全球首台千米级竖井掘进机钢铁脊梁号攻克硬岩施工难题
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近日，一则重磅消息引发广泛关注，该消息来自中国装备制造业。全球首台竖井掘进机“钢铁脊梁号”研发成功，它能够实现千米级深度、硬岩地层全断面掘进。这一突破意义重大，标志着我国在深地空间开发领域掌握了核心装备技术，还解决了长期以来困扰国际工程界的重大施工难题。
瞄准千米深井硬岩挑战
随着人类朝着地球深部去探索，竖井施工所面临的地质条件越发复杂起来，当井深超过千米的时候，岩石硬度跟地压呈指数级增长，传统钻爆法不光效率很低，而且面临着极高的安全风险呢。此前的话，针对千米级硬岩竖井施工，国际上并没有高效可靠的全断面掘进技术与之装备，这变成了制约深部矿产资源、地热能源以及地下空间开发的“卡脖子”难题。
中国铁建重工集团股份有限公司，自2021年起，组建了专项研发团队，对世界级难题发起攻关，经过数年努力，团队在开挖核心技术上取得突破，在出渣核心技术上，也取得突破，在支护核心技术上，同样取得突破，成功研发出“钢铁脊梁号”。该装备总设计师丁张飞，向媒体表示，其问世填补了全球在1000米以上深度井筒全断面掘进装备领域空白。
破解硬岩稳定开挖难题
摆在研发团队面前的第一个棘手难题，是要弄清楚怎样才能让掘进机于极硬岩石里头维持高效且稳定的开挖作业。在最开始的时候，团队以传统盾构机刀盘作为基础，依据竖井垂直开挖所具备的特定特点，设计出了带有自动纠偏功能的锥形结构刀盘，并且挑选了破岩效率高的刀具，给设备配备上了如同“铁齿铜牙”般的工具。
然而，在四川攀枝花那边的沿江高速公路通风竖井项目所进行的实际试验当中，当掘进到地下大概160米的深度时，岩石的硬度一下子增加到了140兆帕，致使设备遭遇到了极为严峻的考验。试验机的掘进效率从每分钟10毫米急剧下降到了5毫米，刀盘的一侧出现了不正常的偏磨情况，操作员明显地感觉到机器“推不动了”。这样的一个挫折使得团队不得不重新去思考破岩的机理。
从“削铅笔”的生活经验那儿获得关键启发，团队察觉到让刀具倾斜凿岩或许比垂直切削更有优势。历经大量计算与模拟，他们把滚刀倾角优化到 15 度，明显改进了刀具偏磨状况。与此同时，团队创造性地把刀盘从 V 形结构改成 W 形，切实保护了刀盘中心区，保证了掘进方向的笔直与稳定。
攻克千米深井排渣难题
对于千米竖井排渣时的难度，工程师将其形容为，从300层摩天大楼楼顶，在没有电梯的情况下运送垃圾。竖井掘进与水平隧道掘进不一样指出，竖井掘进时产生的渣土，始终会堆积在旋转刀盘的最前方，没办法依靠重力自然分离，所以必须要设计出一套全新的主动排渣系统。
在研发的开始阶段，所尝试采用的直接取渣方案，也就是借助于在W形刀盘的较低位置设置斗轮机来收集渣土，经过论证之后，发现存在着可靠性比较低、系统相对复杂、容易出现卡死等极其严重的缺陷。由于受到了中国古代农具“龙骨水车”那种逐级提水原理的启发，团队独立自主地开发出了具有类似结构的智能垂直排渣系统，并且为“钢铁脊梁号”安装了一根深入到刀盘达25米的排渣输送管。
这套创新设计出来的系统，真正呈现出来的效果相当引人注目，它每小时能够达到的出渣效率是一百二十立方米，这一数量等同于大概十辆常规市政用的用来运送渣土车辆的运输量。与此同时，团队在排渣系统的尾部位置，经过创新研究做了出来环形接渣装置 ，达成了三百六十度不存在任何死角的收取渣土功能 ，并且能够把渣土指定转移抵达储料仓 ，最终借助箕斗提升到井口进行泄渣。针对这一困难问题 ，“钢铁脊梁号”已经积累了包含五个操作环节的二十多项专利权能够受到法律保护的技术。
实现悬空自动安全支护
在将开挖以及出渣方面的问题予以解决后，支护变成了打通深地道路的最后一道颇具难度的关卡。传统钻爆法开展施工之际，模板能够直接放置于开挖面上用以进行混凝土浇筑。然而，在采用掘进机工法过程中，模板仅仅能够放置在盾体支撑结构的上方，并且绝对不能与掘进机有所接触，这相当于是要求模板“悬空砌壁”，达成稳固支撑是极为困难的。
该研发团队针对竖井刀盘，做出全新设计，进行大幅改进，针对支撑换步机构，做出全新设计，进行大幅改进，针对吊盘，做出全新设计，进行大幅改进，针对提升系统，做出全新设计，进行大幅改进，他们于模板下方增添托底结构，使其向四周伸展支撑点用以托住现浇混凝土在同一时间另外创设独立的悬吊系统来提吊模板，让支护作业同掘进作业彼此之间不存在干扰，为混凝土凝固营造出稳定环境。
团队把模板搭建工作达成了自动化，原因是要进一步提升整体效率，“钢铁脊梁号”盾体后方布置了第一个自动液压模板装置，这份装置能够透过地面远程施行控制，达成在支模、脱模以及下放等操作方面的全流程自动化，这给井下有着高危性质的作业环境增添了一道关键的，起到保障安全效应的“安全锁”。
深地战略获得硬核支撑
“钢铁脊梁号”成功研发，把深埋地下千米的硬岩施工场景转变，把涌水施工场景转变，把高风险施工场景转变为精准可控、高效安全的标准化作业流程。它为我国深部矿产开发提供了核心装备与技术支撑，为我国地热资源开发提供了核心装备与技术支撑，为我国地下空间利用提供了核心装备与技术支撑，其意义并不亚于地面高端装备的任何一项突破。
丁张飞表明，团队会持续着手千米竖井硬岩全断面掘进机关键技术的研究，以及装置的研制，促使“钢铁脊梁号”在更多复杂场景当中加以应用。其目标在于夺取深部地下空间开发范畴的技术制高点，为我国正在积极推进的深地战略实施给出更为坚实有力的装备保障。
源于四川攀枝花的那个试验项目，直至未来会有的广泛工程应用，这台在全球属于首创的装备，正一步一步把彰显“中国制造”能耐极大的尺寸衡量标准拉扯到一个全新的高度上去。这样一个情况，它不单单是工程装备范畴之内的一次意义显著的升级，更堪称是存在于人类朝着地球深部展开探索这件事上的一种提升作用相当关键的跳跃。
做完这项冲破千米深度地面施工困难阻碍，被称为“国之重器”的事物，你觉得它最应当把哪一个领域当作首要启用方向？——是深度部位矿产资料挖掘、地热能量开拓利用呢，还是城市地下区域构建呢？快来在评论区域留下你的想法，并点击点赞分享此文章让更多人知晓中国厉害科技！
