4月7日，《科技日报》头版头条刊发深度报导“掘进，朝着地球深处——全世界首台公里级竖井硬岩全断面掘进机研发始末”，专题聚焦铁建重工科技立异。全文以下：

掘进，朝着地球深处

——全世界首台公里级竖井硬岩全断面掘进机研发始末

【立异故事】

◎本报记者 孙瑜

阳春三月，辽宁鞍钢西鞍山铁矿项目施工现场一派忙碌。开挖直径8.1米、重达数百吨的“钢铁脊梁号”宛如一艘“地下航母”，正加快向深地掘进。

深地资源的开发使用，对于拓展人类保存空间具备庞大意义。此前，针对于公里级硬岩竖井施工，尚无高效靠得住的全断面掘进技能与设备。

短视频《地心快递：“钢铁脊梁号”深地漫游》

“2021年起，中国铁建重工集团株式会社组建研发团队集智攻关，前后冲破开挖、出渣、支护三年夜要害焦点技能，乐成研发出全世界首台公里级竖井硬岩全断面掘进机。”“钢铁脊梁号”总设计师丁张飞告诉科技日报记者，该设备弥补了1000米以上深度井筒全断面掘进设备的国际空缺，标记着我国霸占世界级竖井施工难题。

巧施斜刃，啃碎深地硬岩

深地空间地质前提繁杂，跟着深度增长地压增年夜，工程设备极易遭受坚硬岩石。破解硬岩不变开挖难题，成为研制“钢铁脊梁号”面对的第一个难关。

工欲善其事，必先利其器。研发团队起首想到的，就是“钢铁脊梁号”最前端“啃硬岩”的刀盘。

钢铁脊梁号

此前，盾构机上的刀盘已经历经各类磨练。团队于盾构机刀盘基础上，针对于竖井开挖的特色，设计出能主动纠偏的锥形布局刀盘，并精心遴选破岩效率高的刀具，决定信念满满地为“钢铁脊梁号”装上了一副“铁齿铜牙”。

然而，于四川攀枝花沿江高速公路透风竖井项目中，当实验机开挖至地下160米摆布时，刀盘“利齿”却遭受异样磨损。

“其时，岩石硬度突增至140兆帕，实验机掘进效率年夜幅降低，原本对于称的刀盘一侧磨损严峻，操作员较着感应呆板‘推不动’了。”“钢铁脊梁号”开挖体系设计师柯威回忆。

团队查抄刀盘装备，发明刀圈偏磨、轴承毁坏。从刀圈偏磨的状况来看，所有人都认为，必需想法减小刀盘开挖侧向力。可是怎样减小，谁也没有好的思绪。

一次次阐发钻研，始终无解，直至有一次各人回到集会室再次脑筋风暴，一名技能员手中把玩的铅笔引起世人激烈会商。“用削铅笔的方式破岩，是否是就能有用削减刀盘偏磨问题？”“如许既能增长刀盘与硬岩的接触面，又能降低滚刀侧向受力。”……团队成员你一言我一语，顿感“柳暗花明”。

“此前，咱们失入了惯性思维误区，认为垂直竖井中装备于程度面开挖时具备最年夜破岩力，是以刀盘通例刀具都与掌子面垂直。”柯威说，“但削铅笔的经验却提示咱们，刀刃贴着铅笔，刃角小了反而更好削，这申明让刀具斜着凿岩，也许破岩力更年夜。”

研发团队于车间会商

颠末一系列计较模仿，于满意刀盘滚刀40毫米安全利用空间状况下，调解滚刀倾角，使其更多气力用在破岩，刀具偏磨环境显著改善，综合受力环境最优。深地硬岩带来的挑战水到渠成。

于此基础上，团队还有立异性地将锥形布局刀盘从V形调解成W形，将聚渣点向双侧挪动，有用保障刀盘中央区不受掘进时孕育发生的碎渣影响，使刀盘连续笔挺向下掘进。

智用龙骨，排出深井废渣

解决开挖难题后，怎样将碎石渣土排出，成为“钢铁脊梁号”面对的第二个难关。“公里深井排渣堪比从300层楼顶无电梯运垃圾，停工清渣误时吃力，必需摸索高效出渣方案。”丁张飞说。

与程度进步的盾构机差别，竖井掘进机是向下挖掘。从程度到竖直，渣土流动标的目的发生了变化。受重力影响，程度渣土往往落于刀盘后方，而竖井渣土永远堵于刀盘最前边。“一个是于扭转刀盘后方取渣，一个是于扭转刀盘前方取渣，难度不成同日而语。”“钢铁脊梁号”出渣体系整体设计师杨楚戈告诉记者。

一最先，团队决议采用直接取渣方案——经由过程于W形刀盘两个低点处设置斗轮机汇集渣土并举行转运。但查阅文献及以往施工案例，发明该方案靠得住性低：斗轮时机增长刀盘动力体系繁杂度，且刀盘空间狭窄，一旦动力受损，装备极易卡死；此外，受制在刀盘内部空间布局，斗轮机垂直提渣高度没法满意转运需求。

直接取渣方案被迫抛却。近半年时间里，团队测验考试多种方案，皆破题乏术、症结难解。

一天午时，几位团队成员前去年夜泽湖湿地公园溜达。浅湾畔古朴的提水浇灌“神器”——龙骨水车，无心间引发了他们的灵感。

装备现场吊装

龙骨水车以木为骨、以链为带，依赖轮回刮板逐级提水的古老道理，将低处水源逐级晋升至高处。“出渣体系也需要从底部将渣输送排出，龙骨水车道理与出渣体系需求不约而合。”杨楚戈说，受龙骨水车开导，团队自立开发了具备近似布局的智能垂直排渣体系，为“钢铁脊梁号”装上了一支深切刀盘的25米排渣运送管。

智能垂直排渣体系出渣效率理论最年夜值120方/每一小时，相称在约10辆通例市政渣土车每一小时运输量，有用解决了“钢铁脊梁号”取渣难题。于智能垂直排渣体系尾端，团队又立异研发出环形接渣装配，实现排渣体系尾部360°无死角收渣并定点转运至储料仓、经由过程箕斗晋升至井口泄渣。

今朝，缭绕公里深井排渣难题，“钢铁脊梁号”已经堆集涵盖刀盘、聚渣、取渣、提渣、送渣5类20多项技能。

悬空托底，浇筑支护模板

开挖及出渣顺遂破局，只差支护难关，“钢铁脊梁号”便可周全买通迈向深地的门路。公里级地下地道往往陪同高地应力及高水压，围岩于开挖后极易孕育发生应力开释。若不和时支护，岩壁挖完就变形，甚至存于坍塌伤害。

为打破公里地下困扰施工的“安全魔咒”，研发团队结合煤炭工业合肥设计院等多家科研单元攻关掘进支护体系。各人针对于现有的“锚网+喷射混凝土”“模板+现浇混凝土”“预制钢板+混凝土”三类支护技能，举行重复实验测算。

“项目组体系阐发三类支护技能的布局情势，对于支护效率、施工便捷性、强度安全性等参数举行再三比对于。”丁张飞先容，“按照综合最优环境，终极敲定‘模板+现浇混凝土’的支护方案。”

但于现实运用中，新的挑战不期所致。“传统钻爆法施工时，模板凡是放置于开挖面上，以竖井底部为支撑浇筑混凝土。但竖井掘进机始终于开挖面事情，模板只能放置于盾体支撑布局上方，且不克不及与掘进机接触。”丁张飞注释，这相称在让模板“悬空砌壁”，很难实现安定支撑。

装备下井

那段时间，团队对于着竖井工况模子冥思苦想、往返推演，为悬空模板寻觅受力支撑点。各人前后推翻多版支撑方案，衡量再三，终究为模板设计出一个专属托底布局。丁张飞先容：“咱们对于竖井刀盘、支撑换步机构、吊盘及晋升体系举行了全新设计及年夜幅度改良，于模板下方增长托底布局，向附近伸出‘数只手’托住现浇混凝土，同时另设悬吊体系提吊模板，该体系与掘进机刀盘等布局彼此自力，让支护与掘进互不滋扰，使模板于掘进机向下掘进历程中连结静止状况，为混凝土提供了凝集情况。”

为提高总体掘进效率，团队一不做二不休，又将模板搭建事情变为主动化功课，于“钢铁脊梁号”盾体后方设置了首例主动液压模板装配。该装配可经由过程地面长途节制，实现支模、脱模、下放等操作全流程主动化，为井下支护功课再上一层“安全锁”。“实验证实，该方案支护强度满意公里深竖井掘进支护要求。”丁张飞说。

如今，“钢铁脊梁号”让深埋地下公里的硬岩、涌水、高危害施工厂景酿成精准可控、高效安全的尺度化功课，为我国深部矿产、地热、地下空间开发提供了焦点设备与技能支撑。

“钢铁脊梁号”车间俯拍

面向将来，丁张飞暗示：“咱们将连续开展公里竖井硬岩全断面掘进机要害技能研究和设备研制，实现‘钢铁脊梁号’更多场景运用，抢占深部地下空间开发范畴的技能制高点，为我国深地战略实行提供硬核支撑。”