張敏 李新丹 董曉琳

摘要：制造業(yè)是國民經(jīng)濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基。盾構(gòu)機和盾構(gòu)施工是繼高鐵之后又一張國家名片，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)來源，從技術(shù)構(gòu)成、技術(shù)申請、技術(shù)分布等角度分析了盾構(gòu)機的專利布局，為我國盾構(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;盾構(gòu)隧道掘進機;盾構(gòu)技術(shù)

1 引言

盾構(gòu)機，全稱盾構(gòu)隧道掘進機。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、勞動強度低等特點。盾構(gòu)機自發(fā)明至今已有180多年的歷史，第一臺盾構(gòu)機由英國發(fā)明，后經(jīng)日本、德國不斷發(fā)展壯大[2]。目前，盾構(gòu)機已廣泛用于地鐵、鐵路、公路、市政管網(wǎng)、過江隧道、水電等隧道工程。

早前盾構(gòu)機國際上只有歐美和日本的幾家企業(yè)能夠研制生產(chǎn)，國產(chǎn)盾構(gòu)機從無到有，目前我國已經(jīng)掌握了自主設(shè)計制造盾構(gòu)機的能力。當前，我國以盾構(gòu)機為主的全斷面隧道掘進機市場迎來重要發(fā)展機遇，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);二是中國制造戰(zhàn)略的實施和“一帶一路”倡議的推進。河南省按照“創(chuàng)新驅(qū)動、智能轉(zhuǎn)型、高端引領(lǐng)、基礎(chǔ)支撐”的思路，全面推進河南省裝備制造業(yè)結(jié)構(gòu)升級、創(chuàng)新升級、制造升級、品牌升級，培育了一批具有國際競爭力的高端裝備，以盾構(gòu)裝備等4個優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)跨越提升，領(lǐng)軍全國。

2 目前國內(nèi)盾構(gòu)機研發(fā)現(xiàn)狀綜述

受制于核心關(guān)鍵設(shè)備的缺失，我國盾構(gòu)機的制造技術(shù)和市場曾長期被國外公司壟斷。近年來，通過自主創(chuàng)新，我國已掌握了盾構(gòu)機的自主設(shè)計制造能力，并在國內(nèi)市場取得了主導地位，在出口方面也呈現(xiàn)出穩(wěn)步增長的態(tài)勢。2014年5月，習近平總書記在中鐵工程裝備集團有限公司視察時提出要推進“中國制造向中國創(chuàng)造轉(zhuǎn)變、中國速度向中國質(zhì)量轉(zhuǎn)變、中國產(chǎn)品向中國品牌轉(zhuǎn)變”。中鐵裝備集團牢記囑托，于2015年10月份將自主研制的矩形盾構(gòu)機首次出口新加坡，開創(chuàng)了國產(chǎn)矩形盾構(gòu)機走出國門的先河。2016年3月份，中鐵裝備出口以色列的首臺大直徑土壓平衡盾構(gòu)機下線，創(chuàng)下了國產(chǎn)盾構(gòu)機出口海外的最大訂單紀錄。2019年8月21日，中鐵裝備集團自主研制的兩臺土壓平衡盾構(gòu)機出口丹麥，這是我國自主研制的盾構(gòu)機首次出口北歐國家。

此外國內(nèi)盾構(gòu)機新產(chǎn)品層出不窮，屢破紀錄。2017年8月，一臺直徑15.01米，長130米的超大直徑盾構(gòu)機在廣州下線，這是國內(nèi)最大直徑海底隧道盾構(gòu)機。2018年中鐵裝備自主研制的世界首臺馬蹄形盾構(gòu)機施工的蒙華鐵路白城隧道項目憑借“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“國際隧道協(xié)會2018年度技術(shù)創(chuàng)新項目獎”，該獎項為國際隧道界最高獎。2019年12月，兩臺應(yīng)用于巴黎地鐵16號線的大直徑土壓平衡盾構(gòu)機在中鐵工程裝備集團鄭州基地正式下線，將遠渡重洋為巴黎地鐵建設(shè)貢獻力量。這是中國盾構(gòu)機第一次反向出口到世界盾構(gòu)機的發(fā)源地和制造強國。2020年8月中鐵裝備聯(lián)合中鐵隧道局、中信重工研制的國內(nèi)首臺15米級超大直徑盾構(gòu)機成功穿越汕頭海灣，譜寫我國跨江越海隧道建設(shè)新篇章。

3 數(shù)據(jù)來源

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

專利數(shù)據(jù)提取時間截至日期為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)明專利申請和授權(quán)文本后為27 957件專利。

檢索表達式為（tiab=盾構(gòu) or tiab=隧道掘進機 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 趨勢分析

4.1.1 申請趨勢。自2001—2012年盾構(gòu)領(lǐng)域的申請專利數(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年達到了峰值3 241件，處于快速增長期（圖1）。

4.1.2 公開趨勢。盾構(gòu)領(lǐng)域的專利公開量的發(fā)展趨勢與申請量的總體趨勢相同，在2019年達到峰值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、開采機械、截割機入E21C;安全裝置、運輸、救護、通風或排水入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)成形成鮮明對比（圖3）。

4.2.2 技術(shù)申請趨勢。圖4進一步展示了各技術(shù)在不同年份的專利權(quán)人發(fā)展趨勢，E21D技術(shù)分類專利申請趨勢從2001年開始，在2018年達到了峰值，說明一直處于研究的熱點，也是技術(shù)發(fā)展最早;B60J電動車輛動力裝置技術(shù)專利自2006年一直處于上升趨勢;E21F技術(shù)專利自2016年開始有少量專利，2018年、2019年開始增長;G01N自2015年一直有少量專利申請。專利技術(shù)申請數(shù)據(jù)表明近5年在豎井、隧道、平硐、地下室等用的鉆機、開采機械是熱門技術(shù)和目前研究的發(fā)展方向。

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

4.5 技術(shù)全球分布

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

4.6 技術(shù)中國省市分布

在我國盾構(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 申請人分析

4.7.1 申請人排名。2009年至今為中國盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展的跨越期，中國致力于“造世界最好的盾構(gòu)”，中國盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展從優(yōu)秀到卓越，并走向國際。中國盾構(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)計制造企業(yè)，包括中鐵工程裝備集團、中國鐵建重工集團、中交天和機械設(shè)備制造有限公司、上海隧道、北方重工集團、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有限公司申請專利最多，達到了870項，taisei corp為696項，kajima corp公司546項，其它的申請人的專利數(shù)都在200件以上（圖7）。

4.7.2 中國申請人類型構(gòu)成。從圖8可以看出，國內(nèi)企業(yè)申請盾構(gòu)領(lǐng)域的專利數(shù)量遠遠超過其他申請人，達到10 942件，排名第二的大專院系為2 765件。

4.7.3 申請人技術(shù)構(gòu)成。圖9進一步明確申請人在技術(shù)專利分布情況，E21D、E21F技術(shù)領(lǐng)域最具有競爭力的是中鐵工程裝備集團有限公司、taisei corp和kajima corp;E02D技術(shù)領(lǐng)域最具有競爭力的是taisei corp、kajima corp;G01M技術(shù)領(lǐng)域最具有競爭力的是中鐵工程裝備集團有限公司。

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是曲線多、半徑小，在未來城市地下管線密布的狹小空間為實現(xiàn)復雜交叉、復雜重疊、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，未來長距離、豎井-區(qū)間隧道一體化施工的趨勢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?，總?shù)達到了14 046，其次是日本，為8 480（圖12）。

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

5 結(jié)語

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

盾構(gòu)技術(shù)雖始于英國，但是發(fā)展于日本、德國，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。日本的 taisei corp公司數(shù)量最多，kajima corp、kawasaki heavy ind ltd等公司實力也很雄厚，德國一些企業(yè)在盾構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域也具有一定專利積累。中鐵工程裝備集團有限公司是國內(nèi)盾構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埩枯^多的，其他企業(yè)包括上海合既得動氫機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)的專利申請年度發(fā)展趨勢看，國外經(jīng)歷了20世紀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，之后申請量稍微回落，至2010年后申請量再次增速加快。盾構(gòu)E21D類（豎井、隧道、平硐、地下室）一直是申請量最多的大類。隨著世界以及我國城鎮(zhèn)化的發(fā)展，地鐵等軌道交通的大范圍建設(shè)，給盾構(gòu)機的使用帶來巨大的潛在市場。掌握盾構(gòu)機器以及相關(guān)的掘進關(guān)鍵技術(shù)，進而全面實現(xiàn)國產(chǎn)化就顯得尤為必要。國內(nèi)在開展相關(guān)研究過程中，一方面需要加強對國外同類技術(shù)的分析，技術(shù)借鑒的同時，注意避免侵權(quán)風險的發(fā)生，一方面加快專利全球布局，搶占市場先機，實現(xiàn)技術(shù)彎道超車。

參考文獻：

[1] 國務(wù)院.中國制造2025國發(fā)〔2015〕28號.2015-5-19.

[2] 任潔，高丙歡，劉國威.盾構(gòu)機分類與構(gòu)造概述[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2018（09）：151-153.

[3] 陳饋，楊延棟.中國盾構(gòu)制造新技術(shù)與發(fā)展趨勢[J].隧道建設(shè)，2017，37（03）：276-284.

[4] 何川，封坤，方勇.盾構(gòu)法修建地鐵隧道的技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].西南交通大學學報，2015，50（01）：97-109.

[5] 李小永.盾構(gòu)技術(shù)專利分析[J].中國發(fā)明與專利，2018，15（02）：74-77.