摘要：伴随着我国大型的隧道工程修建技术的不断进步，衬砌台车在上世纪90年代开始出现，同时由于水利水电工程对于地下工程施工的需求越来越多，各种不同规格及形状的洞穴，是地下工程的重要组成部分。衬砌台车是隧道施工二次衬砌中必须使用的专用设备，在最近的二十年中得到了长足的发展，使得衬砌台车的设计更加的多样化。本文通过检索、统计、分析国内外衬砌台车专利申请，从中获得了衬砌台车专利申请量的趋势、主要申请人等，并预测该领域未来可能的发展方向。
关键词：隧道 衬砌台车 专利
一、概述
在水利水电工程的隧道凿挖中，为了防止沙石泥土的塌落，需要使用一定承受力的混凝土衬砌隧道内部；在衬砌台车出现之前，现有多是使用木材搭建的架子进行施工，不仅生产效率低，而且衬砌施工时难以保证精度。同时，由于地下洞穴复杂性，具有各种不同规格及形状，普遍采用人工支模和拆模等方式施工，这种方式施工速度慢，模板模具投入大，施工周期长，衬砌质量差，劳动强度高。例如：一段10m的硅被复需要投入的人员30人，需要148小时才能完工。为解决上述问题，衬砌台车开始出现，通过采用衬砌台车进行支撑，隧道施工能够安全可靠的进行。现有衬砌台车主要有简易衬砌台车、自行式隧道衬砌台车和针梁衬砌台车三种。
1.1 简易衬砌台车
简易衬砌钢台车包括行走架、车轮、起吊绞车、滑轮、直墙架、弧墙架、调整装置、平台及其轨道等，行走架上设有增加强度及刚性的斜支撑杆件；在行走架两侧设有移动调整装置，行走架的纵向和横向增加了斜支撑杆件大幅度提高了刚性，行走架的两侧设有移动调整装置，通过该调整装置把弧墙架装于行走架上并可通过移动调整机构调整弧墙架的位置。由于行走架的侧面增设了移动调整装置，较大尺寸的调整可改变支承架上的螺钉孔位置，较小尺寸可用螺杆螺母调整，使用方便，提高了衬砌施工的质量。
1.2 自行式隧道衬砌台车
该自行式隧道衬砌台车包括其下方安装有行走轮的台车支架，该台车支架上环向间隔设置用于支撑钢模的液压杆，钢模板上间隔设置用于浇筑二次衬砌结构混凝土的浇筑口，其特征是：所述台车支架的前部固定设置安装构件，该安装构件上沿环向间隔固定设置顶进千斤顶，各顶进千斤顶轴向作用于已施工完成二次衬砌结构的前端面上，使台车支架向前移动。在台车的前部安装液压顶进系统，通过千斤顶顶靠在已浇筑二次衬砌结构上，实现台车的自行移动和精确定位，提高隧道二次衬切结构的施工效率；各顶进千斤顶的行程由控制器单独控制，可实现台车的自行转弯，并很好的拟合隧道的曲线轮廓。
1.3 针梁衬砌台车
针梁衬砌台车包括模板系统和液压系统，针梁为设有中间预留孔的箱梁结构，所述的针梁的两端分别装有主支腿，所述的主支腿的下端设有顶升油缸和第一承重丝杆，所述的针梁一端装有卷扬机，另一端装有导向滑轮，滑移架套装在所述的针梁上且所述的滑移架上端安装有行走挂轮、下端安装有行走托轮与所述的针梁滑动接触，所述的模板系统安装在所述的滑移架上，所述的模板系统前端设有前挂钩，后端设有后挂钩。针梁承受竖向压力的设计方法，取消了传统衬砌台车龙门架支撑系统，针梁支腿采取横向与侧模板重叠，纵向不重叠，最大限度节约了衬砌台车自身占用的空间，从而提高了通行能力，达到满足大型施工设备通行目的，劳动强度大大降低，工作效率大大提高。针梁台车衬砌隧洞全圆断面，底、边、顶一次性成型，立模、拆模用液压缸执行，定位找正由底座竖向液压缸和调平液压缸执行。在圆形洞室的衬砌上，针梁台车发挥了很大的优势，在较大断面较长的圆形衬砌洞室中均首选针梁台车进行混凝土衬砌施工。
二、衬砌台车专利基础状况分析
2.1 本国专利申请量发展趋势
在专利数据库中对2018年以前该领域E21D11/10分类号进行统计，得到本国专利申请量的发展趋势。在2000年以前，关于衬砌台车的国内专利申请量非常少，说明该设备在国内属于新兴的专业设备，近十几年前刚在中国起步，如图2.1 所示，直至2009年，全国关于衬砌台车的申请量总数才270件，而2010年一年，申请量就超过了以前的总量，达到了295件；但而随着中国本国技术的进步与隧道衬砌需求量的不断增加，我国衬砌台车专利的申请量呈现逐年增加的趋势，且最近十年来申请量的增加速度非常快，表明该技术在我国的应用需求也增长迅速，截止至2018年底全国关于衬砌台车的专利申请总量已经达到7241件。
2. 2 本国主要申请人统计分析
在专利数据库中对E21D11/10分类号进行统计，得到本国主要申请人的申请量。如图2.1所示，在用混凝土现场浇注、为此所用地模板或其他设备这一技术领域中，由于施工量大，资金投入多，国内的主要申请人类型为公司和高校，个人申请较少。其中，前三位的大学分别为山东科技大学、中国矿业大学和山东大学，前三位的公司分别为中铁十二局集团有限公司、湖南五新隧道智能装备有限公司和中铁十二局集团第二工程有限公司，其中中铁集团和湖南五新公司由于隧道施工量庞大，因而需要更先进的衬砌台车去适应不同的隧道环境，上述公司的相关申请量也自然最多。
同时，通过检索全球衬砌台车领域专利，可以发现国外与衬砌台车的研究和起步比国内早，在1985-1987 年之间，相关专利的申请量己经超过了50件，而当时国内关于衬砌台车的研究几乎为零；同时，国外衬砌台车的研究在近几年也取得了较大的发展，专利申请量增长较大。这一技术领域中，申请量排在前十的申请人均为企业，且排在前五位的均为日本企业，由此可以看出，日本在衬砌台车领域的研究处于世界领先水平，中国企业可以从中学习借鉴和吸收、并在此基础上进行创新，研发出具有新创性的新型衬砌台车，更好为我国大型工程施工服务。
三、衬砌台车的发展方向
随着我国经济的不断发展，我国隧道施工工程量会依然保持高速的增长态势，衬砌台车作为其中的不可或缺设备，发展空间还很大。通过对衬砌台车技术和专利的分析，我国衬砌台车将会有以下几个发展方向:
1)研发一种液压衬砌台车，在有坡道的隧道内衬砌时为了调整衬砌标高，通过设置液压缸和支撑丝杆自动调整压力，克服混凝土在垂直和侧向的压力，使台车在不发生变形，并且方便快捷地完成收模或支模。
2)研发一种自动化衬砌台车装置，操作人员使用手机或笔记本电脑进行远程操控，能够减少现场人工操作，降低了施工人员安全风险，大大提高了工作效率，减少了人员，降低了劳动强度。
3)研发一种隧道衬砌台车用自带辅助功能的装置，其结构简单、设计合理，例如通过在隧道衬砌台车上安装自带轨道铺设装置，能够实现自带轨道的铺设，不需要施工人员手工移动并铺设常规轨道，能够提高施工效率，节约人工成本，流程简单，操作便捷，便于推广应用。
参考文献：
1.李春满. 隧道衬砌简易整体钢台车施工方法. 辽宁交通科技.1996.10；
2.顾华. 机械式针梁钢模台车结构设计. 水利水电技术.1996.11；
3.吴登明.隧洞混凝土浇筑斜洞液压自行式钢模台车施工设备研发. 四川水力发电.2014.10。
论文作者:张威浩
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第06期
论文发表时间:2019/8/13
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