时在开挖面进行土体挖掘，并通过出土机械运送出洞，后部再加压顶进，拼装预制管片以形成隧道结构。盾构技术具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响等特点。

1818年，布鲁涅尔发现船的木板中，一种头部有硬壳的蛀虫钻出孔道，并用它自己分泌的液体涂覆在孔壁上。在蛀虫钻孔的启示下，他提出了隧道掘进机法（也就是盾构法）施工隧道的设想，并获得专利。此后，布鲁涅尔逐步完善了盾构机结构的机械系统，设计出封闭式盾壳以支护地层，用全断面螺旋铲开挖，衬砌紧随其后。1866年，莫尔顿申请“盾构”专利。20世纪初，盾构施工法已在美、英、德、苏、法等国开始推广。20世纪30-40年代，在这些国家已成功地使用盾构建成内径3.0~9.5m的多条地下铁道及过河公路隧道。中国最早引进盾构技术的是上海市，1966年开始的直径10.22m的打浦路过江隧道建造工程，及1988年建成的直径11.3m的延安东路过江隧道等，都是应用盾构技术在软土地层施工成功的例子。2022年11月，上海轨道交通机场联络线工程11标首次实现了盾构掘进由“人工为主、智能为辅”到“智能为主、人工为辅”的产业升级。贵阳市红枫湖至花溪水库连通工程是贵州省首个采用盾构技术的水利输水工程，于2024年下半年动工。2025年11月，该技术在沈阳地铁六号线沙柳路站至雪松路站区间中得到进一步实践。2026年1月30日，广西壮族自治区南宁市邕江上游二期引水和应急引水工程隧洞工程首个盾构区间贯通，这是广西首次在市政引水隧洞工程中应用盾构技术。2026年2月6日，在甬舟铁路金塘海底隧道宁波市侧，中国首台盾构饱和带压进仓设备“深海空间站”完成首秀。

盾构技术的发展一直围绕地层稳定和地面沉降控制、自动化掘进和提高掘进速度、衬砌与隧道质量三个要素进行改进和施工方法的革新。国际上盾构技术日趋完善，盾构的类型不断增多，适用范围不断扩大，断面尺寸向两极发展，所应用的地质条件也更为复杂。

发展历程

国际发展

1818年，布鲁涅尔（Marc Isambard Brunel）发现船的木板中，一种头部有硬壳的蛀虫钻出孔道，并用它自己分泌的液体涂覆在孔壁上。在蛀虫钻孔的启示下，他提出了隧道掘进机法（也就是盾构法）施工隧道的设想，并获得专利。此后，布鲁涅尔逐步完善了盾构机结构的机械系统，设计成封闭式盾壳支护地层，用全断面螺旋铲开挖，衬砌紧随其后。

1866年，莫尔顿申请“盾构”专利。盾构最初称为小筒（cell）或圆筒（cylinder），在莫尔顿专利中第一次使用了“盾构”（地盾）这一术语。巴尔劳首次采用圆形盾构，并用铸铁管片作为地下隧道衬砌。1869年，巴尔劳用圆形盾构在泰晤士河底下建成了外径为2.21m的隧道。在盾构穿越饱和含水地层时，施加压缩空气以防止涌水的气压法，最先是在1830年由科克伦爵士（Lord Cochrane）发明的。1874年，在英国伦敦地下铁道南线的黏土和含水砂砾地层中建造内径为3.12m的隧道时，格雷塞德（Henry Greathead）（1844-1896）综合了以往所有盾构施工和气压法的技术特点，较完整地提出了气压盾构法的施工工艺，并且首创了在盾尾后面的衬砌外围环形空隙中压浆的施工方法，为盾构法发展起到了重大的推动作用。1880-1890年间，在美国和加拿大间的圣克莱尔河下，用盾构法建成一条直径6.4m、长1800余m的水底铁路隧道。20世纪初，盾构施工法已在美、英、德、苏、法等国开始推广。20世纪30-40年代，在这些国家已成功地使用盾构建成内径3.0~9.5m的多条地下铁道及过河公路隧道。仅在美国纽约就采用气压法建成了19条重要的水底隧道，盾构施工的范围很广泛，有公路隧道、地下铁道、上下水道及其他市政公用设施管道等。苏联20世纪40年代初开始使用直径为6.0~9.5m的盾构，先后在莫斯科、圣彼得堡等市修建地下铁道的区间隧道及车站。

20世纪60年代以来，盾构法施工在日本得到迅速发展，在东京、大阪、名古屋市、京都等城市的地下铁道施工中都广泛地被采用。为了克服在城市松软含水地层中盾构施工引起的地面沉降，以及钢筋混凝土管片的制造精度和防水问题，日本和德国等研制和开发了泥水加压式等新型盾构和相应的施工工艺、配套设备，以及各种新型衬砌和防水技术。

1963年，土压平衡式单圆盾构首先由日本公司开发。1986年，日本研制出世界上第一台双圆泥水加压式盾构。1989年，日本用最大的泥水盾构完成的东京湾海底隧道，是世界最长的公路专用海底隧道。1992年，日本又研制成功世界上第一台三圆泥水式盾构，并成功地运用于大阪地铁车站工程施工。1997年6月，日本营团地铁7号线采用直径14.18m的超大型断面泥水盾构机掘进，此盾构机是世界上最大直径的“楼抱式母子泥水盾构掘进机”。

欧洲近年在盾构技术方面也有许多令世人瞩目的成就，主要集中于法国和德国。例如，英吉利海峡铁路隧道就是采用盾构法施工的海底隧道，该隧道全长48.5km，海底段37.5km，最大深度为100m，管片承受的最大水压力为1MPa。国际盾构机的主要制造厂有18家，集中在日本和欧美，如日本的三菱重工、川崎重工业株式会社、小松制作所、日立造船、石川岛播磨重工，德国的海瑞克公司、维尔特公司，美国的罗宾斯公司，加拿大的罗法特公司等。各个厂家可以根据不同的地质条件和不同的工程对象，以及使用单位的不同要求，设计、生产出不同直径、不同类型以及有特殊要求的盾构机，以满足用户的需要，其工艺和设备先进。

中国发展

中国最早引进盾构技术的是上海市，1966年开始的直径10.22m的打浦路过江隧道建造工程，及1988年建成的直径11.3m的延安东路过江隧道等，都是应用盾构技术在软土地层施工成功的例子。浦东新区和崇明区的上海长江隧桥工程中，隧道（全长8.9km）盾构直径达15.43m，2009年10月31日建成通车，当时为世界最大直径盾构。北京、上海、广州市等各城市地铁区间隧道均大量采用盾构法施工，盾构法已经成为地铁区间隧道修建最主要的方法之一。

2022年11月，上海轨道交通机场联络线工程11标首次实现了盾构掘进由“人工为主、智能为辅”到“智能为主、人工为辅”的产业升级。贵阳市红枫湖至花溪水库连通工程是贵州省首个采用盾构技术的水利输水工程，于2024年下半年动工。该工程使用一台长150米的盾构机同步完成掘进、出渣、管片安装、注浆等工序，施工效率较普通施工提高25%以上。施工中通过智慧媒体屏实时监控盾构机掘进土仓压力、油缸推力及作业影像等关键运行参数，实现地下作业状态的智能化和精细化管控。

2025年11月，中铁二十三局七公司重工自主研制的直径8.61米整体式主轴承打破国外垄断，常压换刀技术单次作业时间缩短至2-3天，并实现15bar承压能力。盾构机智能化技术已配备超前地质预报系统和智能掘进系统。同期沈阳地铁工程中，项目团队通过全流程质量追溯体系与风险管控机制，将智能化技术与施工管理深度融合，验证了复杂工况下精细化管理的有效性。中国工程院院士杨华勇指出，中国超大直径盾构成套技术已跻身世界前列，有力支撑了高端装备制造业转型升级，其15bar承压能力（自适应压力补偿密封系统实现）和在京张高铁清华园隧道等工程中应用的毫米级微沉降控制技术已达到世界前列水平。2025年11月，该技术在沈阳地铁六号线沙柳路站至雪松路站区间中得到进一步实践，通过盾构机连续纠偏技术实现地表沉降毫米级控制，并创新采用三米短轨道运输方案实现零事故掘进。截至2025年，中国超大直径盾构成套技术已出口至多个国家和地区，支撑了京张高速铁路清华园隧道（地表沉降）、深江铁路珠江口海底隧道（水下106米施工）等工程，相关成果入选《新天工开物——科技成就展》。沈阳地铁6号线试验应用的装配式轨顶风道工艺被纳入地方施工标准体系，该工艺使作业人员减少50%、扬尘污染降低60%，为绿色施工理念的落地提供了区域性标准样本。

2026年1月30日，广西壮族自治区南宁市邕江上游二期引水和应急引水工程隧洞工程首个盾构区间贯通，这是广西首次在市政引水隧洞工程中应用盾构技术。该工程盾构区间全长约1631米，地质条件复杂。施工中动态优化掘进参数，综合运用同步注浆与渣土改良技术，并创新引入超前地质预报系统和自动化监测系统，成功将地表沉降稳定控制在10毫米以内，盾构机实现日均9米、最高日进尺27米的稳健推进。项目建成后，南宁市将率先在中国建成“两江并举，互为备用”的双水源原水取水体系。2026年2月6日，在甬舟铁路金塘海底隧道宁波侧，国产首台盾构饱和带压进仓设备“深海空间站”完成首秀，成功实施75米深高压环境盾构进仓作业，累计换刀46把，突破了60米的安全作业深度限制。该设备由中铁十四局集团有限公司、交通运输部上海打捞局联合研发，将海洋深水饱和潜水技术与盾构隧道施工相结合，实现了跨领域技术融合。应用饱和潜水技术后，作业人员一次加压可连续多日作业；带压进仓单次有效作业时间从40分钟提升至8小时，可实现多组人员24小时循环作业，最长作业周期达28天，实现了安全与效能的协同突破。根据国铁集团2026年工作会议部署，国铁集团会面向铁路建设和运营主战场，开展大直径盾构隧道建造和运维关键技术研究。

工作原理

盾构技术原理即通过盾构外壳对岩层进行支撑，同时在开挖面进行土体挖掘，并通过出土机械运送出洞，后部再加压顶进，拼装预制管片以形成隧道结构。开挖面的稳定方法是盾构工作原理的主要方面，也是盾构区别于岩石掘进机的主要方面。岩石掘进机中国一般称为 TBM。TBM 是 “Tunnel Boring Machine” 的缩写，通常定义中 TBM 是指全断面岩石隧道掘进机，以岩石地层为掘进对象。岩石掘进机与盾构的主要区别，就是不具备泥水压、土压等维护掌子面稳定的功能。而盾构施工主要由稳定开挖面、掘进及排土、管片衬砌及壁后注浆三大要素组成。

分类

根据工作原理一般分为手掘式盾构、挤压式盾构、半机械式盾构（局部气压、全局气压）、机械式盾构（开胸式切削盾构、气压式盾构、泥水加压盾构、土压平衡盾构、混合型盾构、异型盾构）。

泥水式盾构机是通过加压泥水或泥浆（通常为膨润土悬浮液）来稳定开挖面，其刀盘后面有一个密封隔板，与开挖面之间形成泥水室，里面充满了泥浆，开挖土料与泥浆混合，由泥浆泵输送到洞外分离厂，经分离后泥浆重复使用。土压平衡式盾构机是把土料（必要时添加泡沫等对土壤进行改良）作为稳定开挖面的介质，刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室，刀盘旋转开挖使泥土料增加，再由螺旋输料器旋转将土料运出，泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输料器出土量（旋转速度）进行调节。

根据盾构机不同的分类，盾构开挖方法可分为：敞开式、机械切削式、网格式和挤压式等。为了减少盾构施工对地层的扰动，可先借助千斤顶驱动盾构使其切口贯入土层，然后在切口内进行土体开挖与运输。

技术特点

盾构技术进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响等特点。2025年沈阳地铁六号线工程通过盾构机连续纠偏技术实现地表沉降毫米级控制，并创新采用三米短轨道运输方案实现零事故掘进。有技术实现了直径8.61米整体式主轴承的15bar承压能力，其常压换刀技术使单次作业时间缩短至2-3天。此外，2026年应用于甬舟铁路金塘海底隧道的国产首台盾构饱和带压进仓设备“深海空间站”，则将高压环境下的带压进仓单次有效作业时间从40分钟提升至8小时，实现了多组人员24小时循环作业，最长作业周期达28天。此外，在2025年推进的贵阳市红枫湖至花溪水库连通工程中，盾构技术施工效率较普通施工提高了25%以上。

发展趋势

盾构技术的发展一直围绕地层稳定和地面沉降控制、自动化掘进和提高掘进速度、衬砌与隧道质量三个要素进行改进和施工方法的革新。国际上盾构技术日趋完善，盾构的类型不断增多，适用范围不断扩大，断面尺寸向两极发展，所应用的地质条件也更为复杂。盾构技术未来发展趋势可以大致归纳为以下四个方面。

小型和超大型化

1998年竣工的日本东京湾海底公路隧道采用了 8 台 φ14.14m 泥水盾构施工。2003 年竣工的德国易北河隧道采用了 1 台 φ14.2m 复合盾构施工。2006 年上海长江口越江隧道采用大直径泥水盾构 φ15.43m 施工。2011 年意大利 Sparvo 隧道采用 φ15.55m 土压平衡盾构施工。最大直径土压平衡盾构由日立造船株式会社制造，直径 φ17.45m，2013 年用于西雅图 SR99 项目，因施工过程中发生主轴承损坏事故，目前已拆除。德国海瑞克隧道机械有限公司设计制造的超大直径泥水盾构，直径 φ17.6m，用于香港屯门 — 赤鱲角海底公路隧道。

日本大成建设集团开发了适用于立体交叉工程的小型盾构，直径 200mm 的盾构已在工程中应用。

形式多样化

为适应不同工程条件和环境的需要，盾构的形式越来越多，已生产断面为圆形、矩形、双圆、三圆、球型等。盾构制造及使用成本趋于经济合理。

超长距离化、超大断面化、异形断面化、超大深度化

世界盾构技术正朝着工程的超长距离化、超大断面化、异形断面化、超大深度化方向发展。在高速铁路、高速公路、运输通道向城市地下空间发展，以及城市轨道交通建设为降低成本、标段划分长度越来越大的情况下，长隧道的应用越来越多，因此适用于长距离隧道掘进盾构的需求正在增长。世界各国都在研究掘进长距离隧道的盾构，努力使其可靠性高、使用寿命长、空间定位准确及监控操作人性化。

高智能化、高适应性

国际先进盾构已普遍采用类似机器人的技术：计算机控制技术、网络远程通信遥控技术、现代传感检测技术、激光导向技术、超前地质探测技术等。盾构的自动化程度越来越高，具有姿态管理、设备管理、施工数据采集、处理和实时远距离传输等功能，在盾构施工中实现智能化的操作模式，体现出盾构控制系统的多学科化，性能可靠、更安全。

盾构技术与硬岩掘进机技术相互渗透、相互融合，使其适应地质条件的能力大大增强。由于地质环境的复杂性以及盾构技术自身的局限性，为满足工程的实际需要，越来越要求盾构自身具有一定的解决局部特殊地质情况的能力。目前，盾构应用已从最初的第四系软土地层推广到更大范围的地质环境中。