張敏 李新丹 董曉琳

摘要：制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主體，是立國(guó)之本、興國(guó)之器、強(qiáng)國(guó)之基。盾構(gòu)機(jī)和盾構(gòu)施工是繼高鐵之后又一張國(guó)家名片，也是河南加快培育的10大新興產(chǎn)業(yè)之一。本文以incoPat為數(shù)據(jù)來(lái)源，從技術(shù)構(gòu)成、技術(shù)申請(qǐng)、技術(shù)分布等角度分析了盾構(gòu)機(jī)的專利布局，為我國(guó)盾構(gòu)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供有關(guān)專利分析和數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī);盾構(gòu)隧道掘進(jìn)機(jī);盾構(gòu)技術(shù)

1 引言

盾構(gòu)機(jī)，全稱盾構(gòu)隧道掘進(jìn)機(jī)。在隧道工程建設(shè)中較常用，與傳統(tǒng)施工方式相比，盾構(gòu)法具有施工安全、環(huán)保、操作方便、工程質(zhì)量高、占地資源少、勞動(dòng)強(qiáng)度低等特點(diǎn)。盾構(gòu)機(jī)自發(fā)明至今已有180多年的歷史，第一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)由英國(guó)發(fā)明，后經(jīng)日本、德國(guó)不斷發(fā)展壯大[2]。目前，盾構(gòu)機(jī)已廣泛用于地鐵、鐵路、公路、市政管網(wǎng)、過(guò)江隧道、水電等隧道工程。

早前盾構(gòu)機(jī)國(guó)際上只有歐美和日本的幾家企業(yè)能夠研制生產(chǎn)，國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)從無(wú)到有，目前我國(guó)已經(jīng)掌握了自主設(shè)計(jì)制造盾構(gòu)機(jī)的能力。當(dāng)前，我國(guó)以盾構(gòu)機(jī)為主的全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)市場(chǎng)迎來(lái)重要發(fā)展機(jī)遇，主要源于兩方面：一是以軌道交通為代表的城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè);二是中國(guó)制造戰(zhàn)略的實(shí)施和“一帶一路”倡議的推進(jìn)。河南省按照“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、智能轉(zhuǎn)型、高端引領(lǐng)、基礎(chǔ)支撐”的思路，全面推進(jìn)河南省裝備制造業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)、創(chuàng)新升級(jí)、制造升級(jí)、品牌升級(jí)，培育了一批具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高端裝備，以盾構(gòu)裝備等4個(gè)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)跨越提升，領(lǐng)軍全國(guó)。

2 目前國(guó)內(nèi)盾構(gòu)機(jī)研發(fā)現(xiàn)狀綜述

受制于核心關(guān)鍵設(shè)備的缺失，我國(guó)盾構(gòu)機(jī)的制造技術(shù)和市場(chǎng)曾長(zhǎng)期被國(guó)外公司壟斷。近年來(lái)，通過(guò)自主創(chuàng)新，我國(guó)已掌握了盾構(gòu)機(jī)的自主設(shè)計(jì)制造能力，并在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)取得了主導(dǎo)地位，在出口方面也呈現(xiàn)出穩(wěn)步增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。2014年5月，習(xí)近平總書記在中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司視察時(shí)提出要推進(jìn)“中國(guó)制造向中國(guó)創(chuàng)造轉(zhuǎn)變、中國(guó)速度向中國(guó)質(zhì)量轉(zhuǎn)變、中國(guó)產(chǎn)品向中國(guó)品牌轉(zhuǎn)變”。中鐵裝備集團(tuán)牢記囑托，于2015年10月份將自主研制的矩形盾構(gòu)機(jī)首次出口新加坡，開(kāi)創(chuàng)了國(guó)產(chǎn)矩形盾構(gòu)機(jī)走出國(guó)門的先河。2016年3月份，中鐵裝備出口以色列的首臺(tái)大直徑土壓平衡盾構(gòu)機(jī)下線，創(chuàng)下了國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)出口海外的最大訂單紀(jì)錄。2019年8月21日，中鐵裝備集團(tuán)自主研制的兩臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)出口丹麥，這是我國(guó)自主研制的盾構(gòu)機(jī)首次出口北歐國(guó)家。

此外國(guó)內(nèi)盾構(gòu)機(jī)新產(chǎn)品層出不窮，屢破紀(jì)錄。2017年8月，一臺(tái)直徑15.01米，長(zhǎng)130米的超大直徑盾構(gòu)機(jī)在廣州下線，這是國(guó)內(nèi)最大直徑海底隧道盾構(gòu)機(jī)。2018年中鐵裝備自主研制的世界首臺(tái)馬蹄形盾構(gòu)機(jī)施工的蒙華鐵路白城隧道項(xiàng)目憑借“采用大斷面馬蹄形的土壓平衡盾構(gòu)方法首次應(yīng)用于黃土隧道”榮獲“國(guó)際隧道協(xié)會(huì)2018年度技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目獎(jiǎng)”，該獎(jiǎng)項(xiàng)為國(guó)際隧道界最高獎(jiǎng)。2019年12月，兩臺(tái)應(yīng)用于巴黎地鐵16號(hào)線的大直徑土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在中鐵工程裝備集團(tuán)鄭州基地正式下線，將遠(yuǎn)渡重洋為巴黎地鐵建設(shè)貢獻(xiàn)力量。這是中國(guó)盾構(gòu)機(jī)第一次反向出口到世界盾構(gòu)機(jī)的發(fā)源地和制造強(qiáng)國(guó)。2020年8月中鐵裝備聯(lián)合中鐵隧道局、中信重工研制的國(guó)內(nèi)首臺(tái)15米級(jí)超大直徑盾構(gòu)機(jī)成功穿越汕頭海灣，譜寫我國(guó)跨江越海隧道建設(shè)新篇章。

3 數(shù)據(jù)來(lái)源

在incoPat專利信息平臺(tái)，利用高級(jí)檢索功能，在標(biāo)題和摘要中限定關(guān)鍵詞，包括盾構(gòu)、隧道掘進(jìn)機(jī)以及英文翻譯詞為“tunnel boring machine”“shield machine”和TBM，進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索。

專利數(shù)據(jù)提取時(shí)間截至日期為2020年8月12日，篩選出截止到檢索日專利文本34 329條，合并發(fā)明專利申請(qǐng)和授權(quán)文本后為27 957件專利。

檢索表達(dá)式為（tiab=盾構(gòu) or tiab=隧道掘進(jìn)機(jī) or tiab=（（tunnel （w） boring （w） machine$） or “shield machine”）or tiab=TBM） and （pd<=20200812）。

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 趨勢(shì)分析

4.1.1 申請(qǐng)趨勢(shì)。自2001—2012年盾構(gòu)領(lǐng)域的申請(qǐng)專利數(shù)維持在1 000件以下，處于平穩(wěn)期;在2014年突破了1 000件，且在2018年達(dá)到了峰值3 241件，處于快速增長(zhǎng)期（圖1）。

4.1.2 公開(kāi)趨勢(shì)。盾構(gòu)領(lǐng)域的專利公開(kāi)量的發(fā)展趨勢(shì)與申請(qǐng)量的總體趨勢(shì)相同，在2019年達(dá)到峰值3 375件（圖2）。

4.2 技術(shù)分析

4.2.1 技術(shù)構(gòu)成。從專利技術(shù)構(gòu)成分布看（表1），E21D用于豎井、隧道、平硐、地下室（土壤調(diào)節(jié)材料或土壤穩(wěn)定材料入C09K17/00;采礦或采石用的鉆機(jī)、開(kāi)采機(jī)械、截割機(jī)入E21C;安全裝置、運(yùn)輸、救護(hù)、通風(fēng)或排水入E21F的技術(shù)方向最突出，占78.71%，也是研發(fā)方向熱度最高，與其它的技術(shù)構(gòu)成形成鮮明對(duì)比（圖3）。

4.2.2 技術(shù)申請(qǐng)趨勢(shì)。圖4進(jìn)一步展示了各技術(shù)在不同年份的專利權(quán)人發(fā)展趨勢(shì)，E21D技術(shù)分類專利申請(qǐng)趨勢(shì)從2001年開(kāi)始，在2018年達(dá)到了峰值，說(shuō)明一直處于研究的熱點(diǎn)，也是技術(shù)發(fā)展最早;B60J電動(dòng)車輛動(dòng)力裝置技術(shù)專利自2006年一直處于上升趨勢(shì);E21F技術(shù)專利自2016年開(kāi)始有少量專利，2018年、2019年開(kāi)始增長(zhǎng);G01N自2015年一直有少量專利申請(qǐng)。專利技術(shù)申請(qǐng)數(shù)據(jù)表明近5年在豎井、隧道、平硐、地下室等用的鉆機(jī)、開(kāi)采機(jī)械是熱門技術(shù)和目前研究的發(fā)展方向。

4.2.3 技術(shù)公開(kāi)趨勢(shì)。E21D類技術(shù)公開(kāi)的專利數(shù)是最多的，呈一直持續(xù)上升趨勢(shì)，且專利最集中。2017年到2019年爆發(fā)式增長(zhǎng)，于2019年達(dá)到高峰。

4.5 技術(shù)全球分布

我國(guó)是盾構(gòu)專利技術(shù)最多的國(guó)家，其中E21D和E21F技術(shù)分類專利數(shù)最多;其次日本在E21D領(lǐng)域和中國(guó)專利比肩，其余國(guó)家、地區(qū)或組織專利數(shù)量明顯減少（圖5）。

4.6 技術(shù)中國(guó)省市分布

在我國(guó)盾構(gòu)技術(shù)專利主要分布在河南、北京、上海、江蘇、廣東、四川、湖北、山東、湖南和天津等省市，其中河南省在E21D、B65G、F15B技術(shù)分類中專利數(shù)最多;北京在E21F、E02D、G06F技術(shù)分類中專利數(shù)最多;上海在G01N、G01M、G01B、C04B技術(shù)分類中專利最多;江蘇在B66C技術(shù)分類中專利最多（圖6）。

4.7 申請(qǐng)人分析

4.7.1 申請(qǐng)人排名。2009年至今為中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展的跨越期，中國(guó)致力于“造世界最好的盾構(gòu)”，中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展從優(yōu)秀到卓越，并走向國(guó)際。中國(guó)盾構(gòu)自主創(chuàng)新能力顯著提高，涌現(xiàn)出多家優(yōu)秀的盾構(gòu)設(shè)計(jì)制造企業(yè)，包括中鐵工程裝備集團(tuán)、中國(guó)鐵建重工集團(tuán)、中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司、上海隧道、北方重工集團(tuán)、遼寧三三工業(yè)有限公司等企業(yè)[3]，其中中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司申請(qǐng)專利最多，達(dá)到了870項(xiàng)，taisei corp為696項(xiàng)，kajima corp公司546項(xiàng)，其它的申請(qǐng)人的專利數(shù)都在200件以上（圖7）。

4.7.2 中國(guó)申請(qǐng)人類型構(gòu)成。從圖8可以看出，國(guó)內(nèi)企業(yè)申請(qǐng)盾構(gòu)領(lǐng)域的專利數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他申請(qǐng)人，達(dá)到10 942件，排名第二的大專院系為2 765件。

4.7.3 申請(qǐng)人技術(shù)構(gòu)成。圖9進(jìn)一步明確申請(qǐng)人在技術(shù)專利分布情況，E21D、E21F技術(shù)領(lǐng)域最具有競(jìng)爭(zhēng)力的是中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司、taisei corp和kajima corp;E02D技術(shù)領(lǐng)域最具有競(jìng)爭(zhēng)力的是taisei corp、kajima corp;G01M技術(shù)領(lǐng)域最具有競(jìng)爭(zhēng)力的是中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司。

4.7.4 發(fā)明人排名。程永亮、kaneko kenichi、劉飛香、賈連輝等為該技術(shù)或申請(qǐng)人的核心技術(shù)人才（圖10）。

4.7.5 發(fā)明人技術(shù)構(gòu)成。城市地鐵隧道的最大特點(diǎn)是曲線多、半徑小，在未來(lái)城市地下管線密布的狹小空間為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜交叉、復(fù)雜重疊、急彎曲線穿越等困難施工，可能大量采用母子盾構(gòu)、可變斷面盾構(gòu)、H&V盾構(gòu)等特種裝備。同時(shí)，未來(lái)長(zhǎng)距離、豎井-區(qū)間隧道一體化施工的趨勢(shì)也將以采用球形盾構(gòu)等特種裝備為基礎(chǔ)[4]。幾乎所有發(fā)明人都是在E21D技術(shù)分類專利數(shù)最多，其中程永亮在該技術(shù)分類中專利數(shù)最多;肖明清在E21F技術(shù)分類的專利數(shù)領(lǐng)先其它發(fā)明人;uemura makoto在E02D技術(shù)分類的專利數(shù)領(lǐng)先其它發(fā)明人（圖11）。

4.8 地域分析

4.8.1 全球地域排名。盾構(gòu)領(lǐng)域?qū)＠饕植荚谥袊?guó)，總數(shù)達(dá)到了14 046，其次是日本，為8 480（圖12）。

4.8.2 中國(guó)省市排名。盾構(gòu)領(lǐng)域的中國(guó)專利河南省數(shù)量最多，其次為北京、上海和江蘇，說(shuō)明河南在盾構(gòu)領(lǐng)域技術(shù)在全國(guó)占有一席之地（圖13）。盾構(gòu)領(lǐng)域的中國(guó)專利類型分布，發(fā)明申請(qǐng)7 138件、實(shí)用新型6 747件、發(fā)明授權(quán)14件、外觀設(shè)計(jì)147件。

5 結(jié)語(yǔ)

盾構(gòu)技術(shù)自誕生以來(lái)，至今已有近200年的歷史，目前正朝著“超大斷面、深覆土、長(zhǎng)距離”的方向發(fā)展，在此期間，盾構(gòu)技術(shù)的專利申請(qǐng)量起起伏伏，呈現(xiàn)螺旋上升的趨勢(shì)[5]。

盾構(gòu)技術(shù)雖始于英國(guó)，但是發(fā)展于日本、德國(guó)，特別是日本在盾構(gòu)領(lǐng)域的專利布局也具有較大優(yōu)勢(shì)。日本的 taisei corp公司數(shù)量最多，kajima corp、kawasaki heavy ind ltd等公司實(shí)力也很雄厚，德國(guó)一些企業(yè)在盾構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域也具有一定專利積累。中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司是國(guó)內(nèi)盾構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量較多的，其他企業(yè)包括上海合既得動(dòng)氫機(jī)器有限公司等在盾構(gòu)某些領(lǐng)域也非常突出。

從盾構(gòu)技術(shù)相關(guān)的專利申請(qǐng)年度發(fā)展趨勢(shì)看，國(guó)外經(jīng)歷了20世紀(jì)70年代初期到90年代初期的緩慢上升階段、從1994年到2000年左右的高速發(fā)展期，之后申請(qǐng)量稍微回落，至2010年后申請(qǐng)量再次增速加快。盾構(gòu)E21D類（豎井、隧道、平硐、地下室）一直是申請(qǐng)量最多的大類。隨著世界以及我國(guó)城鎮(zhèn)化的發(fā)展，地鐵等軌道交通的大范圍建設(shè)，給盾構(gòu)機(jī)的使用帶來(lái)巨大的潛在市場(chǎng)。掌握盾構(gòu)機(jī)器以及相關(guān)的掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)而全面實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化就顯得尤為必要。國(guó)內(nèi)在開(kāi)展相關(guān)研究過(guò)程中，一方面需要加強(qiáng)對(duì)國(guó)外同類技術(shù)的分析，技術(shù)借鑒的同時(shí)，注意避免侵權(quán)風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，一方面加快專利全球布局，搶占市場(chǎng)先機(jī)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)彎道超車。

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