矩形隧道掘進機專利技術綜述

曹瑩瑩

摘 要： 本文通過對矩形隧道掘進機相關專利文獻的收集、篩選、標引和梳理，從矩形隧道掘進機技術全球及中國專利申請趨勢、矩形隧道掘進機技術整體發(fā)展線的專利角度分析了矩形隧道掘進機的發(fā)展進程。

關鍵詞： 矩形隧道掘進機；專利分析

一、引言

矩形隧道掘進機是利用刀具開挖，同時破碎洞內(nèi)圍巖及掘進，以形成矩形或近似矩形隧道斷面的隧道施工機械。近年來，隨著城市化進程的加快，城市交通面臨著巨大的壓力，這使得各大城市對地下空間的開發(fā)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圓形截面設計具有斷面利用率低、隧道工程造價相對較高的缺點，是以，矩形斷面隧道結(jié)構(gòu)由于能充分利用結(jié)構(gòu)斷面、形狀分布合理、減少土地征用量和地下掘進面積、降低工程造價而越來越得到重視。同時，隨著隧道掘進技術的日益提高，形成了局部氣壓、泥水加壓（或附帶氣平衡）和土壓平衡式等新型掘進機技術，為矩形隧道施工技術提供了更進一步的技術支持和安全保障，以矩形隧道掘進機為代表的非開挖技術以其斷面利用率高和對周邊環(huán)境影響小的優(yōu)點，正成為城市地下通道工程的重要施工設備。

二、從專利申請量看矩形隧道掘進機發(fā)展進程

矩形隧道掘進機領域全球?qū)＠暾埩靠傮w呈增長趨勢，共經(jīng)歷了緩慢發(fā)展期、迅猛發(fā)展期、高潮期、平緩期、又一迅猛發(fā)展期等幾個階段：至1989年底，矩形隧道掘進機一直處于緩慢發(fā)展階段，后隨著城市建設的發(fā)展，對空間利用率的要求越來越高，為矩形斷面隧道重新崛起提供了契機，輔之隧道掘進技術的日益提高，矩形隧道掘進機技術申請量猛漲，技術迅猛發(fā)展，并在上個世紀九十年代迎來了高潮發(fā)展期；進入二十一世紀，全球?qū)＠暾埩口呌谄骄?，進入2005年初，由于我國申請量猛增，帶動矩形隧道掘進機全球?qū)＠暾埩縿?chuàng)新高，再次進入了迅猛發(fā)展階段。

我國矩形隧道掘進機領域?qū)＠暾埩吭谏蟼€世紀九十年代以前基本為零，后受國外矩形隧道發(fā)展的影響，漸漸有了技術引進和創(chuàng)新，于2009年底一直處于緩慢增長階段；近幾年來，隨著我國城市建設的發(fā)展，對能夠提升空間利用率、造價相對較低的矩形斷面隧道的需求日益提高，矩形隧道掘進機專利申請量進入迅猛發(fā)展階段。

總體看來，我國矩形隧道掘進機發(fā)展晚國外（主要是日本）15年左右，其與城市規(guī)劃和發(fā)展建設有關。日本和我國是矩形隧道掘進機領域?qū)＠暾埓髧浯雾n國、德國、美國、英國、法國等均有部分申請，與隧道掘進技術特別是盾構(gòu)技術日本一直處于領先地位相一致。上世紀九十年代，日本進入矩形隧道掘進機的發(fā)展高潮期，現(xiàn)如今，我國在不斷引進其技術，并結(jié)合自我創(chuàng)新，實現(xiàn)著國內(nèi)矩形隧道掘進機的高速發(fā)展。

三、矩形隧道掘進機專利技術發(fā)展路線

最早的矩形盾構(gòu)法施工的隧道是公元1825開始建造的英國倫敦穿越泰晤士河底的公路隧道，隧道斷面為11.6m×6.4m的矩形，由于采用人工挖掘方法和施工中出現(xiàn)涌水淹沒事故，使長458m的矩形隧道掘進了18年才完工。

后矩形隧道沉寂了近百年，近五十年來，隨著城市交通壓力日益增大，能充分利用空間結(jié)構(gòu)的矩形斷面隧道漸漸出現(xiàn)在人們的視線，而關于能掘進出矩形隧道的矩形隧道專屬掘進機的研制也提上日程，關于矩形隧道掘進機的專利申請漸漸出現(xiàn)并穩(wěn)步發(fā)展。

法國、日本、美國等在二十世紀六、七、八十年代都有代表性的矩形隧道掘進機專利申請。1975年底，為解決矩形隧道掘進過程中的掘進面易坍塌的問題，在法國一款有水平分區(qū)刀盤的矩形截面隧道掘進機（FR2337248）被提出，該款掘進機通過將矩形刀盤區(qū)域水平分成幾個區(qū)域，通過不同區(qū)域的不同步的掘進可實現(xiàn)矩形斷面隧道的分層挖掘，以此平衡掘進壓力，減少隧道斷面坍塌、滑移的可能性，該款掘進機的提出給予了矩形隧道分層、分步掘進的啟示，其精神也在后續(xù)矩形隧道掘進機的研制中有所重塑和體現(xiàn)。

從1965年到1968年，日本名古屋和東京都采用4.29m×3.09m手掘式矩形盾構(gòu)掘進2條長534m和298m的共同溝。1981年，日本名古屋中部電力公司采用寬5.23m，高4.38m的手掘矩形盾構(gòu)掘進1條374m電力隧道。此后，日本的各大建設公司和盾構(gòu)制造商進行各類機械式矩形盾構(gòu)的研制和試驗，其中較為著名的是石川島播磨重工（IHI）研制的偏心多軸刀盤切削的土壓平衡式矩形盾構(gòu)（JPH02190598）：該盾構(gòu)機通過多組電機經(jīng)過減速分別驅(qū)動各個獨立的偏心軸，帶動刀盤作平面仿形運動，刀盤前表面布置多把鑲有高強合金刀頭的刀具，對前方土體進行全斷面切削。在該盾構(gòu)機中體現(xiàn)的偏心多軸式刀盤設計以及刀盤仿形運動以切割矩形隧道斷面的技術內(nèi)涵在今后的實踐證明中有很強的優(yōu)異性，并成為了后續(xù)矩形隧道掘進機刀盤研究的重要藍本，在今天，偏心多軸式刀盤、仿形刀盤的設計仍是矩形隧道掘進機研制以及專利申請的重點。

二十世紀八十年代，美國西部哈里森公司進行了矩形隧道掘進機的研制，在1983年，其提出了一款矩形隧道掘進機（US4486050），該掘進機以一個整體的水平設置的具有傾斜的旋轉(zhuǎn)中心軸的大圓刀盤設計為特點，有助于在隧道頂板和底部掘進出較小的類橢圓形的形狀，以穩(wěn)定矩形隧道工作面。該掘進機的設置及大圓刀盤的設計從一定程度上體現(xiàn)了在當時為掘進出穩(wěn)定的矩形隧道斷面各個國家、企業(yè)、個人所做的各種不同的嘗試。

從上述分析可以看出，在二十世紀后半期各個國家都相繼有對矩形隧道掘進機的不同研制與嘗試，然而與隧道盾構(gòu)機整體發(fā)展趨勢同樣的，矩形隧道掘進機技術出現(xiàn)在歐美，其發(fā)展確是在亞洲，其中以日本最為活躍，并一直保持領先地位。

日本從上世紀八、九十年代開始對矩形隧道掘進的研究很活躍，而其他國家在該技術領域研究則日趨減少。其在刀盤設計（如JPH0821190）、掘進機整體、掘進機糾偏等各項技術與問題上都開展了研究，并取得了備受矚目的成果，且一直是我國矩形隧道掘進機引進和創(chuàng)新的重要參考，綜合來看，目前掌握該項施工裝備和技術的主要是日本。

進入上個世紀90年代后期，受國外（主要是日本）影響，我國開始矩形隧道盾構(gòu)機的引進與創(chuàng)新，其中，1995 年10月上海隧道施工技術研究所研制成功了斷面尺寸為2.5m×2.5m可變網(wǎng)格式矩形頂管機，并于1995年1月在南匯航頭試驗基地試推進60m 地下通道獲成功；1998年，上海隧道工程股份有限公司開發(fā)了一種矩形頂管機，其特點是具有組合刀盤，組合刀盤由大刀盤和仿形刀兩部分組成，以對矩形斷面進行全斷面切削（CN2561933Y）。

至21世紀初，我國矩形隧道掘進機研究一種保持穩(wěn)定的緩步增長，近幾年來，隨著我國城市建設的發(fā)展，能夠提升空間利用率、造價相對較低的矩形斷面隧道越來越受重視，大量機構(gòu)和個人投入到矩形隧道掘進機的研究中，使得我國矩形隧道掘進技術取得了迅猛發(fā)展。

四、結(jié)語

本文以專利視角對矩形隧道掘進機技術發(fā)展脈絡進行整理與分析，重點關注了矩形隧道掘進機技術的專利申請量、整體發(fā)展路線等信息，對于了解矩形隧道掘進機的發(fā)展具有很大幫助?！?/p>

參考文獻

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