4月7日，《科技日?qǐng)?bào)》頭版頭條刊發(fā)深度報(bào)道“掘進(jìn)，朝著地球深處——全球首臺(tái)千米級(jí)豎井硬巖全斷面掘進(jìn)機(jī)研發(fā)始末”，專題聚焦中國(guó)鐵建科技創(chuàng)新。全文如下：

掘進(jìn)，朝著地球深處

——全球首臺(tái)千米級(jí)豎井硬巖全斷面掘進(jìn)機(jī)研發(fā)始末

【創(chuàng)新故事】

◎本報(bào)記者 孫瑜

陽(yáng)春三月，遼寧鞍鋼西鞍山鐵礦項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)一派繁忙。開挖直徑8.1米、重達(dá)數(shù)百噸的“鋼鐵脊梁號(hào)”宛如一艘“地下航母”，正加速向深地掘進(jìn)。

深地資源的開發(fā)利用，對(duì)拓展人類生存空間具有重大意義。此前，針對(duì)千米級(jí)硬巖豎井施工，尚無(wú)高效可靠的全斷面掘進(jìn)技術(shù)與裝備。

短視頻《地心快遞：“鋼鐵脊梁號(hào)”深地漫游》

“2021年起，中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司組建研發(fā)團(tuán)隊(duì)集智攻關(guān)，先后突破開挖、出渣、支護(hù)三大關(guān)鍵核心技術(shù)，成功研發(fā)出全球首臺(tái)千米級(jí)豎井硬巖全斷面掘進(jìn)機(jī)。”“鋼鐵脊梁號(hào)”總設(shè)計(jì)師丁張飛告訴科技日?qǐng)?bào)記者，該裝備填補(bǔ)了1000米以上深度井筒全斷面掘進(jìn)裝備的國(guó)際空白，標(biāo)志著我國(guó)攻克世界級(jí)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(fù)雜，隨著深度增加地壓增大，工程裝備極易遭遇堅(jiān)硬巖石。破解硬巖穩(wěn)定開挖難題，成為研制“鋼鐵脊梁號(hào)”面臨的第一個(gè)難關(guān)。

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

鋼鐵脊梁號(hào)

此前，盾構(gòu)機(jī)上的刀盤已歷經(jīng)各種考驗(yàn)。團(tuán)隊(duì)在盾構(gòu)機(jī)刀盤基礎(chǔ)上，針對(duì)豎井開挖的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出能自動(dòng)糾偏的錐形結(jié)構(gòu)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(hào)”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(fēng)豎井項(xiàng)目中，當(dāng)試驗(yàn)機(jī)開挖至地下160米左右時(shí)，刀盤“利齒”卻遭遇異常磨損。

“當(dāng)時(shí)，巖石硬度突增至140兆帕，試驗(yàn)機(jī)掘進(jìn)效率大幅降低，原本對(duì)稱的刀盤一側(cè)磨損嚴(yán)重，操作員明顯感到機(jī)器‘推不動(dòng)’了。”“鋼鐵脊梁號(hào)”開挖系統(tǒng)設(shè)計(jì)師柯威回憶。

團(tuán)隊(duì)檢查刀盤設(shè)備，發(fā)現(xiàn)刀圈偏磨、軸承損壞。從刀圈偏磨的狀態(tài)來(lái)看，所有人都認(rèn)為，必須設(shè)法減小刀盤開挖側(cè)向力。但是如何減小，誰(shuí)也沒有好的思路。

一次次分析研討，始終無(wú)解，直至有一次大家回到會(huì)議室再次頭腦風(fēng)暴，一位技術(shù)員手中把玩的鉛筆引起眾人激烈討論。“用削鉛筆的方式破巖，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?！薄瓐F(tuán)隊(duì)成員你一言我一語(yǔ)，頓感“柳暗花明”。

“此前，我們掉入了慣性思維誤區(qū)，認(rèn)為垂直豎井中設(shè)備在水平面開挖時(shí)具有最大破巖力，因此刀盤常規(guī)刀具都與掌子面垂直。”柯威說，“但削鉛筆的經(jīng)驗(yàn)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?！?/span>

研發(fā)團(tuán)隊(duì)在車間討論

經(jīng)過一系列計(jì)算模擬，在滿足刀盤滾刀40毫米安全使用空間狀態(tài)下，調(diào)整滾刀傾角，使其更多力量用于破巖，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(lái)的挑戰(zhàn)迎刃而解。

在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)新性地將錐形結(jié)構(gòu)刀盤從V形調(diào)整成W形，將聚渣點(diǎn)向兩側(cè)移動(dòng)，有效保障刀盤中心區(qū)不受掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的碎渣影響，使刀盤持續(xù)筆直向下掘進(jìn)。

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(hào)”面臨的第二個(gè)難關(guān)?！扒咨罹旁氨葟?00層樓頂無(wú)電梯運(yùn)垃圾，停工清渣誤時(shí)費(fèi)力，必須探索高效出渣方案。”丁張飛說。

與水平前進(jìn)的盾構(gòu)機(jī)不同，豎井掘進(jìn)機(jī)是向下挖掘。從水平到豎直，渣土流動(dòng)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(yuǎn)堵在刀盤最前邊。“一個(gè)是在旋轉(zhuǎn)刀盤后方取渣，一個(gè)是在旋轉(zhuǎn)刀盤前方取渣，難度不可同日而語(yǔ)?！薄颁撹F脊梁號(hào)”出渣系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)師楊楚戈告訴記者。

一開始，團(tuán)隊(duì)決定采用直接取渣方案——通過在W形刀盤兩個(gè)低點(diǎn)處設(shè)置斗輪機(jī)搜集渣土并進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。但查閱文獻(xiàn)和以往施工案例，發(fā)現(xiàn)該方案可靠性低：斗輪機(jī)會(huì)增加刀盤動(dòng)力系統(tǒng)復(fù)雜度，且刀盤空間狹小，一旦動(dòng)力受損，設(shè)備極易卡死；此外，受制于刀盤內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，斗輪機(jī)垂直提渣高度無(wú)法滿足轉(zhuǎn)運(yùn)需求。

直接取渣方案被迫放棄。近半年時(shí)間里，團(tuán)隊(duì)嘗試多種方案，皆破題乏術(shù)、癥結(jié)難解。

一天中午，幾位團(tuán)隊(duì)成員前往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(wú)意間激發(fā)了他們的靈感。

設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)吊裝

龍骨水車以木為骨、以鏈為帶，依靠循環(huán)刮板逐級(jí)提水的古老原理，將低處水源逐級(jí)提升至高處。“出渣系統(tǒng)也需要從底部將渣運(yùn)送排出，龍骨水車原理與出渣系統(tǒng)需求不謀而合。”楊楚戈說，受龍骨水車啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)了具有類似結(jié)構(gòu)的智能垂直排渣系統(tǒng)，為“鋼鐵脊梁號(hào)”裝上了一支深入刀盤的25米排渣輸送管。

智能垂直排渣系統(tǒng)出渣效率理論最大值120方/每小時(shí)，相當(dāng)于約10輛常規(guī)市政渣土車每小時(shí)運(yùn)輸量，有效解決了“鋼鐵脊梁號(hào)”取渣難題。在智能垂直排渣系統(tǒng)尾端，團(tuán)隊(duì)又創(chuàng)新研發(fā)出環(huán)形接渣裝置，實(shí)現(xiàn)排渣系統(tǒng)尾部360°無(wú)死角收渣并定點(diǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)至儲(chǔ)料倉(cāng)、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(hào)”已積累涵蓋刀盤、聚渣、取渣、提渣、送渣5類20多項(xiàng)專利技術(shù)。

懸空托底，澆筑支護(hù)模板

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

為打破千米地下困擾施工的“安全魔咒”，研發(fā)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合煤炭工業(yè)合肥設(shè)計(jì)院等多家科研單位攻關(guān)掘進(jìn)支護(hù)系統(tǒng)。大家針對(duì)現(xiàn)有的“錨網(wǎng)+噴射混凝土”“模板+現(xiàn)澆混凝土”“預(yù)制鋼板+混凝土”三類支護(hù)技術(shù)，進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)測(cè)算。

“項(xiàng)目組系統(tǒng)分析三類支護(hù)技術(shù)的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)支護(hù)效率、施工便捷性、強(qiáng)度安全性等參數(shù)進(jìn)行再三比對(duì)?！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(hù)方案?！?/span>

但在實(shí)際應(yīng)用中，新的挑戰(zhàn)不期而至。“傳統(tǒng)鉆爆法施工時(shí)，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(jìn)機(jī)始終在開挖面工作，模板只能放置在盾體支撐結(jié)構(gòu)上方，且不能與掘進(jìn)機(jī)接觸?！倍堬w解釋，這相當(dāng)于讓模板“懸空砌壁”，很難實(shí)現(xiàn)穩(wěn)固支撐。

設(shè)備下井

那段時(shí)間，團(tuán)隊(duì)對(duì)著豎井工況模型冥思苦想、來(lái)回推演，為懸空模板尋找受力支撐點(diǎn)。大家先后推翻多版支撐方案，權(quán)衡再三，終于為模板設(shè)計(jì)出一個(gè)專屬托底結(jié)構(gòu)。丁張飛介紹：“我們對(duì)豎井刀盤、支撐換步機(jī)構(gòu)、吊盤和提升系統(tǒng)進(jìn)行了全新設(shè)計(jì)和大幅度改進(jìn)，在模板下方增加托底結(jié)構(gòu)，向四周伸出‘?dāng)?shù)只手’托住現(xiàn)澆混凝土，同時(shí)另設(shè)懸吊系統(tǒng)提吊模板，該系統(tǒng)與掘進(jìn)機(jī)刀盤等結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立，讓支護(hù)與掘進(jìn)互不干擾，使模板在掘進(jìn)機(jī)向下掘進(jìn)過程中保持靜止?fàn)顟B(tài)，為混凝土提供了凝固環(huán)境?！?/span>

為提高整體掘進(jìn)效率，團(tuán)隊(duì)一不做二不休，又將模板搭建工作變?yōu)樽詣?dòng)化作業(yè)，在“鋼鐵脊梁號(hào)”盾體后方設(shè)置了首例自動(dòng)液壓模板裝置。該裝置可通過地面遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)支模、脫模、下放等操作全流程自動(dòng)化，為井下支護(hù)作業(yè)再上一層“安全鎖”?！霸囼?yàn)證明，該方案支護(hù)強(qiáng)度滿足千米深豎井掘進(jìn)支護(hù)要求?！倍堬w說。

如今，“鋼鐵脊梁號(hào)”讓深埋地下千米的硬巖、涌水、高風(fēng)險(xiǎn)施工場(chǎng)景變成精準(zhǔn)可控、高效安全的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，為我國(guó)深部礦產(chǎn)、地?zé)帷⒌叵驴臻g開發(fā)提供了核心裝備與技術(shù)支撐。

“鋼鐵脊梁號(hào)”車間俯拍

面向未來(lái)，丁張飛表示：“我們將持續(xù)開展千米豎井硬巖全斷面掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究及裝備研制，實(shí)現(xiàn)‘鋼鐵脊梁號(hào)’更多場(chǎng)景應(yīng)用，搶占深部地下空間開發(fā)領(lǐng)域的技術(shù)制高點(diǎn)，為我國(guó)深地戰(zhàn)略實(shí)施提供硬核支撐?！?/span>

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