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科技日报记者 孙瑜
阳春三月，辽宁鞍钢西鞍山铁矿项目施工现场一派繁忙。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”，正加速向深地掘进。
深地资源的开发利用，对拓展人类生存空间具有重大意义。此前，针对千米级硬岩竖井施工，尚无高效可靠的全断面掘进技术与装备。
“2021年起，中国铁建重工集团股份有限公司组建研发团队集智攻关，先后突破开挖、出渣、支护三大关键核心技术，成功研发出全球首台千米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，该装备填补了1000米以上深度井筒全断面掘进装备的国际空白，标志着我国攻克世界级竖井施工难题。
巧施斜刃，啃碎深地硬岩
深地空间地质条件复杂，随着深度增加地压增大，工程装备极易遭遇坚硬岩石。破解硬岩稳定开挖难题，成为研制“钢铁脊梁号”面临的第一个难关。
工欲善其事，必先利其器。研发团队首先想到的，就是“钢铁脊梁号”最前端“啃硬岩”的刀盘。
此前，盾构机上的刀盘已历经各种考验。团队在盾构机刀盘基础上，针对竖井开挖的特点，设计出能自动纠偏的锥形结构刀盘，并精心挑选破岩效率高的刀具，信心满满地为“钢铁脊梁号”装上了一副“铁齿铜牙”。
然而，在四川攀枝花沿江高速公路通风竖井项目中，当试验机开挖至地下160米左右时，刀盘“利齿”却遭遇异常磨损。
“当时，岩石硬度突增至140兆帕，试验机掘进效率从每分钟10毫米降到每分钟5毫米，原本对称的刀盘一侧磨损严重，操作员明显感到机器‘推不动’了。”“钢铁脊梁号”开挖系统设计师柯威回忆。
团队检查刀盘设备，发现刀圈偏磨、轴承损坏。从刀圈偏磨的状态来看，所有人都认为，必须设法减小刀盘开挖侧向力。但是如何减小，谁也没有好的思路。
一次次分析研讨，始终无解，直至有一次大家回到会议室再次头脑风暴，一位技术员手中把玩的铅笔引起众人激烈讨论。“用削铅笔的方式破岩，是不是就能有效减少刀盘偏磨问题？”“这样既能增加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，我们掉入了惯性思维误区，认为垂直竖井中设备在水平面开挖时具有最大破岩力，因此刀盘常规刀具都与掌子面垂直。”柯威说，“但削铅笔的经验却提醒我们，刀刃贴着铅笔，刃角小了反而更好削，这说明让刀具斜着凿岩，或许破岩力更大。”
经过一系列计算模拟，在满足刀盘滚刀40毫米安全使用空间状态下，将滚刀倾角减小至15°，刀具偏磨情况显著改善，综合受力情况最优。深地硬岩带来的挑战迎刃而解。
在此基础上，团队还创新性地将锥形结构刀盘从V形调整成W形，将聚渣点向两侧移动，有效保障刀盘中心区不受掘进时产生的碎渣影响，使刀盘持续笔直向下掘进。
智用龙骨，排出深井废渣
解决开挖难题后，如何将碎石渣土排出，成为“钢铁脊梁号”面临的第二个难关。“千米深井排渣堪比从300层楼顶无电梯运垃圾，停工清渣误时费力，必须探索高效出渣方案。”丁张飞说。
与水平前进的盾构机不同，竖井掘进机是向下挖掘。从水平到竖直，渣土流动方向发生了变化。受重力影响，水平渣土往往落在刀盘后方，而竖井渣土永远堵在刀盘最前边。“一个是在旋转刀盘后方取渣，一个是在旋转刀盘前方取渣，难度不可同日而语。”“钢铁脊梁号”出渣系统总体设计师杨楚戈告诉记者。
一开始，团队决定采用直接取渣方案——通过在W形刀盘两个低点处设置斗轮机搜集渣土并进行转运。但查阅文献和以往施工案例，发现该方案可靠性低：斗轮机会增加刀盘动力系统复杂度，且刀盘空间狭小，一旦动力受损，设备极易卡死；此外，受制于刀盘内部空间结构，斗轮机垂直提渣高度无法满足转运需求。
直接取渣方案被迫放弃。近半年时间里，团队尝试多种方案，皆破题乏术、症结难解。
一天中午，几位团队成员前往公司附近大泽湖湿地公园散步。浅湾畔古朴的提水灌溉“神器”——龙骨水车，无意间激发了他们的灵感。
龙骨水车以木为骨、以链为带，依靠循环刮板逐级提水的古老原理，将低处水源逐级提升至高处。“出渣系统也需要从底部将渣运送排出，龙骨水车原理与出渣系统需求不谋而合。”杨楚戈说，受龙骨水车启发，团队自主开发了具有类似结构的智能垂直排渣系统，为“钢铁脊梁号”装上了一支深入刀盘的25米排渣输送管。
在实际应用中，智能垂直排渣系统出渣效率达到120方/每小时，相当于约10辆常规市政渣土车每小时运输量，有效解决了“钢铁脊梁号”取渣难题。在智能垂直排渣系统尾端，团队又创新研发出环形接渣装置，实现排渣系统尾部360°无死角收渣并定点转运至储料仓、通过箕斗提升至井口泄渣。
目前，围绕千米深井排渣难题，“钢铁脊梁号”已积累涵盖刀盘、聚渣、取渣、提渣、送渣5类20多项专利技术。
悬空托底，浇筑支护模板
开挖和出渣顺利破局，只差支护难关，“钢铁脊梁号”即可全面打通迈向深地的道路。千米级地下隧道往往伴随高地应力和高水压，围岩在开挖后极易产生应力释放。若不及时支护，岩壁挖完就变形，甚至存在坍塌危险。
为打破千米地下困扰施工的“安全魔咒”，研发团队联合煤炭工业合肥设计院等多家科研单位攻关掘进支护系统。大家针对现有的“锚网+喷射混凝土”“模板+现浇混凝土”“预制钢板+混凝土”三类支护技术，进行反复试验测算。
“项目组系统分析三类支护技术的结构形式，对支护效率、施工便捷性、强度安全性等参数进行再三比对。”丁张飞介绍，“根据综合最优情况，最终敲定‘模板+现浇混凝土’的支护方案。”
但在实际应用中，新的挑战不期而至。“传统钻爆法施工时，模板通常放置在开挖面上，以竖井底部为支撑浇筑混凝土。但竖井掘进机始终在开挖面工作，模板只能放置在盾体支撑结构上方，且不能与掘进机接触。”丁张飞解释，这相当于让模板“悬空砌壁”，很难实现稳固支撑。
那段时间，团队对着竖井工况模型冥思苦想、来回推演，为悬空模板寻找受力支撑点。大家先后推翻多版支撑方案，权衡再三，终于为模板设计出一个专属托底结构。丁张飞介绍：“我们对竖井刀盘、支撑换步机构、吊盘和提升系统进行了全新设计和大幅度改进，在模板下方增加托底结构，向四周伸出‘数只手’托住现浇混凝土，同时另设悬吊系统提吊模板，该系统与掘进机刀盘等结构相互独立，让支护与掘进互不干扰，使模板在掘进机向下掘进过程中保持静止状态，为混凝土提供了凝固环境。”
为提高整体掘进效率，团队一不做二不休，又将模板搭建工作变为自动化作业，在“钢铁脊梁号”盾体后方设置了首例自动液压模板装置。该装置可通过地面远程控制，实现支模、脱模、下放等操作全流程自动化，为井下支护作业再上一层“安全锁”。“试验证明，该方案支护强度满足千米深竖井掘进支护要求。”丁张飞说。
如今，“钢铁脊梁号”让深埋地下千米的硬岩、涌水、高风险施工场景变成精准可控、高效安全的标准化作业，为我国深部矿产、地热、地下空间开发提供了核心装备与技术支撑。
面向未来，丁张飞表示：“我们将持续开展千米竖井硬岩全断面掘进机关键技术研究及装备研制，实现‘钢铁脊梁号’更多场景应用，抢占深部地下空间开发领域的技术制高点，为我国深地战略实施提供硬核支撑。”
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