基本原理
盾构法隧道施工技术是指使用盾构机，一边控制开挖面及围岩不发生坍塌失稳，一边进行隧道掘进、出渣，并在盾构机内拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆，从而在不扰动围岩的基础上修筑隧道的方法。
施工技术特点
1）盾构机可以实现连续掘进，能同时完成开挖、出碴、支护等作业，实现了工厂化施工，掘进速度较快，效率较高。
2）对城市的正常功能及周围环境的影响很小。除在盾构竖井处需要一定的施工场地外,隧道沿线不需要施工场地;施工中没有噪声和振动,对周围环境没有干扰。
3）盾构机是适合于某一特定区间的专用设备。盾构机必须根据施工隧道的断面大小、埋深条件、地基围岩的基本条件进行设计、制造或改造。
4）施工精度要求高。管片的制作精度几乎相当于机械制造的程度，目前每片的误差要求在0.5mm以内；在盾构施工过程中对隧道轴线的偏离、管片拼装精度也有很高的要求。
5）盾构施工改善了作业人员的洞内劳动条件，减轻了体力劳动量，人员在盾壳的保护下施工，避免了其他隧道工法可能造成的人员伤亡，事故大大减少。
盾构机分类
盾构机按照平衡开挖面的方式可分为：插板式、挤压网格式、土压平衡式、泥水平衡式、加泥式及加水式。
按照机械化程度分为：人工、机械化、全自动。
按照施工过程中的运输方式分为：皮带传送、泥浆泵、手工挖小车推。
按照隧道断面敞开程度分为：全敞口、半敞口、全封闭。
按照断面形式分为：单圆、双圆、三圆、矩形、球形。
历史发展
1） 国外发展
盾构法的开创和形成（19世纪20年代到20世纪40年代）
18世纪未英国人提出在伦敦地下横贯泰晤士河的构想，并对具体的掘削工法和使用机械等问题做了讨论。 1818年Brunel观察了小虫腐蚀木船底板成洞的经过，从而得到启示在此基础上提出了盾构工法并取得了专利。 Brunel于1823年拟定了伦敦泰晤士河两岸的另一条道路隧道的计划。工程于1825年动工。隧道长458m，隧道断面为11.4m×6.8m。Brunel在该隧道中采用的是方形铸铁框盾构,衬砌采用砖砌,利用盾构尾部的螺旋千斤顶顶在衬砌上的反力推动盾构前进。工程因多次涌水而被迫中止。但Brunel并没有因此而灰心失望，他总结了失败的教训对盾构做了7年的改进，后于1834年工程再次开工，又经过7年的经心施工，终于在1841年贯通隧道。自Brunel向泰晤士河隧道挑战到隧道峻工前后经历了20个春秋，Brunel经过不懈的努力，克服了种种困难，终于最后取得了胜利。
第一台人工开挖盾构示意图 盾构隧道多次发生淹水事故
1869年建造横贯泰晤士河上的第二条隧道，英国人Greathead首次采用外径2.18m圆形隧道，长402m，采用了新开发的圆形盾构，使用铸铁扇形管片。随后Greathead在1887年南伦敦铁道隧道施工中采用了气压法保持盾构开挖面的稳定,气压盾构法获得成功，为盾构法隧道工程技术奠定了基础。
从人工开挖盾构发展到机械开挖盾构,始于1876年，英国人Brunton申请的机械和盾构专利，该盾构采用了半球形旋转刀盘，开挖土砂落入径向装在刀盘上的料斗中，然后转运到皮带运输机上。1896年，英国人Price开发了辐条式刀盘的机械化盾构，在4个辐条上装有切削刀具。
19世纪末到20世纪中叶，盾构法隧道技术相继传入美国、法国、德国、日本、苏联等国，并得以不同程度的发展。美国于1892年最先开发了封闭式盾构；同年法国巴黎使用混凝土管片建造了下水道隧道；1896年~1899年德国使用钢管片建造了柏林隧道；1913年德国建造了断面为马蹄形的易北河隧道；1931年苏联用英制盾构建造了莫斯科地铁隧道，施工中使用了化学注浆和冻结工法；1939年日本采用手掘圆形盾构建造了直径7m的关门隧道。
盾构法的技术完善（20世纪60年代到80年代）
20世纪60~80年代盾构隧道技术继续发展完善，成绩显著。1964年，英国的Mott Hey 和Aderuson申请了泥水加压平衡盾构专利。1967年日本在东京首次实施泥水加压盾构施工，直径为3.1m；1970年，日本铁道建设公司在穿越东京森崎运河的羽田隧道工程中采用了直径7.29m的泥水加压盾构掘进了1712m。德国于1974年研制了1台泥水盾构并成功掘进了汉堡4.6km污水隧道。
1972年日本开发土压盾构技术成功；1974年第一台直径3.72m泥土加压盾构在东京,掘进了1900m隧道。1978年日本开发高浓度泥水盾构成功；1981年日本开发气泡盾构成功；1982年，东京使用Φ10.58m泥水加压盾构。
1982年日本开发ECL工法成功；1988年日本开发泥水式双圆搭接盾构工法成功；1989年日本开发HV工法、注浆盾构工法成功。总之这一时期的特点是开发了多种新型盾构工法，以泥水式、土压式盾构工法为主。
在盾构隧道衬砌结构技术上，钢筋混凝土管片逐渐代替铸铁管片和钢管片成为主要结构形式。钢筋混凝土管片的构造从箱型管片向平板型管片发展。随着管片制作精度的不断提高和接头密封材料技术的发展，隧道施工质量得到提高。
在盾构隧道衬砌结构设计方法上，1974年, 提出盾构隧道结构的“梁——弹簧模型管环荷载计算法”，将管片主断面作为梁进行模型化处理，将管片接头作为回转弹簧进行模型化处理，将环接头作为抗剪弹簧进行模型化处理的方法。接头的弹簧系数大多采用试验的方法取得。
1960年~1989年的30年内，日本的盾构隧道工程达6000余项，盾构隧道工程技术得到广泛的应用和提高，推动了盾构隧道技术的发展。
盾构法的多元化发展（20世纪90年代以后）
1990年~2010年这一段时间里盾构工法的技术进步极为显著。归纳起来有以下几个特点：① 盾构隧道长距离化、大直径化; ② 盾构多样化; ③ 施工自动化.
由英法两国共同建造的英吉利海峡隧道（长48km）采用11台φ5.8m和φ8.8m的土压盾构掘进施工,于1993年竣工,创造了单台盾构一次掘进21km和月掘进1487m的世界纪录。英法两侧的6台盾构在海底实现对接,隧道最大埋深达100m。
丹麦斯多贝尔特海峡铁路隧道长7.9km,最大埋深75m,采用4台φ8.78m复合型土压盾构掘进。由于穿越的地层为冰碛石和泥灰岩,其含水丰富,渗透系数大,因而比英法海峡隧道的掘进施工更为困难。施工中发生了特大涌水导致隧道淹没事故,采用了海底井点降水、冻结、气压等辅助施工工法解决了困难,工程历经艰辛,于1996年竣工。
日本东京湾道路隧道（长9.4km)采用8台φ14.14m泥水盾构掘进施工,于1996年竣工。盾构采用先进的自动掘进管理系统、自动测量管理系统和自动拼装系统,8台盾构在海底实现了对接,体现了高新技术在盾构法隧道工程中的应用。隧道最大埋深60m，在粘土和砂性土中掘进，隧道管片分为11块，厚度65cm，结构计算采用弹性地基梁模型，接头弹簧系数经管片接头试验取得。
英法海峡隧道示意图 东京湾道路隧道φ14.14m泥水盾构
1997年开工的德国汉堡易北河第4隧道工程,长度2.6km,河底最小覆土仅为7m(小于0.5D),采用海瑞克公司制造的φ14.2m复合型泥水盾构,穿越的地层为坚硬的粘土、砾石, 含水丰富,透水系数大,掘进施工十分困难。盾构机中心设有3m直径的先行小刀盘, 泥水舱下部设有可破碎直径达1200mm巨砾的破碎机;另一项新技术是地震测量系统，称为“声波软土测探系统”（SSP），可为整条隧道推进过程采集数据测量，提供盾构前20-30m的三维反射图象。这台盾构掘进机还设计了在常压状态下的刀盘更换设施。盾构技术体现了国际先进水平。 易北河第4隧道工程于2003年竣工。
荷兰格累恩哈特隧道,是阿姆斯特丹到布鲁赛尔高速铁路隧道工程，长度7,156m，中间设3座工作竖井,穿越地层为砂土，隧道埋深30m,采用法国NFM厂制造的外径14.87m泥水气平衡盾构掘进机，掘进施工相当顺利，于2005年竣工。
马德里M30地下道路隧道工程一期南环线，2条3来3去隧道各长4km，穿越地层为坚硬、有裂隙的灰色或绿色泥灰岩质粘土和石膏。北隧道采用德国海瑞克制作的Φ15.2m世界最大双子星土压盾构，于2005年11月，盾构始发施工，2007年3月北隧道建成通车。南隧道采用日本三菱重工制作的15.2m土压盾构掘进了3664 m，创日进度46米的纪录。
易北河第4隧道φ14.2m复合型泥水盾构 马德里M30地下道路隧道Φ15.2m双子星土压盾构
从断面形状方面讲出现了矩形，马蹄形、椭圆形、多圆搭接形（双圆搭接、3圆搭接）等多种异形断面盾构；从功能上讲出现了球体盾构、母子盾构、扩径盾构、变径盾构、分岔盾构、途中更换刀具（无需竖井）盾构、障碍物直接切除盾构等特种盾构；从盾构机的掘削方式上看出现了摇动、摆动掘削方式的盾构，打破了以往的传统的旋转掘削方式。
日本在1987年开展对矩形盾构隧道掘进机和管片衬砌结构的研究,1990年完成1.04m×1.35m偏心多轴转动刀盘切削土砂的掘进实验,1994年完成3m×3.3m矩形衬砌的结构试验,1994年首次在习志野市的雨水管线工程中采用4.2m×3.8mDPLEX偏心多轴矩形土压,盾构掘进2条隧道取得成功,技术成果获日本1996年度木木学会技术开发奖。偏心多轴刀盘形式还可做成圆形、椭圆形、马蹄形等任意断面。1997年又开发了支承摆动性矩形盾构,其最大断面达到9.9m×6.5m,应用于京都铁路隧道工程,掘进长度753m。
双圆、三圆、多圆盾构隧道的开发始于1986年，东京JR京叶线京桥隧道工程，首次采用Φ7420×W12190双圆泥水盾构掘进了619m。1987年，进行了Φ2.5m双圆盾构的模拟掘进试验和管片衬砌结构试验。1989年，广岛市鲤城交通隧道工程中，首次采用Φ6.09m×10.62m双圆土压盾构掘进取得成功，技术成果获日本1996年度土木学会技术开发奖。1992开工建设的东京地铁12号线饭田桥车站工程,采用新研制的Φ8846×W17440三圆泥水盾构掘进了275m取得成功。日本的双圆、三圆、多圆盾构隧道已在20余项地铁、铁路、交通、排水隧道工程中得到广泛的应用。
三圆盾构掘进机 偏心多轴矩形盾构掘进机
施工设备出现了管片供给、运送、组装自动化装置；盾构机掘进中出现了方向、姿态自动控制系统；施工信息化、自动化的管理系统及施工故障自诊断系统。
国外发展一览表
2）国内发展
盾构法的早期开发（20世纪50～70年代）
20世纪50年代初，东北阜新煤矿用直径2.6m的手掘式盾构及小混凝土预制块修建疏水巷道，这是我国首条用盾构掘进机施工的隧道。1957年、北京市下水道工程采用直径2.0m和2.6m的盾构进行施工。
1963年，上海隧道工程公司结合上海软土地层的特点对盾构掘进机、预制钢混凝土衬砌、隧道掘进施工参数、隧道接缝防水等进行了系统的试验研究。研制了1台直径4.2m的手掘式盾构进行浅埋和深埋隧道掘进试验，隧道掘进长度68m。选用单层防水钢筋混凝土肋型衬砌，衬砌接缝材料为沥青环氧树脂。开创了我国盾构隧道学科研究的先驱，培养了以刘建航、王振信为代表的一批隧道工程试验研究技术人员。
4.2m的手掘式盾构进行浅埋和深埋隧道掘进试验
1965年，由上海隧道工程设计院设计、江南造船厂制造的2台直径5.8m的网格挤压型盾构掘进机，掘进了2条地铁区间隧道，掘进总长度1200m。盾构施工辅以气压，隧道衬砌采用拼装式钢筋混凝土管片。盾构隧道施工成功地穿越了建构筑物，控制了地面沉降。
1966年，中国第一条穿越黄浦江底的2车道车行隧道―上海打浦路隧道开工建设，全长2761m，主隧道1324m采用Φ10.2m网格挤压盾构掘进施工，辅以气压稳定开挖面，黄浦江宽约500m，水深16m。 圆隧道外径10m，由8块钢筋混凝土管片拼装而成。管片环宽90cm，厚60cm。管片环向接头采用双排钢螺栓联接。衬砌接缝防水采用环氧树脂。打浦路隧道于1970年底建成通车，已运营40年。 结合打浦路隧道工程开展的多项试验研究成果获全国科学技术大会奖。打浦路隧道工程的建成标志我国的盾构隧道工程技术和学科研究的一大进步，大大缩短了与当时世界先进水平的差距。
70年代，采用1台直径3.6m和2台4.3m的网格挤压型盾构，在上海金山石化总厂建设1条污水排放隧道和2条引水隧道，掘进了3926m海底隧道。
盾构法的技术进步（20世纪80～90年代）
1980年，上海市进行了地铁1号线试验段施工，研制了一台直径6.41m的刀盘式盾构掘进机，后改为网格挤压型盾构掘进机，在淤泥质粘土地层中掘进隧道1230m。同时进行了地铁隧道高精度钢筋混凝土管片的整环结构试验和现场实测。地铁试验段工程的技术成果为中国第一条盾构法施工的地铁隧道的设计施工奠定了基础。
1985年，上海延安东路越江隧道工程1476m圆形主隧道采用上海隧道工程公司设计、江南造船厂制造的直径11.3m网格型水力机械出土盾构掘进机。隧道衬砌结构设计在整环结构试验和管片接头试验的基础上进行了改进，与打浦路隧道相比，管片的厚度从60cm减小为55cm，环向接头螺栓从双排改为单排，接缝防水从环氧树脂改为橡胶密封条。盾构开挖面网格具有液压启闭功能，可调节进土量以控制地层沉降，盾构成功地穿越了黄浦江底浅覆土层、防汛墙和500m建筑群。结合工程开展的多项科技成果获1991年国家科技进步二等奖。
延安东路越江隧道11.3m网格型水力机械出土盾构掘进施工
1985年，上海芙蓉江路排水隧道工程引进一台日本川崎重工制造的直径4.33m小刀盘土压平衡盾构，掘进1500m，该盾构具有机械化切削和螺旋机出土功能，施工效率高，对地面影响小的特点。1987年上海隧道工程公司在消化吸收国外土压盾构技术的基础上自主研制成功了我国第一台φ4.35m加泥式土压平衡盾构掘进机，用于市南站过江电缆隧道工程，穿越黄浦江底粉砂层、掘进长度583m，技术成果达到80年代国际先进水平，并获得1990年国家科技进步一等奖。
1990年，上海地铁1号线工程全线开工，18km区间隧道采用7台由法国FCB公司、上海隧道股份、上海隧道工程设计院、上海船厂联合制造的φ6.34m土压平衡盾构掘进机。每台盾构月掘进200m以上，地表沉降控制达+1~-3cm。1996年，上海地铁2号线再次使用原7台土压平衡盾构，并又从法国FMT公司引进2台土压平衡盾构，掘进24km区间隧道，上海地铁路2号线的10号盾构为上海隧道股份自行设计制造。
90年代，上海隧道工程股份有限公司自行设计制造了6台φ3.8~6.34m土压平衡盾构，用于地铁隧道、取排水隧道、电缆隧道等，掘进总长度约10km。在90年代中，直径1.5~3.0m的顶管工程也采用了小刀盘和大刀盘的土压平衡顶管机，在上海地区使用了10余台，掘进管道约20km。
1996年，广州地铁1号线8.8km区间隧道由日本青木建设施工，采用2台φ6.14m泥水加压平衡盾构和1台φ6.14m土压平衡盾构。
1998年，上海黄浦江观光隧道工程购买法国二手φ7.65m铰接式土压平衡盾构，经修复后掘进机性能良好，顺利掘进过江隧道644m。
1996年，上海延安东路隧道南线工程1300m圆形主隧道首次采用从日本引进的φ11.22m泥水加压平衡盾构掘进机施工，大大提高了大直径盾构施工的机械化、自动化、信息化水平。由于开挖面水土压力的平衡更加容易控制，地面沉降和环境影响更小。结合工程完成了10余项课题研究，包括泥水平衡机理、泥水处理系统、
1999年5月，上海隧道工程公司研制成功国内第1台3.8m×3.8m矩形组合刀盘式土压平衡顶管机，在浦东陆家嘴地铁车站掘进120m，建成2条过街人行地道,技术成果获2000年上海市科技进步二等奖。
盾构法的多元化发展（21世纪至今）
2000年2月，广州地铁2号线海珠广场至江南新村区间隧道采用上海隧道股份改制的2台φ6.14m复合型土压平衡盾构，首次在珠江底风化岩地层中掘进成功,使盾构法隧道工程技术取得新突破。
2001年以来，广州地铁2号线、南京地铁1号线、深圳地铁1号线、北京地铁5号线、天津地铁1号线先后从德国、日本引进14台φ6.14m~6.34的土压盾构和复合型土压盾构，掘进地铁隧道50km。盾构法隧道逐步成为我国城市地铁隧道的主要施工方法。
2003年，上海地铁8号线首次采用双圆隧道新技术，从日本引进2台φ6520×W11120双圆型土压盾构，掘进黄兴路站—开鲁路站2.6km区间隧道。以后又在6号线、10号线、2号线东延伸段陆续采用双圆盾构掘进隧道10km。
2004年,复兴东路隧道首次采用了独特的双层车道形式，上层布置两条小车车道，车道宽3+3m，通行净高2.6m，下层布置一条大车道加一条紧急停车带，车道宽3.5+2.5m，通行净高4m。为双管双层双向六车道盾构法隧道，设计车速40km/h，工程全长2785m。隧道衬砌外径11.0m、内径10.04m,复兴东路隧道工程于2004年9月建成通车，是世界上第一条投入运营的双层式盾构法隧道。
2004年，上海上中路越江隧道工程引进当时世界最大直径的φ14.87m泥水加压盾构，在黄浦江下掘进施工2条隧道，掘进程长度1250m, 隧道结构为双管双层双向8车道。隧道衬砌采用单层衬砌，为通用环楔形管片,采用全圆周错缝拼装工艺。 圆形隧道的下层车道板结构采用预制构件和现浇钢筋混凝土相结合的形式。
2004年上海隧道工程公司技术中心为乌鲁木齐市辰野名品广场地下商业街二期工程研制了1台20m×6.2m大断面矩形盾构掘进机，其结构为三联体敞开式, 采用3台液压反铲挖土，设计了伸缩式液压帽檐挡土，盾尾46台液压油缸最大可提供60000Kn推力，推进速度4 cm/ min。隧道衬砌采用现浇钢筋混凝土,每掘进2m浇筑1次衬砌，盾构推进油缸顶在钢模上。结构顶平均覆土厚度约4.0米，盾构掘进长度320m。设在道路下的盾构工作井采用管幕法施工 ，在道路两侧各设工作井施工Φ800钢管幕后，暗挖支撑现浇混凝土结构。该大断面矩形盾构及衬砌现浇同步施工技术成果获2007年上海市科技进步二等奖。
2005年,上海长江隧桥工程开工, 其中隧道段长8.95km，设计车速80km/h； 设计车速为100km/h。全线道路规划为双向6车道。隧道外径15m,为世界最大,采用盾构法施工,掘进长度7470m。该工程特点带来的技术难点表现为：超大断面盾构衬砌结构设计、开挖面稳定、隧道抗浮、管片制作与拼装等；7.47km的一次掘进中其关键部件的检修、三维轴线控制、隧道通风与降温、公路与轨道交通共用隧道火灾控制与救援疏散、施工等；高水压下软土复杂地质条件，需要考虑隧道防水、耐久性等难题;多工序隧道内部结构阶梯流水同步施工、施工风险防范与控制、全寿命周期隧道建养一体化管理等问题。圆隧道衬砌环外径15000mm，环宽2000mm，壁厚650mm。采用装配式钢筋混凝土通用楔形管片错缝拼装，混凝土强度等级C60，抗渗等级S12。衬砌圆环共分为10块, 根据埋深不同，分浅埋、中埋、深埋和超深埋管片。管片环、纵向采用斜螺栓连接。环间采用38根T30纵向螺栓连接，块与块间以2根T39的环向螺栓相连。衬砌管片接缝采用压缩永久变形小、应力松弛小、耐老化性能佳的三元乙丙橡胶条与遇水膨胀橡胶条组成两道防水线。在浅覆土地段、地层变化位置和连接通道处衬砌环间增设了剪力销，以提高特殊区段衬砌环间的抗剪能力，减少环间高差[14]。长江隧桥工程于2009年11月建成通车。
上海长江隧道15.43m泥水盾构和隧道通车
2006年，广深港铁路狮子洋隧道开工，是我国第一条采用盾构施工的水底铁路隧道。全长10.8km，隧道外径10.8m。2条隧道采用4台盾构相向推进、地中对接技术。穿越狮子洋隧道海底破碎带，先后克服了高水压、强透水、掘进风险大、更换尾刷难、带压进仓换刀危险系数高等多项技术难题。为验证结构设计的安全性与合理性，南京长江隧道、狮子洋隧道进行了原型结构试验和现场实测，这些研究成果对改进结构设计方法起到很好的指导作用。
2007年，上海外滩道路隧道(3来3去6车道)开工建设，其北段使用盾构技术，采用φ14.27m土压平衡盾构施工，为国内首次采用大直径土压平衡盾构在城市密集区施工，成功完成“1桥2隧33栋”等建构筑物的穿越施工。外滩隧道于2010年3月28日向社会公众开放。
2009年，上海虹桥综合交通枢纽迎宾三路隧道工程(双层3来3去6车道)开工建设，又一次采用φ14.27m土压平衡盾构，盾构成功穿越七莘路高架、北横泾、机场滑行道、机场主跑道、机场航油管、停机坪、101铁路及历史保护建筑物，掘进长度1862m。迎宾三路隧道于2011年3月22日全线贯通。
南京长江隧道连接南京市区和浦口镇，为双管3来3去6车道，全长3835m，隧道外径14.5m,采用2台14.9m泥水盾构施工，于2010年5月建成通车。
2011年，上海军工路隧道通车，采用φ14.87m泥水盾构，是黄浦江上的一座双层公路隧道；2014年，杭州钱江通道（盾构直径15.43m）及扬州瘦西湖隧道（盾构直径14.93m）陆续通车。目前还有南京纬三路隧道、上海虹梅南路隧道、上海长江路隧道、武汉三阳路隧道等大直径隧道在建。未来，盾构法即将迈入“大盾构”时代。
国内发展一览
3）超大直径盾构发展
随着盾构法施工技术的日趋成熟，超大直径盾构隧道因断面利用率高而成为主要发展趋势。国内外均将盾构直径14m及以上的隧道归类为超大直径盾构隧道。世界上第一个直径大于14m的超大直径盾构隧道工程是日本东京湾的海底道路隧道工程，长9.4km的隧道采用8台φ14.14m泥水盾构掘进施工，于1996年竣工。随之，德国、荷兰、西班牙、俄罗斯、意大利、中国、美国等多个大城市也开始发展超大直径盾构隧道。截止目前，世界上共有超大直径盾构隧道30余条，其中中国就占据17条。国内首次采用14m级盾构施工的隧道——上海上中路隧道，于2008年竣工，采用14.87m泥水盾构机掘进，由上海隧道公司施工。随后上海隧道公司先后施工了上海长江隧道、军工路隧道、外滩通道等多个超大直径隧道，共完成35.9km超大直径隧道的盾构掘进。加上目前在建的虹梅南路隧道、长江路隧道、武汉三阳路隧道等，总里程达62.8km。而全国的总里程达77.81km，上海隧道占全国市场的80%。
国内外超大直径隧道数量比较
中国超大直径隧道长度统计
超大直径盾构隧道一览
