论文部分内容阅读
摘 要： 本文通过对矩形隧道掘进机相关专利文献的收集、筛选、标引和梳理，从矩形隧道掘進机技术全球及中国专利申请趋势、矩形隧道掘进机技术整体发展线的专利角度分析了矩形隧道掘进机的发展进程。
关键词： 矩形隧道掘进机；专利分析
一、引言
矩形隧道掘进机是利用刀具开挖，同时破碎洞内围岩及掘进，以形成矩形或近似矩形隧道断面的隧道施工机械。近年来，随着城市化进程的加快，城市交通面临着巨大的压力，这使得各大城市对地下空间的开发和利用有了更高的要求，而目前的地下隧道和地下人行通道通常的圆形截面设计具有断面利用率低、隧道工程造价相对较高的缺点，是以，矩形断面隧道结构由于能充分利用结构断面、形状分布合理、减少土地征用量和地下掘进面积、降低工程造价而越来越得到重视。同时，随着隧道掘进技术的日益提高，形成了局部气压、泥水加压（或附带气平衡）和土压平衡式等新型掘进机技术，为矩形隧道施工技术提供了更进一步的技术支持和安全保障，以矩形隧道掘进机为代表的非开挖技术以其断面利用率高和对周边环境影响小的优点，正成为城市地下通道工程的重要施工设备。
二、从专利申请量看矩形隧道掘进机发展进程
矩形隧道掘进机领域全球专利申请量总体呈增长趋势，共经历了缓慢发展期、迅猛发展期、高潮期、平缓期、又一迅猛发展期等几个阶段：至1989年底，矩形隧道掘進机一直处于缓慢发展阶段，后随着城市建设的发展，对空间利用率的要求越来越高，为矩形断面隧道重新崛起提供了契机，辅之隧道掘进技术的日益提高，矩形隧道掘进机技术申请量猛涨，技术迅猛发展，并在上个世纪九十年代迎来了高潮发展期；进入二十一世纪，全球专利申请量趋于平缓，进入2005年初，由于我国申请量猛增，带动矩形隧道掘进机全球专利申请量创新高，再次进入了迅猛发展阶段。
我国矩形隧道掘进机领域专利申请量在上个世纪九十年代以前基本为零，后受国外矩形隧道发展的影响，渐渐有了技术引进和创新，于2009年底一直处于缓慢增长阶段；近几年来，随着我国城市建设的发展，对能够提升空间利用率、造价相对较低的矩形断面隧道的需求日益提高，矩形隧道掘进机专利申请量进入迅猛发展阶段。
总体看来，我国矩形隧道掘进机发展晚国外（主要是日本）15年左右，其与城市规划和发展建设有关。日本和我国是矩形隧道掘进机领域专利申请大国，其次韩国、德国、美国、英国、法国等均有部分申请，与隧道掘进技术特别是盾构技术日本一直处于领先地位相一致。上世纪九十年代，日本进入矩形隧道掘进机的发展高潮期，现如今，我国在不断引进其技术，并结合自我创新，实现着国内矩形隧道掘进机的高速发展。
三、矩形隧道掘进机专利技术发展路线
最早的矩形盾构法施工的隧道是公元1825开始建造的英国伦敦穿越泰晤士河底的公路隧道，隧道断面为11.6m×6.4m的矩形，由于采用人工挖掘方法和施工中出现涌水淹没事故，使长458m的矩形隧道掘进了18年才完工。
后矩形隧道沉寂了近百年，近五十年来，随着城市交通压力日益增大，能充分利用空间结构的矩形断面隧道渐渐出现在人们的视线，而关于能掘进出矩形隧道的矩形隧道专属掘进机的研制也提上日程，关于矩形隧道掘进机的专利申请渐渐出现并稳步发展。
法国、日本、美国等在二十世纪六、七、八十年代都有代表性的矩形隧道掘进机专利申请。1975年底，为解决矩形隧道掘进过程中的掘进面易坍塌的问题，在法国一款有水平分区刀盘的矩形截面隧道掘进机（FR2337248）被提出，该款掘进机通过将矩形刀盘区域水平分成几个区域，通过不同区域的不同步的掘进可实现矩形断面隧道的分层挖掘，以此平衡掘进压力，减少隧道断面坍塌、滑移的可能性，该款掘进机的提出给予了矩形隧道分层、分步掘进的启示，其精神也在后续矩形隧道掘进机的研制中有所重塑和体现。
从1965年到1968年，日本名古屋和东京都采用4.29m×3.09m手掘式矩形盾构掘进2条长534m和298m的共同沟。1981年，日本名古屋中部电力公司采用宽5.23m，高4.38m的手掘矩形盾构掘进1条374m电力隧道。此后，日本的各大建设公司和盾构制造商进行各类机械式矩形盾构的研制和试验，其中较为著名的是石川岛播磨重工（IHI）研制的偏心多轴刀盘切削的土压平衡式矩形盾构（JPH02190598）：该盾构机通过多组电机经过减速分别驱动各个独立的偏心轴，带动刀盘作平面仿形运动，刀盘前表面布置多把镶有高强合金刀头的刀具，对前方土体进行全断面切削。在该盾构机中体现的偏心多轴式刀盘设计以及刀盘仿形运动以切割矩形隧道断面的技术内涵在今后的实践证明中有很强的优异性，并成为了后续矩形隧道掘进机刀盘研究的重要蓝本，在今天，偏心多轴式刀盘、仿形刀盘的设计仍是矩形隧道掘进机研制以及专利申请的重点。
二十世纪八十年代，美国西部哈里森公司进行了矩形隧道掘进机的研制，在1983年，其提出了一款矩形隧道掘进机（US4486050），该掘进机以一个整体的水平设置的具有倾斜的旋转中心轴的大圆刀盘设计为特点，有助于在隧道顶板和底部掘进出较小的类椭圆形的形状，以稳定矩形隧道工作面。该掘进机的设置及大圆刀盘的设计从一定程度上体现了在当时为掘进出稳定的矩形隧道断面各个国家、企业、个人所做的各种不同的尝试。
从上述分析可以看出，在二十世纪后半期各个国家都相继有对矩形隧道掘进机的不同研制与尝试，然而与隧道盾构机整体发展趋势同样的，矩形隧道掘进机技术出现在欧美，其发展确是在亚洲，其中以日本最为活跃，并一直保持领先地位。
日本从上世纪八、九十年代开始对矩形隧道掘进的研究很活跃，而其他国家在该技术领域研究则日趋减少。其在刀盘设计（如JPH0821190）、掘进机整体、掘进机纠偏等各项技术与问题上都开展了研究，并取得了备受瞩目的成果，且一直是我国矩形隧道掘进机引进和创新的重要参考，综合来看，目前掌握该项施工装备和技术的主要是日本。
进入上个世纪90年代后期，受国外（主要是日本）影响，我国开始矩形隧道盾构机的引进与创新，其中，1995 年10月上海隧道施工技术研究所研制成功了断面尺寸为2.5m×2.5m可变网格式矩形顶管机，并于1995年1月在南汇航头试验基地试推进60m 地下通道获成功；1998年，上海隧道工程股份有限公司开发了一种矩形顶管机，其特点是具有组合刀盘，组合刀盘由大刀盘和仿形刀两部分组成，以对矩形断面进行全断面切削（CN2561933Y）。
至21世纪初，我国矩形隧道掘进机研究一种保持稳定的缓步增长，近几年来，随着我国城市建设的发展，能够提升空间利用率、造价相对较低的矩形断面隧道越来越受重视，大量机构和个人投入到矩形隧道掘进机的研究中，使得我国矩形隧道掘进技术取得了迅猛发展。
四、结语
本文以专利视角对矩形隧道掘进机技术发展脉络进行整理与分析，重点关注了矩形隧道掘进机技术的专利申请量、整体发展路线等信息，对于了解矩形隧道掘进机的发展具有很大帮助。■
参考文献
[1]张志勇，李淑海. 城市矩形隧道的应用与施工工艺的发展[J]. 施工技术，2009，38（增刊）：54-56.
[2]孙继辉. 大断面矩形地下通道掘进施工设备与技术的研究[J]. 建筑施工，2007（4）：225-229.
关键词： 矩形隧道掘进机；专利分析
一、引言
矩形隧道掘进机是利用刀具开挖，同时破碎洞内围岩及掘进，以形成矩形或近似矩形隧道断面的隧道施工机械。近年来，随着城市化进程的加快，城市交通面临着巨大的压力，这使得各大城市对地下空间的开发和利用有了更高的要求，而目前的地下隧道和地下人行通道通常的圆形截面设计具有断面利用率低、隧道工程造价相对较高的缺点，是以，矩形断面隧道结构由于能充分利用结构断面、形状分布合理、减少土地征用量和地下掘进面积、降低工程造价而越来越得到重视。同时，随着隧道掘进技术的日益提高，形成了局部气压、泥水加压（或附带气平衡）和土压平衡式等新型掘进机技术，为矩形隧道施工技术提供了更进一步的技术支持和安全保障，以矩形隧道掘进机为代表的非开挖技术以其断面利用率高和对周边环境影响小的优点，正成为城市地下通道工程的重要施工设备。
二、从专利申请量看矩形隧道掘进机发展进程
矩形隧道掘进机领域全球专利申请量总体呈增长趋势，共经历了缓慢发展期、迅猛发展期、高潮期、平缓期、又一迅猛发展期等几个阶段：至1989年底，矩形隧道掘進机一直处于缓慢发展阶段，后随着城市建设的发展，对空间利用率的要求越来越高，为矩形断面隧道重新崛起提供了契机，辅之隧道掘进技术的日益提高，矩形隧道掘进机技术申请量猛涨，技术迅猛发展，并在上个世纪九十年代迎来了高潮发展期；进入二十一世纪，全球专利申请量趋于平缓，进入2005年初，由于我国申请量猛增，带动矩形隧道掘进机全球专利申请量创新高，再次进入了迅猛发展阶段。
我国矩形隧道掘进机领域专利申请量在上个世纪九十年代以前基本为零，后受国外矩形隧道发展的影响，渐渐有了技术引进和创新，于2009年底一直处于缓慢增长阶段；近几年来，随着我国城市建设的发展，对能够提升空间利用率、造价相对较低的矩形断面隧道的需求日益提高，矩形隧道掘进机专利申请量进入迅猛发展阶段。
总体看来，我国矩形隧道掘进机发展晚国外（主要是日本）15年左右，其与城市规划和发展建设有关。日本和我国是矩形隧道掘进机领域专利申请大国，其次韩国、德国、美国、英国、法国等均有部分申请，与隧道掘进技术特别是盾构技术日本一直处于领先地位相一致。上世纪九十年代，日本进入矩形隧道掘进机的发展高潮期，现如今，我国在不断引进其技术，并结合自我创新，实现着国内矩形隧道掘进机的高速发展。
三、矩形隧道掘进机专利技术发展路线
最早的矩形盾构法施工的隧道是公元1825开始建造的英国伦敦穿越泰晤士河底的公路隧道，隧道断面为11.6m×6.4m的矩形，由于采用人工挖掘方法和施工中出现涌水淹没事故，使长458m的矩形隧道掘进了18年才完工。
后矩形隧道沉寂了近百年，近五十年来，随着城市交通压力日益增大，能充分利用空间结构的矩形断面隧道渐渐出现在人们的视线，而关于能掘进出矩形隧道的矩形隧道专属掘进机的研制也提上日程，关于矩形隧道掘进机的专利申请渐渐出现并稳步发展。
法国、日本、美国等在二十世纪六、七、八十年代都有代表性的矩形隧道掘进机专利申请。1975年底，为解决矩形隧道掘进过程中的掘进面易坍塌的问题，在法国一款有水平分区刀盘的矩形截面隧道掘进机（FR2337248）被提出，该款掘进机通过将矩形刀盘区域水平分成几个区域，通过不同区域的不同步的掘进可实现矩形断面隧道的分层挖掘，以此平衡掘进压力，减少隧道断面坍塌、滑移的可能性，该款掘进机的提出给予了矩形隧道分层、分步掘进的启示，其精神也在后续矩形隧道掘进机的研制中有所重塑和体现。
从1965年到1968年，日本名古屋和东京都采用4.29m×3.09m手掘式矩形盾构掘进2条长534m和298m的共同沟。1981年，日本名古屋中部电力公司采用宽5.23m，高4.38m的手掘矩形盾构掘进1条374m电力隧道。此后，日本的各大建设公司和盾构制造商进行各类机械式矩形盾构的研制和试验，其中较为著名的是石川岛播磨重工（IHI）研制的偏心多轴刀盘切削的土压平衡式矩形盾构（JPH02190598）：该盾构机通过多组电机经过减速分别驱动各个独立的偏心轴，带动刀盘作平面仿形运动，刀盘前表面布置多把镶有高强合金刀头的刀具，对前方土体进行全断面切削。在该盾构机中体现的偏心多轴式刀盘设计以及刀盘仿形运动以切割矩形隧道断面的技术内涵在今后的实践证明中有很强的优异性，并成为了后续矩形隧道掘进机刀盘研究的重要蓝本，在今天，偏心多轴式刀盘、仿形刀盘的设计仍是矩形隧道掘进机研制以及专利申请的重点。
二十世纪八十年代，美国西部哈里森公司进行了矩形隧道掘进机的研制，在1983年，其提出了一款矩形隧道掘进机（US4486050），该掘进机以一个整体的水平设置的具有倾斜的旋转中心轴的大圆刀盘设计为特点，有助于在隧道顶板和底部掘进出较小的类椭圆形的形状，以稳定矩形隧道工作面。该掘进机的设置及大圆刀盘的设计从一定程度上体现了在当时为掘进出稳定的矩形隧道断面各个国家、企业、个人所做的各种不同的尝试。
从上述分析可以看出，在二十世纪后半期各个国家都相继有对矩形隧道掘进机的不同研制与尝试，然而与隧道盾构机整体发展趋势同样的，矩形隧道掘进机技术出现在欧美，其发展确是在亚洲，其中以日本最为活跃，并一直保持领先地位。
日本从上世纪八、九十年代开始对矩形隧道掘进的研究很活跃，而其他国家在该技术领域研究则日趋减少。其在刀盘设计（如JPH0821190）、掘进机整体、掘进机纠偏等各项技术与问题上都开展了研究，并取得了备受瞩目的成果，且一直是我国矩形隧道掘进机引进和创新的重要参考，综合来看，目前掌握该项施工装备和技术的主要是日本。
进入上个世纪90年代后期，受国外（主要是日本）影响，我国开始矩形隧道盾构机的引进与创新，其中，1995 年10月上海隧道施工技术研究所研制成功了断面尺寸为2.5m×2.5m可变网格式矩形顶管机，并于1995年1月在南汇航头试验基地试推进60m 地下通道获成功；1998年，上海隧道工程股份有限公司开发了一种矩形顶管机，其特点是具有组合刀盘，组合刀盘由大刀盘和仿形刀两部分组成，以对矩形断面进行全断面切削（CN2561933Y）。
至21世纪初，我国矩形隧道掘进机研究一种保持稳定的缓步增长，近几年来，随着我国城市建设的发展，能够提升空间利用率、造价相对较低的矩形断面隧道越来越受重视，大量机构和个人投入到矩形隧道掘进机的研究中，使得我国矩形隧道掘进技术取得了迅猛发展。
四、结语
本文以专利视角对矩形隧道掘进机技术发展脉络进行整理与分析，重点关注了矩形隧道掘进机技术的专利申请量、整体发展路线等信息，对于了解矩形隧道掘进机的发展具有很大帮助。■
参考文献
[1]张志勇，李淑海. 城市矩形隧道的应用与施工工艺的发展[J]. 施工技术，2009，38（增刊）：54-56.
[2]孙继辉. 大断面矩形地下通道掘进施工设备与技术的研究[J]. 建筑施工，2007（4）：225-229.