4月7日，《科技日報》頭版頭條刊發(fā)深度報道“掘進，朝著地球深處——全球首臺千米級豎井硬巖全斷面掘進機研發(fā)始末”，專題聚焦鐵建重工科技創(chuàng)新。全文如下：

刊載于《科技日報》2026年4月7日第1版。

掘進，朝著地球深處

——全球首臺千米級豎井硬巖全斷面掘進機研發(fā)始末

科技日報記者 孫 瑜

陽春三月，遼寧鞍鋼西鞍山鐵礦項目施工現(xiàn)場一派繁忙。開挖直徑8.1米、重達數(shù)百噸的“鋼鐵脊梁號”宛如一艘“地下航母”，正加速向深地掘進。

深地資源的開發(fā)利用，對拓展人類生存空間具有重大意義。此前，針對千米級硬巖豎井施工，尚無高效可靠的全斷面掘進技術與裝備。

“2021年起，中國鐵建重工集團股份有限公司組建研發(fā)團隊集智攻關，先后突破開挖、出渣、支護三大關鍵核心技術，成功研發(fā)出全球首臺千米級豎井硬巖全斷面掘進機。”“鋼鐵脊梁號”總設計師丁張飛告訴科技日報記者，該裝備填補了1000米以上深度井筒全斷面掘進裝備的國際空白，標志著我國攻克世界級豎井施工難題。

巧施斜刃，啃碎深地硬巖

深地空間地質(zhì)條件復雜，隨著深度增加地壓增大，工程裝備極易遭遇堅硬巖石。破解硬巖穩(wěn)定開挖難題，成為研制“鋼鐵脊梁號”面臨的第一個難關。

工欲善其事，必先利其器。研發(fā)團隊首先想到的，就是“鋼鐵脊梁號”最前端“啃硬巖”的刀盤。

鋼鐵脊梁號。均為企業(yè)供圖

此前，盾構機上的刀盤已歷經(jīng)各種考驗。團隊在盾構機刀盤基礎上，針對豎井開挖的特點，設計出能自動糾偏的錐形結(jié)構刀盤，并精心挑選破巖效率高的刀具，信心滿滿地為“鋼鐵脊梁號”裝上了一副“鐵齒銅牙”。

然而，在四川攀枝花沿江高速公路通風豎井項目中，當試驗機開挖至地下160米左右時，刀盤“利齒”卻遭遇異常磨損。

“當時，巖石硬度突增至140兆帕，試驗機掘進效率從每分鐘10毫米降到每分鐘5毫米，原本對稱的刀盤一側(cè)磨損嚴重，操作員明顯感到機器‘推不動’了?！薄颁撹F脊梁號”開挖系統(tǒng)設計師柯威回憶。

團隊檢查刀盤設備，發(fā)現(xiàn)刀圈偏磨、軸承損壞。從刀圈偏磨的狀態(tài)來看，所有人都認為，必須設法減小刀盤開挖側(cè)向力。但是如何減小，誰也沒有好的思路。

一次次分析研討，始終無解，直至有一次大家回到會議室再次頭腦風暴，一位技術員手中把玩的鉛筆引起眾人激烈討論?！坝孟縻U筆的方式破巖，是不是就能有效減少刀盤偏磨問題？”“這樣既能增加刀盤與硬巖的接觸面，又能降低滾刀側(cè)向受力。”……團隊成員你一言我一語，頓感“柳暗花明”。

“此前，我們掉入了慣性思維誤區(qū)，認為垂直豎井中設備在水平面開挖時具有最大破巖力，因此刀盤常規(guī)刀具都與掌子面垂直?！笨峦f，“但削鉛筆的經(jīng)驗卻提醒我們，刀刃貼著鉛筆，刃角小了反而更好削，這說明讓刀具斜著鑿巖，或許破巖力更大。”

研發(fā)團隊在車間討論。

經(jīng)過一系列計算模擬，在滿足刀盤滾刀40毫米安全使用空間狀態(tài)下，將滾刀傾角減小至15°，刀具偏磨情況顯著改善，綜合受力情況最優(yōu)。深地硬巖帶來的挑戰(zhàn)迎刃而解。

在此基礎上，團隊還創(chuàng)新性地將錐形結(jié)構刀盤從V形調(diào)整成W形，將聚渣點向兩側(cè)移動，有效保障刀盤中心區(qū)不受掘進時產(chǎn)生的碎渣影響，使刀盤持續(xù)筆直向下掘進。

智用龍骨，排出深井廢渣

解決開挖難題后，如何將碎石渣土排出，成為“鋼鐵脊梁號”面臨的第二個難關?！扒咨罹旁氨葟?00層樓頂無電梯運垃圾，停工清渣誤時費力，必須探索高效出渣方案。”丁張飛說。

與水平前進的盾構機不同，豎井掘進機是向下挖掘。從水平到豎直，渣土流動方向發(fā)生了變化。受重力影響，水平渣土往往落在刀盤后方，而豎井渣土永遠堵在刀盤最前邊。“一個是在旋轉(zhuǎn)刀盤后方取渣，一個是在旋轉(zhuǎn)刀盤前方取渣，難度不可同日而語。”“鋼鐵脊梁號”出渣系統(tǒng)總體設計師楊楚戈告訴記者。

一開始，團隊決定采用直接取渣方案——通過在W形刀盤兩個低點處設置斗輪機搜集渣土并進行轉(zhuǎn)運。但查閱文獻和以往施工案例，發(fā)現(xiàn)該方案可靠性低：斗輪機會增加刀盤動力系統(tǒng)復雜度，且刀盤空間狹小，一旦動力受損，設備極易卡死；此外，受制于刀盤內(nèi)部空間結(jié)構，斗輪機垂直提渣高度無法滿足轉(zhuǎn)運需求。

直接取渣方案被迫放棄。近半年時間里，團隊嘗試多種方案，皆破題乏術、癥結(jié)難解。

一天中午，幾位團隊成員前往公司附近大澤湖濕地公園散步。淺灣畔古樸的提水灌溉“神器”——龍骨水車，無意間激發(fā)了他們的靈感。

設備現(xiàn)場吊裝。

龍骨水車以木為骨、以鏈為帶，依靠循環(huán)刮板逐級提水的古老原理，將低處水源逐級提升至高處?！俺鲈到y(tǒng)也需要從底部將渣運送排出，龍骨水車原理與出渣系統(tǒng)需求不謀而合?！睏畛暾f，受龍骨水車啟發(fā)，團隊自主開發(fā)了具有類似結(jié)構的智能垂直排渣系統(tǒng)，為“鋼鐵脊梁號”裝上了一支深入刀盤的25米排渣輸送管。

在實際應用中，智能垂直排渣系統(tǒng)出渣效率達到120方/每小時，相當于約10輛常規(guī)市政渣土車每小時運輸量，有效解決了“鋼鐵脊梁號”取渣難題。在智能垂直排渣系統(tǒng)尾端，團隊又創(chuàng)新研發(fā)出環(huán)形接渣裝置，實現(xiàn)排渣系統(tǒng)尾部360°無死角收渣并定點轉(zhuǎn)運至儲料倉、通過箕斗提升至井口泄渣。

目前，圍繞千米深井排渣難題，“鋼鐵脊梁號”已積累涵蓋刀盤、聚渣、取渣、提渣、送渣5類20多項專利技術。

懸空托底，澆筑支護模板

開挖和出渣順利破局，只差支護難關，“鋼鐵脊梁號”即可全面打通邁向深地的道路。千米級地下隧道往往伴隨高地應力和高水壓，圍巖在開挖后極易產(chǎn)生應力釋放。若不及時支護，巖壁挖完就變形，甚至存在坍塌危險。

為打破千米地下困擾施工的“安全魔咒”，研發(fā)團隊聯(lián)合煤炭工業(yè)合肥設計院等多家科研單位攻關掘進支護系統(tǒng)。大家針對現(xiàn)有的“錨網(wǎng)+噴射混凝土”“模板+現(xiàn)澆混凝土”“預制鋼板+混凝土”三類支護技術，進行反復試驗測算。

“項目組系統(tǒng)分析三類支護技術的結(jié)構形式，對支護效率、施工便捷性、強度安全性等參數(shù)進行再三比對?！倍堬w介紹，“根據(jù)綜合最優(yōu)情況，最終敲定‘模板+現(xiàn)澆混凝土’的支護方案。”

但在實際應用中，新的挑戰(zhàn)不期而至?！皞鹘y(tǒng)鉆爆法施工時，模板通常放置在開挖面上，以豎井底部為支撐澆筑混凝土。但豎井掘進機始終在開挖面工作，模板只能放置在盾體支撐結(jié)構上方，且不能與掘進機接觸?！倍堬w解釋，這相當于讓模板“懸空砌壁”，很難實現(xiàn)穩(wěn)固支撐。

設備下井。

那段時間，團隊對著豎井工況模型冥思苦想、來回推演，為懸空模板尋找受力支撐點。大家先后推翻多版支撐方案，權衡再三，終于為模板設計出一個專屬托底結(jié)構。丁張飛介紹：“我們對豎井刀盤、支撐換步機構、吊盤和提升系統(tǒng)進行了全新設計和大幅度改進，在模板下方增加托底結(jié)構，向四周伸出‘數(shù)只手’托住現(xiàn)澆混凝土，同時另設懸吊系統(tǒng)提吊模板，該系統(tǒng)與掘進機刀盤等結(jié)構相互獨立，讓支護與掘進互不干擾，使模板在掘進機向下掘進過程中保持靜止狀態(tài)，為混凝土提供了凝固環(huán)境?！?/span>

為提高整體掘進效率，團隊一不做二不休，又將模板搭建工作變?yōu)樽詣踊鳂I(yè)，在“鋼鐵脊梁號”盾體后方設置了首例自動液壓模板裝置。該裝置可通過地面遠程控制，實現(xiàn)支模、脫模、下放等操作全流程自動化，為井下支護作業(yè)再上一層“安全鎖”。“試驗證明，該方案支護強度滿足千米深豎井掘進支護要求?！倍堬w說。

如今，“鋼鐵脊梁號”讓深埋地下千米的硬巖、涌水、高風險施工場景變成精準可控、高效安全的標準化作業(yè)，為我國深部礦產(chǎn)、地熱、地下空間開發(fā)提供了核心裝備與技術支撐。

“鋼鐵脊梁號”車間俯拍。

面向未來，丁張飛表示：“我們將持續(xù)開展千米豎井硬巖全斷面掘進機關鍵技術研究及裝備研制，實現(xiàn)‘鋼鐵脊梁號’更多場景應用，搶占深部地下空間開發(fā)領域的技術制高點，為我國深地戰(zhàn)略實施提供硬核支撐?！?/span>

來源 | 科技日報

一審 | 鐘靜

二審 |蔣婷

三審 |馬秀

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