TBM，其英文全称为Tunnel BoringMachine, 中文为隧道全断面掘进机。TBM利用刀盘刀具破碎岩石和在软土中开挖，边开挖边出石渣或土并进行锚喷支护衬砌或管片支护等连续作业，其中软土中的TBM法称为盾构法。是现代城市轨道交通发展的重要设备，正是由于TBM的发明和应用，使得城市地下隧道的修建能够大规模的进行。那么TBM究竟是一种什么样的设备呢TBM又是如何工作的呢

下面，本文将通过TBM的起源及发展史、TBM在中国的发展历程、TBM概述、TBM的构造及工作原理、TBM上的电力系统，中国TBM的现状及发展前景六个方面来介绍TBM的产生与发展，并逐渐解答上述问题。

一、TBM的起源和发展史

TBM发明于19世纪初期，首先应用于开挖英国伦敦泰晤士河水底隧道。1818年，法国的布鲁诺尔从蛀虫钻孔得到启示，最早提出了用盾构法建设隧道的设想，并在英国取得专利。下图为布鲁诺尔注册专利的盾构。

布鲁诺尔构想的TBM机械内部结构由不同的单元格组成，每一个单元格可容纳一个工人独立工作并对工人起到保护作用。采用的方法是将所有的单元格牢靠地装在盾壳上。当时布鲁诺尔设计了两种方法，一种是当一段隧道挖完后，整个盾壳由液压千斤顶借助后部结构前推进；另一种方法是每一个单元格能单独地向前推进。（第一种方法后来被采用，并得到了推广应用，演变为成熟的盾构法）。此后，布鲁诺尔逐步完善了盾构结构的机械系统，设计成用全断面螺旋式开挖的封闭式盾壳，衬彻紧随其后的方式。1825年，他第一次在伦敦泰晤土河下开始用一个断面高6.8m、宽11.4m，并由12个邻接的框架组成的矩形盾构修建隧道。如下图，第一台用于隧道施工的TBM，其每一个框架分成3个舱，每一个舱里有一个工人，共有36个工人。

19世纪上半叶，泰晤士河下的隧道工程在施工期间遇到了许多困难，在经历了五次以上的特大隧道洪水后，直到1843年，经过18年施工，才完成了全长458m的第一条盾构法隧道。

在这一过程中英国人逐渐完善盾构技术，各种发明不断出现：

1830年，英国的罗德发明“气压法”辅助解决隧道涌水。

1865年，英国的布朗首次采用圆形盾构和铸铁管片，1869年用圆形盾构在泰吾士河下修建外径2.2m的隧道。

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” ( shield )这一术语。

1874年，工程师格瑞海德发现在强渗水性的地层中很难用压缩空气支撑隧道工作面，因此开发了用液体支撑隧道工作面的盾构，通过液体流，以泥浆的形式出土。

1876年英国人约翰·荻克英森·布伦敦和姬奥基·布伦敦申请第一个机械化盾构专利。这台盾构有一个由几块板构成的半球形的旋转刀盘，开挖的土料落入径向装在刀盘上的料斗中，料斗将渣料转运至胶带输送机上，再将它转运到后面从盾构中运出，这一构想后来被用于修建地铁隧道工程。

1886年，格瑞海德在伦敦地下施工中将压缩空气方法与盾构掘进相组合使用，在压缩空气条件下施工，标志着在承压水地层中掘进隧道的一个重大进步，20世纪初，大多数隧道都是采用格瑞海德盾构法修建的。

1917年，日本引进盾构施工技术，是欧美国家以外第一个引进盾构的国家。

1963年，土压平衡盾构首先由日本SatoKogyo公司(佐藤工业)开发出来。下图为当时设计的土压平衡盾构示意图。

1974年第一台土压平衡盾构在东京被采用。该盾构由日本制造商IHI（石川岛播磨）设计，其外径3.72m，掘进了1900m的主管线。

在以后的年代里，很多厂商以土压盾构、压力保持盾构、软泥盾构、土壤压力盾构、泥压盾构等名称生产了“土压平衡盾构”。所有这些名称的盾构都应有了同一种工法国际上称为“土压平衡系统”（EPBS）。

1989年，日本最引人注目的泥水盾构隧道工程开工。东京湾海底隧道长10km，是世界最长公路专用海底隧道，用八台直径14.14m泥水加压式盾构施工。

1992年，日本研制成世界上第一台三圆泥水加压式盾构(由3个直径7.8m的刀头构成，总长17.3m)，并成功地用于大阪市地铁7号线“商务公园站”车站工程施工。

二、我国TBM的发展历程

纵观我国盾构法隧道的发展历程，大体上可以分为以下三个阶段：

  (1) 起步阶段(20世纪60年代-80年代初)：

  1962年2月，我国上海市城建局隧道处开始塘桥试验隧道工程。采用直径4.16m的一台普通敞胸盾构在两种有代表性的地层下进行掘进试验，用降水或气压来稳定粉砂层及软粘土地层。选用由螺栓连接的单层钢筋混疑土管片作为隧道衬砌，环氧煤焦油作为接缝防水材料。试验获得成功，采集了大量盾构法隧道数据资料。

  (2) 平稳发展阶段(20世纪80年代中-2000年)：

  1962年2月，我国上海市城建局隧道处开始塘桥试验隧道工程。采用直径4.16m的一台普通敞胸盾构在两种有代表性的地层下进行掘进试验，用降水或气压来稳定粉砂层及软粘土地层。选用由螺栓连接的单层钢筋混疑土管片作为隧道衬砌，环氧煤焦油作为接缝防水材料。试验获得成功，采集了大量盾构法隧道数据资料。

  (3) 快速发展阶段

  进入21世纪，随着国家经济、技术的迅猛发展为地铁建设带来了重大机遇，同时也为盾构技术应用和发展提供了广阔的平台和空间。国家有关部门已经规定人口在300万以上、GDP值在1000亿以上、年财政收入在100亿以上的城市均可以建地铁。目前我国正处于轨道交通建设的繁荣时期，中国已经成为世界上最大的城市轨道交通市场。同时，盾构机在越江道路、输气和市政排水隧洞等工程中也得到了广泛应用。

土压平衡式TBM

泥水平衡式TBM

各类异形断面盾构