基于专利角度的盾构机换刀技术发展研究

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　　摘 要 刀盘作为盾构机的关键部件之一，当盾构机掘进距离过长达到刀具磨损量或遇到特殊地质情况如孤石等造成刀具不适应掘进地层时，需对刀具进行更换。刀具更换、修复是盾构施工不可缺少的工序，本文基于专利角度，从多个层面对刀具更换、修复技术现状及发展方向进行研究。
　　關键词 盾构机;刀具;换刀;修复;专利分析
　　自盾构法入式以来，换刀技术就一直伴随着盾构技术的发展而发展，且发展趋势与盾构机行业发展趋势大致吻合。随着二十世纪八十年代城市地下轨道交通的发展，盾构机换刀技术专利申请量得到了明显的提升，且在一定时间内保持稳定发展。进入二十一世纪，特别是2010年开始，随着国内城市化建设的快速发展，项目建设所需要的盾构机数量及种类均产生了新的要求，国内市场成为盾构机行业的主要市场，国内外盾构机生产厂家迅速围绕中国市场展开激烈争夺，盾构机技术及盾构机换刀技术得到快速发展。
　　1978年以前，盾构机换刀领域专利国外申请量始终在一个较低的位置徘徊，每年专利申请量仅为个位数，且持续较长时间。1978-1981年间得到了突破性进展，每年专利申请量突破10件，然而在接下来的十年间，专利申请量又一次下降到个位数。1989年后，专利申请量开始呈现明显的上升趋势且在2001年左右达到顶峰，这段时间内每年专利申请量均为20件左右且在峰值处达到37件，可见这个时期是换刀技术专利申请的高峰期。2002年以后，该领域专利申请量逐渐降低，经过一段时间的沉淀后，到2009年开始平稳上升。上述申请量的趋势可以看出盾构机换刀领域技术经过高速发展后逐步走向一个成熟、平稳的阶段。由此，可以将国外换刀技术专利申请量归纳为三个发展阶段：1978～1988年的起步阶段，1989～2001年的高峰发展阶段，2009年至今的平稳发展阶段。
　　国内盾构机换刀技术的专利申请起步于1985年，晚于国内第一台隧道掘进机的试制时间1966年，且在较长一段时间内专利申请量并未有较大提升，可见国内在应用盾构初期并未关注换刀领域相关技术的研发。分析其原因主要为早期国内盾构机开挖隧道主要为北京、天津、上海等平原、沿海地区城市，其地质结构较简单，土层均为冲击土或第四纪沉积物，对刀具磨损较弱，换刀及维修频率较低，故对相关技术缺乏深入研究。“十二五”期间即2010年后，由于国家对城市地下轨道交通产业的投入，各大城市纷纷建立起轨道交通体系，相关企业及科研院校纷纷对相应的技术开展研究工作，其中于2010年1月6日依托中铁隧道集团有限公司建立的“盾构及掘进技术国家重点实验室”更是从国家层面将盾构机相关技术列为重点研究方向。盾构机的广泛应用也使得盾构机开始面对各种各样的复杂地质环境，在面临不同地质环境时的换刀技术得到了迅猛发展，专利申请量较以前也得到了“井喷”式发展[1]。
　　通过对国外主要申请人进行分析，申请量排在前10位的申请人大部分为日本公司。其中，大成建设株式会社、川崎重工株式会社、三菱重工株式会社、石川岛播磨重工业株式会社4家公司的申请量均在50件以上，这充分说明了日本企业对换刀技术和知识产权的重视，也展现了国外盾构机换刀领域的关键技术及专利均掌握在日本企业中，其在换刀领域的领先和垄断地位不容忽视。从国内专利申请量中可以看出，中铁工程装备集团有限公司、中国铁建重工集团有限公司、中铁隧道集团有限公司，其申请量较高;其次是中铁隧道装备制造有限公司、盾构重工制造有限公司等，其中德阳宏源机电工程有限责任公司作为唯一的非中铁系公司在2012年与中铁集团实现对接后，开始负责承担中铁隧道装备中盾构机盾体、刀盘、管片机等主要零部件的制造与服务，在该领域专利申请中获得一席之地。在科研院所领域，由于盾构机属重型设备且研发经费较高，国内各大高校对盾构机设备的研究涉猎较少，主要由浙江大学、天津大学、中南大学等老牌岩土工程院校组成。
　　通过对主要申请人的专利分析，目前盾构机换刀技术主要集中在刀具磨损检测技术、常压换刀技术、带压换刀技术及换刀工具以下四个方面：
　　（1）在特殊的地层（如江河湖底、高危建筑物下等）施工过程中，如果能及时掌握刀具的磨损量，可以预先判断刀具的更换时间，实现有计划预换刀，相比于临时仓促换刀，可为施工单位节约大量的资金和时间，将产生巨大的经济价值。另外，根据不同地层盾构刀具的磨损程度，可以优化掘进参数，为以后同类地层的掘进建立丰富的掘进参考数据库。国内外盾构行业者在刀具磨损检测方面的研究从来没有间断，盾构刀具磨损检测按照检测方式分为电气检测、液压检测、气体检测3种。
　　（2）由于盾构隧道采用常压换刀时，需对地层进行预加固，用以改善地层的各种性能使盾构隧道掌子面满足常压换刀的要求。目前采用地层加固改良方法主要有：地层固合物改良地层换刀法，地层冻结换刀法，地层土体置换换刀法等。
　　（3）带压换刀是指利用盾构机自带的空压机和辅助压力设备，对土体进行加气压，并将土仓内的水、土用空气进行置换，用气压代替原来的水土压力，建立土仓内气压与仓外水土压力的平衡，然后人员进入土仓内进行作业。带压换刀技术的关键技术在于如何建立土仓的压力平衡及连接密封性，主要通过泥浆内注入添加物或气囊等形式保证压力平衡。
　　（4）由于盾构机刀盘在长距离掘进过程中磨损严重，因此需经常对刀盘的刀具进行检修及更换，关键技术在于如何实现简单快速的拆卸及安装，如中铁十局集团济南铁路工程有限公司的滚刀卸取设备、德阳宏源机电工程有限责任公司的盾构机刀具更换装置、中铁隧道集团有限公司的滚刀常压换刀装置等。
　　本文从专利角度，针对盾构掘进过程中换刀这一技术问题进行了分析，为国内盾构产业的技术研发提供借鉴。从盾构机换刀技术发展趋势看，换刀技术在国外经历了漫长的发展阶段后，很多技术已趋于成熟，而我国在换刀技术方面的技术则刚刚起步。同时，在盾构机使用的巨大潜在市场下，掌握盾构机的相关技术，进而实现国产化对国内相关企业显得尤为重要。
　　参考文献
　　[1] 张凤祥.盾构隧道[M].北京：人民交通出版社，2004：20.
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