基于專利角度的盾構機換刀技術發展研究

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　　摘 要 刀盤作為盾構機的關鍵部件之一，當盾構機掘進距離過長達到刀具磨損量或遇到特殊地質情況如孤石等造成刀具不適應掘進地層時，需對刀具進行更換。刀具更換、修復是盾構施工不可缺少的工序，本文基于專利角度，從多個層面對刀具更換、修復技術現狀及發展方向進行研究。
　　關鍵詞 盾構機;刀具;換刀;修復;專利分析
　　自盾構法入式以來，換刀技術就一直伴隨著盾構技術的發展而發展，且發展趨勢與盾構機行業發展趨勢大致吻合。隨著二十世紀八十年代城市地下軌道交通的發展，盾構機換刀技術專利申請量得到了明顯的提升，且在一定時間內保持穩定發展。進入二十一世紀，特別是2010年開始，隨著國內城市化建設的快速發展，項目建設所需要的盾構機數量及種類均產生了新的要求，國內市場成為盾構機行業的主要市場，國內外盾構機生產廠家迅速圍繞中國市場展開激烈爭奪，盾構機技術及盾構機換刀技術得到快速發展。
　　1978年以前，盾構機換刀領域專利國外申請量始終在一個較低的位置徘徊，每年專利申請量僅為個位數，且持續較長時間。1978-1981年間得到了突破性進展，每年專利申請量突破10件，然而在接下來的十年間，專利申請量又一次下降到個位數。1989年后，專利申請量開始呈現明顯的上升趨勢且在2001年左右達到頂峰，這段時間內每年專利申請量均為20件左右且在峰值處達到37件，可見這個時期是換刀技術專利申請的高峰期。2002年以后，該領域專利申請量逐漸降低，經過一段時間的沉淀后，到2009年開始平穩上升。上述申請量的趨勢可以看出盾構機換刀領域技術經過高速發展后逐步走向一個成熟、平穩的階段。由此，可以將國外換刀技術專利申請量歸納為三個發展階段：1978～1988年的起步階段，1989～2001年的高峰發展階段，2009年至今的平穩發展階段。
　　國內盾構機換刀技術的專利申請起步于1985年，晚于國內第一臺隧道掘進機的試制時間1966年，且在較長一段時間內專利申請量并未有較大提升，可見國內在應用盾構初期并未關注換刀領域相關技術的研發。分析其原因主要為早期國內盾構機開挖隧道主要為北京、天津、上海等平原、沿海地區城市，其地質結構較簡單，土層均為沖擊土或第四紀沉積物，對刀具磨損較弱，換刀及維修頻率較低，故對相關技術缺乏深入研究?！笆濉逼陂g即2010年后，由于國家對城市地下軌道交通產業的投入，各大城市紛紛建立起軌道交通體系，相關企業及科研院校紛紛對相應的技術開展研究工作，其中于2010年1月6日依托中鐵隧道集團有限公司建立的“盾構及掘進技術國家重點實驗室”更是從國家層面將盾構機相關技術列為重點研究方向。盾構機的廣泛應用也使得盾構機開始面對各種各樣的復雜地質環境，在面臨不同地質環境時的換刀技術得到了迅猛發展，專利申請量較以前也得到了“井噴”式發展[1]。
　　通過對國外主要申請人進行分析，申請量排在前10位的申請人大部分為日本公司。其中，大成建設株式會社、川崎重工株式會社、三菱重工株式會社、石川島播磨重工業株式會社4家公司的申請量均在50件以上，這充分說明了日本企業對換刀技術和知識產權的重視，也展現了國外盾構機換刀領域的關鍵技術及專利均掌握在日本企業中，其在換刀領域的領先和壟斷地位不容忽視。從國內專利申請量中可以看出，中鐵工程裝備集團有限公司、中國鐵建重工集團有限公司、中鐵隧道集團有限公司，其申請量較高;其次是中鐵隧道裝備制造有限公司、盾構重工制造有限公司等，其中德陽宏源機電工程有限責任公司作為唯一的非中鐵系公司在2012年與中鐵集團實現對接后，開始負責承擔中鐵隧道裝備中盾構機盾體、刀盤、管片機等主要零部件的制造與服務，在該領域專利申請中獲得一席之地。在科研院所領域，由于盾構機屬重型設備且研發經費較高，國內各大高校對盾構機設備的研究涉獵較少，主要由浙江大學、天津大學、中南大學等老牌巖土工程院校組成。
　　通過對主要申請人的專利分析，目前盾構機換刀技術主要集中在刀具磨損檢測技術、常壓換刀技術、帶壓換刀技術及換刀工具以下四個方面：
　　（1）在特殊的地層（如江河湖底、高危建筑物下等）施工過程中，如果能及時掌握刀具的磨損量，可以預先判斷刀具的更換時間，實現有計劃預換刀，相比于臨時倉促換刀，可為施工單位節約大量的資金和時間，將產生巨大的經濟價值。另外，根據不同地層盾構刀具的磨損程度，可以優化掘進參數，為以后同類地層的掘進建立豐富的掘進參考數據庫。國內外盾構行業者在刀具磨損檢測方面的研究從來沒有間斷，盾構刀具磨損檢測按照檢測方式分為電氣檢測、液壓檢測、氣體檢測3種。
　?。?）由于盾構隧道采用常壓換刀時，需對地層進行預加固，用以改善地層的各種性能使盾構隧道掌子面滿足常壓換刀的要求。目前采用地層加固改良方法主要有：地層固合物改良地層換刀法，地層凍結換刀法，地層土體置換換刀法等。
　?。?）帶壓換刀是指利用盾構機自帶的空壓機和輔助壓力設備，對土體進行加氣壓，并將土倉內的水、土用空氣進行置換，用氣壓代替原來的水土壓力，建立土倉內氣壓與倉外水土壓力的平衡，然后人員進入土倉內進行作業。帶壓換刀技術的關鍵技術在于如何建立土倉的壓力平衡及連接密封性，主要通過泥漿內注入添加物或氣囊等形式保證壓力平衡。
　?。?）由于盾構機刀盤在長距離掘進過程中磨損嚴重，因此需經常對刀盤的刀具進行檢修及更換，關鍵技術在于如何實現簡單快速的拆卸及安裝，如中鐵十局集團濟南鐵路工程有限公司的滾刀卸取設備、德陽宏源機電工程有限責任公司的盾構機刀具更換裝置、中鐵隧道集團有限公司的滾刀常壓換刀裝置等。
　　本文從專利角度，針對盾構掘進過程中換刀這一技術問題進行了分析，為國內盾構產業的技術研發提供借鑒。從盾構機換刀技術發展趨勢看，換刀技術在國外經歷了漫長的發展階段后，很多技術已趨于成熟，而我國在換刀技術方面的技術則剛剛起步。同時，在盾構機使用的巨大潛在市場下，掌握盾構機的相關技術，進而實現國產化對國內相關企業顯得尤為重要。
　　參考文獻
　　[1] 張鳳祥.盾構隧道[M].北京：人民交通出版社，2004：20.
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