矩形隧道掘進(jìn)機(jī)專利技術(shù)綜述

曹瑩瑩

摘 要： 本文通過(guò)對(duì)矩形隧道掘進(jìn)機(jī)相關(guān)專利文獻(xiàn)的收集、篩選、標(biāo)引和梳理，從矩形隧道掘進(jìn)機(jī)技術(shù)全球及中國(guó)專利申請(qǐng)趨勢(shì)、矩形隧道掘進(jìn)機(jī)技術(shù)整體發(fā)展線的專利角度分析了矩形隧道掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展進(jìn)程。

關(guān)鍵詞： 矩形隧道掘進(jìn)機(jī)；專利分析

一、引言

矩形隧道掘進(jìn)機(jī)是利用刀具開(kāi)挖，同時(shí)破碎洞內(nèi)圍巖及掘進(jìn)，以形成矩形或近似矩形隧道斷面的隧道施工機(jī)械。近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程的加快，城市交通面臨著巨大的壓力，這使得各大城市對(duì)地下空間的開(kāi)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(shè)計(jì)具有斷面利用率低、隧道工程造價(jià)相對(duì)較高的缺點(diǎn)，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(jìn)面積、降低工程造價(jià)而越來(lái)越得到重視。同時(shí)，隨著隧道掘進(jìn)技術(shù)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(jìn)機(jī)技術(shù)，為矩形隧道施工技術(shù)提供了更進(jìn)一步的技術(shù)支持和安全保障，以矩形隧道掘進(jìn)機(jī)為代表的非開(kāi)挖技術(shù)以其斷面利用率高和對(duì)周邊環(huán)境影響小的優(yōu)點(diǎn)，正成為城市地下通道工程的重要施工設(shè)備。

二、從專利申請(qǐng)量看矩形隧道掘進(jìn)機(jī)發(fā)展進(jìn)程

矩形隧道掘進(jìn)機(jī)領(lǐng)域全球?qū)＠暾?qǐng)量總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，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(gè)階段：至1989年底，矩形隧道掘進(jìn)機(jī)一直處于緩慢發(fā)展階段，后隨著城市建設(shè)的發(fā)展，對(duì)空間利用率的要求越來(lái)越高，為矩形斷面隧道重新崛起提供了契機(jī)，輔之隧道掘進(jìn)技術(shù)的日益提高，矩形隧道掘進(jìn)機(jī)技術(shù)申請(qǐng)量猛漲，技術(shù)迅猛發(fā)展，并在上個(gè)世紀(jì)九十年代迎來(lái)了高潮發(fā)展期；進(jìn)入二十一世紀(jì)，全球?qū)＠暾?qǐng)量趨于平緩，進(jìn)入2005年初，由于我國(guó)申請(qǐng)量猛增，帶動(dòng)矩形隧道掘進(jìn)機(jī)全球?qū)＠暾?qǐng)量創(chuàng)新高，再次進(jìn)入了迅猛發(fā)展階段。

我國(guó)矩形隧道掘進(jìn)機(jī)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量在上個(gè)世紀(jì)九十年代以前基本為零，后受國(guó)外矩形隧道發(fā)展的影響，漸漸有了技術(shù)引進(jìn)和創(chuàng)新，于2009年底一直處于緩慢增長(zhǎng)階段；近幾年來(lái)，隨著我國(guó)城市建設(shè)的發(fā)展，對(duì)能夠提升空間利用率、造價(jià)相對(duì)較低的矩形斷面隧道的需求日益提高，矩形隧道掘進(jìn)機(jī)專利申請(qǐng)量進(jìn)入迅猛發(fā)展階段。

總體看來(lái)，我國(guó)矩形隧道掘進(jìn)機(jī)發(fā)展晚國(guó)外（主要是日本）15年左右，其與城市規(guī)劃和發(fā)展建設(shè)有關(guān)。日本和我國(guó)是矩形隧道掘進(jìn)機(jī)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)大國(guó)，其次韓國(guó)、德國(guó)、美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)等均有部分申請(qǐng)，與隧道掘進(jìn)技術(shù)特別是盾構(gòu)技術(shù)日本一直處于領(lǐng)先地位相一致。上世紀(jì)九十年代，日本進(jìn)入矩形隧道掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展高潮期，現(xiàn)如今，我國(guó)在不斷引進(jìn)其技術(shù)，并結(jié)合自我創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)著國(guó)內(nèi)矩形隧道掘進(jìn)機(jī)的高速發(fā)展。

三、矩形隧道掘進(jìn)機(jī)專利技術(shù)發(fā)展路線

最早的矩形盾構(gòu)法施工的隧道是公元1825開(kāi)始建造的英國(guó)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(méi)事故，使長(zhǎng)458m的矩形隧道掘進(jìn)了18年才完工。

后矩形隧道沉寂了近百年，近五十年來(lái)，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(guān)于能掘進(jìn)出矩形隧道的矩形隧道專屬掘進(jìn)機(jī)的研制也提上日程，關(guān)于矩形隧道掘進(jìn)機(jī)的專利申請(qǐng)漸漸出現(xiàn)并穩(wěn)步發(fā)展。

法國(guó)、日本、美國(guó)等在二十世紀(jì)六、七、八十年代都有代表性的矩形隧道掘進(jìn)機(jī)專利申請(qǐng)。1975年底，為解決矩形隧道掘進(jìn)過(guò)程中的掘進(jìn)面易坍塌的問(wèn)題，在法國(guó)一款有水平分區(qū)刀盤(pán)的矩形截面隧道掘進(jìn)機(jī)（FR2337248）被提出，該款掘進(jìn)機(jī)通過(guò)將矩形刀盤(pán)區(qū)域水平分成幾個(gè)區(qū)域，通過(guò)不同區(qū)域的不同步的掘進(jìn)可實(shí)現(xiàn)矩形斷面隧道的分層挖掘，以此平衡掘進(jìn)壓力，減少隧道斷面坍塌、滑移的可能性，該款掘進(jìn)機(jī)的提出給予了矩形隧道分層、分步掘進(jìn)的啟示，其精神也在后續(xù)矩形隧道掘進(jìn)機(jī)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(jìn)2條長(zhǎng)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(jìn)1條374m電力隧道。此后，日本的各大建設(shè)公司和盾構(gòu)制造商進(jìn)行各類機(jī)械式矩形盾構(gòu)的研制和試驗(yàn)，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(pán)切削的土壓平衡式矩形盾構(gòu)（JPH02190598）：該盾構(gòu)機(jī)通過(guò)多組電機(jī)經(jīng)過(guò)減速分別驅(qū)動(dòng)各個(gè)獨(dú)立的偏心軸，帶動(dòng)刀盤(pán)作平面仿形運(yùn)動(dòng)，刀盤(pán)前表面布置多把鑲有高強(qiáng)合金刀頭的刀具，對(duì)前方土體進(jìn)行全斷面切削。在該盾構(gòu)機(jī)中體現(xiàn)的偏心多軸式刀盤(pán)設(shè)計(jì)以及刀盤(pán)仿形運(yùn)動(dòng)以切割矩形隧道斷面的技術(shù)內(nèi)涵在今后的實(shí)踐證明中有很強(qiáng)的優(yōu)異性，并成為了后續(xù)矩形隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)研究的重要藍(lán)本，在今天，偏心多軸式刀盤(pán)、仿形刀盤(pán)的設(shè)計(jì)仍是矩形隧道掘進(jìn)機(jī)研制以及專利申請(qǐng)的重點(diǎn)。

二十世紀(jì)八十年代，美國(guó)西部哈里森公司進(jìn)行了矩形隧道掘進(jìn)機(jī)的研制，在1983年，其提出了一款矩形隧道掘進(jìn)機(jī)（US4486050），該掘進(jìn)機(jī)以一個(gè)整體的水平設(shè)置的具有傾斜的旋轉(zhuǎn)中心軸的大圓刀盤(pán)設(shè)計(jì)為特點(diǎn)，有助于在隧道頂板和底部掘進(jìn)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(jìn)機(jī)的設(shè)置及大圓刀盤(pán)的設(shè)計(jì)從一定程度上體現(xiàn)了在當(dāng)時(shí)為掘進(jìn)出穩(wěn)定的矩形隧道斷面各個(gè)國(guó)家、企業(yè)、個(gè)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(jì)后半期各個(gè)國(guó)家都相繼有對(duì)矩形隧道掘進(jìn)機(jī)的不同研制與嘗試，然而與隧道盾構(gòu)機(jī)整體發(fā)展趨勢(shì)同樣的，矩形隧道掘進(jìn)機(jī)技術(shù)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(lǐng)先地位。

日本從上世紀(jì)八、九十年代開(kāi)始對(duì)矩形隧道掘進(jìn)的研究很活躍，而其他國(guó)家在該技術(shù)領(lǐng)域研究則日趨減少。其在刀盤(pán)設(shè)計(jì)（如JPH0821190）、掘進(jìn)機(jī)整體、掘進(jìn)機(jī)糾偏等各項(xiàng)技術(shù)與問(wèn)題上都開(kāi)展了研究，并取得了備受矚目的成果，且一直是我國(guó)矩形隧道掘進(jìn)機(jī)引進(jìn)和創(chuàng)新的重要參考，綜合來(lái)看，目前掌握該項(xiàng)施工裝備和技術(shù)的主要是日本。

進(jìn)入上個(gè)世紀(jì)90年代后期，受國(guó)外（主要是日本）影響，我國(guó)開(kāi)始矩形隧道盾構(gòu)機(jī)的引進(jìn)與創(chuàng)新，其中，1995 年10月上海隧道施工技術(shù)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(jī)，并于1995年1月在南匯航頭試驗(yàn)基地試推進(jìn)60m 地下通道獲成功；1998年，上海隧道工程股份有限公司開(kāi)發(fā)了一種矩形頂管機(jī)，其特點(diǎn)是具有組合刀盤(pán)，組合刀盤(pán)由大刀盤(pán)和仿形刀兩部分組成，以對(duì)矩形斷面進(jìn)行全斷面切削（CN2561933Y）。

至21世紀(jì)初，我國(guó)矩形隧道掘進(jìn)機(jī)研究一種保持穩(wěn)定的緩步增長(zhǎng)，近幾年來(lái)，隨著我國(guó)城市建設(shè)的發(fā)展，能夠提升空間利用率、造價(jià)相對(duì)較低的矩形斷面隧道越來(lái)越受重視，大量機(jī)構(gòu)和個(gè)人投入到矩形隧道掘進(jìn)機(jī)的研究中，使得我國(guó)矩形隧道掘進(jìn)技術(shù)取得了迅猛發(fā)展。

四、結(jié)語(yǔ)

本文以專利視角對(duì)矩形隧道掘進(jìn)機(jī)技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行整理與分析，重點(diǎn)關(guān)注了矩形隧道掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的專利申請(qǐng)量、整體發(fā)展路線等信息，對(duì)于了解矩形隧道掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展具有很大幫助。■

參考文獻(xiàn)

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