在我国太空登月、7000m深海探测及1500m海洋钻井等极限目标陆续实现并继续推进的背景下，向地球深部进军是我国必须解决的战略科技问题，也是我国今后相当长一段时间内将面临的重大科学难题与技术挑战。深部资源开发、深地空间利用及高放核废物处置等重大工程作为向地球深部进军战略的重要载体，是现阶段面临的重大现实需求。

　　作为人类进入地下深部空间的主要通道，千米级深竖井安全高效建造是上述重大工程建设的首要问题，但其面临的复杂多变地质条件、十兆帕超高泥浆压力、百兆帕极硬岩体、千米高度岩渣提升与物料输送等极端工况，远远突破了现有的爆破、冻结、钻井、注浆等传统技术手段与装备所具备的能力极限，因此，千米级深竖井建造关键技术攻关及成套装备研制不仅能够满足我国地下深部空间开发建设需要，并且对于保障我国能源与国防安全、推动我国基础科学发展与前沿技术进步、促进“一带一路”沿线国家资源合作开发意义重大。近十年来，全断面掘进机法在城市地铁、水利隧洞、公路隧道、城市管廊、铁路隧道、煤矿斜井等隧道工程领域应用广泛，在隧道施工安全、效率、质量及成本等指标方面均得到行业内高度认可，高效破岩、大功率驱动、同步支护、渣料连续输送、姿态实时纠偏等关键技术日益成熟。基于竖井施工领域面临的问题，如果将刀具破岩、全断面掘进、同步支护、连续出渣等掘进机技术进行创新应用，自主研发能够适应复杂多变地层、大深度（1000m以上）、大断面（10m直径以上）竖井掘进装备，对于变革大断面中深竖井建井方式、大幅提升长距离深埋隧道工程建设效率、推动我国深埋资源高效开发具有重大意义。

　　本报告以千米级深竖井全断面掘进技术为研究主题，在文献调研和专家咨询的基础上，利用相关数据库对该主题的国际研究态势和技术主题进行了分析与解读，旨在为我国从事该领域研究的科研学者提供借鉴。

　　研究前沿态势分析

　　为检索出与“千米级深竖井全断面掘进技术”相关的研究与综述论文，根据专家提供的检索词，构建检索策略1，在ISI Web of Science-SCI数据库中，按照文献类型Article和Review进行筛选，共获得464篇论文（检索时间2019年9月）。检索出的数据采用Excel、Derwent Data Analyzer（DDA）等工具进行分析。

　　1.研究产出基本情况分析

　　1.1研究趋势分析

　　如图1所示，千米级深竖井全断面掘进技术的相关研究最早开始于1913年，Braly NB在TRANSACTIONS OF THE AMERICAN INSTITUTE OF MINING AND METALLURGICAL ENGINEERS期刊上发表了一篇名为“Shaft-sinking methods of Butte”的学术论文，初次探讨了竖井挖掘的相关理论与方法；随后该领域研究进入了缓慢发展期，发文量呈波动上升趋势；2007年后，论文数量有了明显提升，年均发文量突破12篇，该领域研究进入上升阶段，表明其逐步得到科研工作者的关注，成为研究热点；在2018年发文量达到顶峰，共有50篇论文。由于论文收录时滞，数据库尚未收录完全，2019年论文数量略微下降。

　　1.2国家（地区）分布

　　全球共有超过40个国家或地区开展了千米级深竖井全断面掘进技术的研究，发文量居前20位的国家排名如图2所示。

　　总的来说，仅美国与中国的发文量之和就已经超过全球发文总量的50%，处于第一梯队；加拿大、英国、韩国、日本、波兰、法国、德国、南非和土耳其均发文超过10篇，处于第二梯队，且与第一梯队差距显著；其余国家以个位数的发文量处于第三梯队，呈现追赶之势。具体来看，美国共发表论文143篇，占全部论文的31%；中国发文135篇，以微弱差距排在第二位；加拿大以28篇论文居于第三位。

　　1.3机构分布

　　1.3.1全球机构分布情况

　　全球发表的关于千米级深竖井全断面掘进技术的研究论文数位居前二十位的机构，如表1所示。总的来看，这20个机构的发文量均在5篇以上，其中有12家中国机构，占50%以上，6家美国机构，波兰和日本各1家；位居前五位的机构依次是中国科学院、中国矿业大学、阿克伦大学、佛罗里达大学和休斯敦大学，其中中国科学院以16篇论文排名第一，中国矿业大学以15篇论文紧随其后；美国机构中发表论文最多的是阿克伦大学，共有12篇。

　　1.3.2中国机构分布情况

　　如表2所示，全球发表的关于千米级深竖井全断面掘进技术的研究论文数位居前十位的中国机构中，中国科学院以16篇排名第一，中国矿业大学以15篇紧随其后，中原大学以6篇的微弱差距位居第三。在所有机构中，大学有10家，科研机构有1家，由此可见，主要是大学机构在从事该领域的研究。

　　1.3.3机构合作情况分析

　　如图3所示，通过分析该领域内发文量前20位机构之间的合作关系发现，千米级深竖井全断面掘进技术研究领域的合作较为密切，各国的研究机构之间开展了较为广泛的合作，国际间的合作交流也相对紧密，共有16个机构开展了科研合作，且多以两两合作为主。

　　如图4所示，中国科学院与其中的4个科研机构之间都有合作，共发表合作论文4篇。该机构与武汉大学、东北大学、中国矿业大学、安徽科技大学等国内机构开展了密切的合作研究，其中与武汉大学合作研究的内容是关于全断面掘进机的相关优点介绍，以及在实际过程中遇到的挑战；较为遗憾的是，目前中国科学院还没有与国外机构就该研究领域展开合作。

　　1.4期刊分布

　　该研究领域发表论文涉及的期刊超过170种，主要集中在地球科学、地质学、工程学等研究领域。如表3所示，发文量前十位的期刊中，有3种期刊来自英国，接近三分之一，美国和加拿大各有2种期刊，奥地利、荷兰和波兰各有1种期刊，由此可见，该研究领域论文高产的期刊主要来自欧美发达国家。值得注意的是，来自加拿大的CIM BULLETIN期刊已于2005年被ISI Web of Science-SCI数据库剔除。具体来看，发文量最多的是来自美国的JOURNAL OF GEOTECHNICAL AND GEOENVIRONMENTALENGIN EERING期刊，共发文33篇；影响因子最高的是来自奥地利的ROCK MECHANICS AND ROCK ENGINEERING期刊，影响因子高达4.100。

　　1.5高被引论文

　　表4展示的是该研究领域被引频次排名前二十位的高被引论文，从国家或地区来看，中国有7篇，加拿大、美国、西班牙和日本各2篇，德国、伊朗、韩国、澳大利亚和埃及各1篇，由此可见，发达国家与发展中国家均在该领域有所研究，并发挥着自身的影响力，中国在该领域拥有较高的影响力。

　　其中，被引频次最高的是加拿大的科研工作者Read, RS于2004年在INTERNATIONAL JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND MINING SCIENCES期刊上发表的1篇论文。该论文讨论了随着开挖的进行，竖井收敛应力发生变化，岩石会发生微震；同时，作者提出了自己设计的地下开口方法，从而让挖掘损坏最小。这篇论文至今已被18个国家或地区超过111个研究机构引用，引用次数为136次。

　　2.国家（地区）被引频次分析

　　对全球发表的关于千米级深竖井全断面掘进技术研究论文的被引频次进行分析，以国家进行累积加和，并计算其篇均被引频次(如表5所示)。总被引次数和篇均被引次的高低说明研究的影响力大小，其中，总被引次数表示国家在该研究领域的影响力，篇均被引次数表示发表论文的被关注的程度。

　　从总被引频次来看，中国以1095次高居第一名，远远高于其他国家或地区；美国由于发文总数量具有明显优势，以1020次位居第二；加拿大以412次排名第三。从篇均被引频次来看，巴西以22.00次遥遥领先于其他国家或地区，说明巴西发表的论文被关注程度最高；澳大利亚以21.88次紧随其后；法国以20.17次排名第三。中国的篇均被引频次为8.11次，排在第十位，表明国内发表论文的被关注程度较低，论文质量和影响力有待提高。

　　以发文量前10位国家的国家名称、发文量及其篇均被引频次三个指标作气泡图，气泡大小表示篇均被引频次高低（如图5所示）。从各国发文量和篇均被引之间的关系来看，亚洲各国论文的篇均被引频次相较于欧美发达国家普遍较低；美国和中国虽然发文量均很高，但是篇均被引频次都较低。

　　3.研究主题分析

　　3.1研究主题关键词分析

　　根据检索出的文献，通过DDA分析工具对关键词进行分析，排除无效概念，得到关于千米级深竖井全断面掘进技术研究所涉及的高频关键词。对主题关键词进行筛选、聚类后，将主题关键词分为三类，即与竖井相关的物质、竖井制作工艺和竖井掘进技术，如表6所示。其中，与竖井相关的物质主题包括竖井、岩石、黏土、沙等；竖井制作工艺主题包括打桩、灌浆、打地基、井筒支护等；竖井掘进技术主题包括挖掘技术、全断面掘进机、数值建模、有限元分析法、负载与阻力系数设计等。

　　3.2研究主题相关性分析

　　将主题关键词进行筛选、聚类后，进行相关性分析，获得千米级深竖井全断面掘进技术主题分析图，如图6所示。我们可以发现，该领域研究内容全都是围绕竖井展开的，主要集中在以下2个方面：

　　（1）围绕超深竖井的制作工艺，如地基、灌浆、竖井支护等，探讨其可能遇到的挑战，提出相应的解决措施或技术方法；

　　（2）从力学角度深入研究超深竖井的受力情况并提出相关的检测与实验方法，如负荷试验、荷载转移、负载与阻力系数设计等。

　　3.3关键技术时间分布

　　将千米级深竖井全断面掘进技术研究中涉及的技术关键词（前10位）进行时间序列分析，从而了解该研究领域内关键技术的发展趋势，如图7所示。在这些技术研究中，爆破技术（Blasting）、掘进技术（Excavation）、竖井设计（Design）出现较早，这3种技术都是从1991年就开始研究，一直延续至今，但是论文数量均在个位数；建模技术（Model）和全断面掘进机技术（Tunnel boring machine）分别从1994年和2003年开始受到学者的关注，论文数量持续增长；负载与阻力系数设计技术（Load and resistance factor design）兴起于2010年，作为新兴技术逐渐成为新的研究热点。

　　3.4研究主题国家分布

　　分析发文量前十位国家在千米级深竖井全断面掘进技术研究中负载与阻力系数设计技术、掘进技术和全断面掘进机技术三个研究方向的主题分布，了解各国在该领域内的研究重点，如图8所示。从整体上来看，各国在掘进技术的研究方向所占比重最大，其次是全断面掘进机技术，负载与阻力系数设计技术在各国研究中占比最少。

　　从研究方向上来看，美国和韩国在负载与阻力系数设计技术方面的研究占比均超过60%，其中，美国发表的有关该技术的论文占比最高，达到80%；在掘进技术中，只有土耳其没有该方面的研究论文，英国、法国和南非在该技术领域的研究论文占比最高，均达到100%；此外，在全断面掘进机技术的研究中，土耳其发表论文占比为100%，说明该国更为注重此方面的研究。

　　从国家角度来看，美国、中国和韩国在3个研究领域均有所涉及；加拿大、英国、日本、法国和南非更偏重掘进技术，土耳其在全断面掘进机技术方面一枝独秀，而中国则更关注负载与阻力系数设计技术的研究。

　　4.小结

　　千米级深竖井全断面掘进技术的相关研究最早开始于1913年，随后该领域研究进入了缓慢发展期，发文量呈波动上升趋势；2007年后，论文数量有了明显提升，年均发文量突破12篇，该领域研究进入上升阶段。

　　全球共有超过40个国家或地区开展了相关研究，中国共发表论文135篇，以微弱差距排在美国之后。全球关于该领域研究的高产机构主要分在中国和美国，而在中国机构中，中国科学院发表的论文数量高居榜首。同时，各国的研究机构之间开展了较为广泛的合作，国际间的合作交流也相对频繁。

　　该领域研究论文高产的期刊主要来自英国，高被引论文则主要来自中国。中国在该研究领域具有很高的影响力，巴西发表的论文被关注程度最高，国内发表论文的被关注程度较低，论文质量有待提高。

　　关于该主题的研究内容主要涉及3个方面：与竖井相关的物质、竖井制作工艺和竖井掘进技术。其中，爆破技术、掘进技术、竖井设计等技术出现较早，这3种技术都是从1991年就开始研究，一直延续至今，但是论文数量均在个位数；建模技术和全断面掘进机技术分别从1994年和2003年开始受到学者的关注，论文数量持续增长；负载与阻力系数设计技术兴起于2010年，作为新兴技术逐渐成为新的研究热点。

　　发文量排名前10位的国家，在掘进技术的研究方向所占比重最大，其次是全断面掘进机技术，负载与阻力系数设计技术在各国研究中占比最少。加拿大、英国、日本、法国和南非更偏重掘进技术，土耳其在全断面掘进机技术方面一枝独秀，而中国则更关注负载与阻力系数设计技术的研究。

　　研发

　　在Derwent Innovation（DI）数据库中3，共检索到4430条专利文献（检索时间2019年9月）。对检索出的数据采用DDA、DI和Excel等工具进行分析，结果如下。

　　1.总体情况分析

　　1.1专利申请时间分布

　　如图9所示，全球关于千米级深竖井全断面掘进技术的专利最早出现于上世纪六十年代初。以1970年为起点，全球专利申请量呈逐年波动上升趋势，从2005年开始专利数量急剧上涨，在2018年达到顶点（当年共有528项专利）。其中，第一项关于该技术研究的专利是由前苏联于1961年提出申请的，该专利设计了一款井筒钻井平台，其驱动装置是可以由人来遥控的。

　　总的来说，中国的专利申请变化趋势与国际专利申请趋势大致相同。中国自1986年开始申请相关技术专利，从2007年起每年申请的专利占全球申请专利的一半以上，作为该技术的后起之秀，在2015年以后全球的专利申请数量几乎全是中国申请的，发展速度显著。

　　1.2专利申请国家（地区）分布

　　如图10所示，从专利技术的国家（地区）来源来看，中国是最主要的技术来源国，约占全球申请总数的71.2%，远远高于其他国家：来自前苏联的专利数量约占8.6%，排名第二；日本以6.8%紧随其后，位居第三；TOP10的国家或地区所申请的专利共占全球总量的97.9%。

　　如图11所示，从专利技术市场国家（地区）分布来看，该技术的应用市场主要布局在欧美以及部分东亚国家。中国是最主要的技术市场，约占全球市场的61.2%，前苏联与日本分别以9.4%和6.2%位列二、三位。综合图10和图11可以看出，千米级深竖井全断面掘进技术主要掌握在中国、前苏联和日本手中。

　　1.3主要专利权人分析

　　全球共有2600多家机构或个人活跃在该技术研究领域，申请数量排名前10位的主要专利申请人如表7所示。从申请人所属国家或地区来看，有8家来自中国，占有绝对优势，剩余2家全部来自日本。从专利申请延续时间来看，可以分析机构对于某一技术的技术领先持续度，只有三菱重工的专利申请延续时间达到30年，在该技术领域具有先发优势，中兴微电子技术有限公司和中国矿业大学以25年排在第2；中铁第四勘察设计院集团有限公司作为后起之秀，其专利申请延续时间最短，只有9年。从机构性质来看，最多的是企业，有9家；其次是高校有1家。从专利数量来看，中兴微电子技术有限公司以73项专利排名第1，华为技术有限公司以72项紧随其后，中铁工程装备集团有限公司排名第3，共有69项专利。从近5年专利占其总量比来看，各机构的发展态势相差较大，具有先发优势的三菱重工后期创新能力不足，占比只有5.00%；东芝机械株式会社和京东方科技集团有限公司的占比也是个位数，创新能力短缺；中铁工程装备集团有限公司作为行业新兴，创新势头很猛，占比75.36%。

　　1.4中国专利权人情况分析

　　在中国排名前十位的专利权人中（如表8所示），基本以企业为主（共8家），高校为辅（共2家）。排名前三位的机构分别是中兴微电子技术有限公司、华为技术有限公司和中铁工程装备集团有限公司，各机构之间专利数量相差不大。总的来说，中国机构进入该技术领域的时间较短（15年左右），但是不断有新鲜血液补充，持续保持着强劲的研发实力和技术创新力，从而在该技术领域一直维持领先地位。

　　1.5专利权人合作情况分析

　　图12表示的是该领域内专利申请前20位专利权人之间的合作关系。其中，只有2家专利权人进行了1次合作研发，可以看出，该领域的专利权人普遍以单独的方式进行申请。中铁工程装备集团有限公司和中铁第四勘察设计院集团有限公司进行了唯一的1次合作，该专利是关于大型原油运输船施工中轴管分段钻孔的方法。该方法使竖井筒内的镗床垂直提升，直接在分段上钻孔，保证了镗孔质量，大大提高了镗孔精度和镗孔速度。

　　2.技术主题分析

　　2.1专利研发技术热点分布

　　基于专利题名和摘要关键词，绘制千米级深竖井全断面掘进技术领域研发主题布局专利地图，如图13所示。从图中可以看出，该领域的专利技术热点主要包括全断面掘进机的开发与改进，工件运输系统的改进，配套工具、转轴、发动机、机床相关的设计与改进等。

　　2.2主要国家专利技术主题分布

　　如表9所示，将千米级深竖井全断面掘进技术领域的专利申请，按照德温特手工代码进行专利技术分类。在该技术领域，技术研发主要集中在钻镗床的开发、工件的输送、相应部件的制造等方面。

　　按照专利申请前10位的国家和前10位的德温特手工代码分类，进行专利权人-专利技术领域分析，如图14所示。（1）虽然前苏联发文较多，但因为其所申请的专利基本是在20世纪90年代之前，德温特手工代码分类可能与其专利特征不符，导致前苏联的专利没有1个前10位的德温特手工代码分类；英国由于专利申请数量只有个位数，所以也没有1个前10位的德温特手工代码分类；（2）只有中国在德温特手工代码分类前10位的技术领域中均申请了专利，其中在钻镗床这个技术领域申请的专利最多；（3）日本的技术研发主要集中在钻镗床，工具、工具架、夹盘、与芯棒两方面，涉及的技术领域较多，有7个；（4）美国以采矿和采石结构技术为研发主导，技术研发领域并不多，只有5个；（5）德国、俄罗斯和法国以研发钻镗床和镗钻技术为主，研究领域相对较为集中。

　　3.小结

　　全球关于千米级深竖井全断面掘进技术的专利最早出现于上世纪六十年代初。以1970年为起点，全球专利申请量呈逐年波动上升趋势，从2005年开始专利数量急剧上涨，在2018年达到顶点。中国的专利申请变化趋势与国际专利申请趋势大致相同，在2015年以后全球的专利申请数量几乎全是中国申请的，发展速度显著。

　　从专利技术的国家（地区）来源来看，中国是最主要的技术来源国，远远高于其他国家，TOP10的国家或地区所申请的专利共占全球总量的97.9%；从专利技术市场国家（地区）分布来看，中国是最主要的技术市场。总的来说，千米级深竖井全断面掘进技术主要掌握在中国、前苏联和日本手中。

　　专利申请数量排名前10位的主要专利申请人中，中国机构占绝对优势；从机构性质来看，则是以企业为主；从近5年专利占其总量比来看，各机构的发展态势相差较大。在中国排名前十位的专利权人中，基本以企业为主，排名前三位的机构分别是中兴微电子技术有限公司、华为技术有限公司和中铁工程装备集团有限公司，各机构之间专利数量相差不大。总的来说，中国机构进入该技术领域的时间较短（15年左右），但是不断有新鲜血液补充，持续保持着强劲的研发实力和技术创新力，从而在该技术领域一直维持领先地位。该领域的专利权人普遍以单独的方式进行申请，专利申请前20位专利权人中，只有2家专利权人进行了1次合作研发。

　　该领域的专利技术热点主要包括全断面掘进机的开发与改进，工件运输系统的改进，配套工具、转轴、发动机、机床相关的设计与改进等。按照德温特手工代码进行专利技术分类，该技术领域的技术研发主要集中在钻镗床的开发、工件的输送、相应部件的制造等方面。其中，只有中国在德温特手工代码分类前10位的技术领域中均申请了专利，尤以在钻镗床这个技术领域申请的专利最多。（作者单位：中科院文献情报中心咨询服务部）

　　参考文献

　　1 检索策略：TS=((("SHAFT"OR“SHAFTS”) AND ("BORING MACHINE*" OR "TBM" OR " HEADINGMACHINE*" OR "ROADHEADER")) OR (("DEEPUNDERGROUND*" OR "DEEP MINING*" OR “DEEPSHAFT*” OR “VERTICAL SHAFT*” OR “MINESHAFT*” OR “UNDERGROUND MINING” OR “DEEPEARTH” OR “DEEPORE-PROSPECT*”) NEAR/3 ("EXCAVAT*" OR "TUNNELING*" OR "SINKING*" OR "DRILLING*")) OR (("SHAFT" OR “SHAFTS”) NEAR/2 ("EXCAVAT*" OR "TUNNELING*" OR "SINKING*" OR "DRILLING*")) OR (“DRILLED SHAFT”))AND[排除]Web of Science类别:(ARCHAEOLOGY OR ENGINEERING BIOMEDICAL OR DENTISTRY ORAL SURGERY MEDICINE OR PUBLIC ENVIRONMENTAL OCCUPATIONAL HEALTH OR ERGONOMICS OR FOOD SCIENCE TECHNOLOGY OR MARINE FRESHWATER BIOLOGY OR MEDICINE RESEARCH EXPERIMENTAL OR BIOTECHNOLOGY APPLIED MICROBIOLOGY OR PSYCHOLOGY OR ENTOMOLOGY OR PSYCHOLOGY MULTIDISCIPLINARY OR SURGERYORTOXICOLOGY)

　　2 期刊影响因子数据来源：JCR Science Edition 2018

　　3 检索策略：ALLD=((("SHAFT"OR"SHAFTS") AND ("BORINGMACHINE*" OR "TBM" OR "HEADINGMACHINE*" OR "ROADHEADER")) OR (("DEEPUNDERGROUND*" OR "DEEPMINING*" OR "DEEPSHAFT*" OR "VERTICALSHAFT*" OR "MINESHAFT*" OR "UNDERGROUNDMINING" OR "DEEPEARTH" ADJ "DEEPORE-PROSPECT*") ADJ ("EXCAVAT*"OR"TUNNELING*" OR "SINKING*"OR"DRILLING*")) OR (("SHAFT" OR "SHAFTS") ADJ ("EXCAVAT*" OR "TUNNELING*" OR "SINKING*" OR "DRILLING*")) OR ("DRILLED SHAFT"))