深入地心探索
三月春风送暖，辽宁鞍钢西鞍山铁矿工程现场机声隆隆，作业正如火如荼。一台直径8.1米、重数百吨的全断面掘进机“钢铁脊梁号”推进地下，像庞大的“地底航母”一般，奋力开挖深层空间。
开发利用深地资源对于拓展人类活动空间意义重大。过去，面对千米深度的硬岩竖井，始终缺乏高效且稳定的全断面掘进技术与装备。
自2021年起，中国铁建重工集团股份有限公司组织研发团队合力攻坚，历经多轮技术突破，先后解决了开挖、出渣、支护三大技术瓶颈，全球首台千米级竖井硬岩全断面掘进机正式问世。“钢铁脊梁号”总设计师丁张飞在接受科技日报采访时表示，这套设备填补了全球深井掘进装备的技术空白，标志着中国攻克了世界级竖井施工难题。
创新刀盘设计，轻松破岩
深地掘进面对地压升高和复杂地质条件，尤其是坚硬岩石，对设备提出严峻考验。攻克硬岩稳定开挖成了研发“钢铁脊梁号”首要难题。
好设备是工程顺利的前提。研发团队最先着手改造掘进机前端负责破岩的刀盘。
盾构机刀盘曾经历经各种工况考验。团队在此基础上，为竖井施工设计了可自动调整方向的锥形刀盘，同时精选高效破岩刀具，加强“钢铁脊梁号”的“咬合能力”。
不过在四川攀枝花沿江高速公路通风竖井实验中，试验机掘进到160米深处时，刀盘出现异常磨损。
“当时岩石硬度飙升至140兆帕，掘进速度从每分钟10毫米降为5毫米，刀盘一侧磨损明显，操作员都感觉机器‘推不动’了”，柯威——掘进系统设计师——对那次经历记忆犹新。
检测后发现刀圈偏磨、轴承损坏。现场分析一致认为必须降低刀盘开挖时的侧向力，但具体该怎么做，没有头绪。
团队连续多次讨论无果，直到某次头脑风暴时，技术员用铅笔演示削铅笔的方法，引发灵感。“如果用削铅笔的方式破岩，也许能减少刀盘偏磨。刀具斜着凿岩，不仅增大接触面，还能缓解侧向力。”一番讨论后，大家感觉找到了突破口。
以往刀具总是与岩面垂直，受惯性思维影响未曾考虑斜角。借鉴铅笔削削的经验，团队尝试将滚刀倾角降至15°。经模拟计算，刀具磨损明显缓解，受力最佳，深地硬岩的考验迎刃而解。
团队还进一步把锥形刀盘由V型调整为W型，将聚渣点移至两侧，避免碎渣影响刀盘中心区，保障掘进机笔直下行。
智能排渣，通畅深井运输
解决了破岩难题，排出岩屑和渣土却成了新挑战。“在千米深井内排渣，就像从300层楼运垃圾下楼，依靠停工清理效率低下，必须探索高效出渣办法。”丁张飞说。
盾构机一般向水平推进，竖井掘进机则垂直向下，渣土的流动方向完全不同。水平掘进渣土通常堆在刀盘后方，竖井掘进则总是堵在刀盘前端。“取渣位置不同，难度差距很大。”出渣系统总体设计师杨楚戈介绍。
起初团队试用直接取渣方案，在刀盘低点安置斗轮机收集转运渣土。但查阅大量案例发现，此方案容易造成动力系统复杂、空间狭小、设备卡死，斗轮机提渣高度也不足，难以满足需求。
直接取渣方案被弃，团队半年内尝试多种方法都难见成效。
某次中午，团队成员在大泽湖公园散步，看见龙骨水车激发新思路。
龙骨水车利用简易刮板逐步提水至高处，这一原理与排渣系统需求一拍即合。杨楚戈介绍，参考龙骨水车结构，团队研发出智能垂直排渣系统，为“钢铁脊梁号”装配了一条25米深入刀盘的排渣输送管道。
实际应用中，智能垂直排渣系统每小时效率达120方，相当于10辆市政渣土车运量，有效解决排渣难题。系统尾部还增设环形接渣装置，实现360°无死角收集并定点转运至储料仓，通过提升设备将渣运至井口。
到目前为止，“钢铁脊梁号”围绕深井排渣已集成包括刀盘、聚渣、取渣、提渣、送渣在内的20项专利技术。
悬空支护，稳固深井结构
开挖和排渣问题解决后，剩下的就是支护——“钢铁脊梁号”能否顺利进军深地，就看如何应对巨大地应力和水压。若支护不到位，开挖后岩壁有变形甚至坍塌风险。
为破解地下安全难题，研发团队联合多家科研机构，针对已有的“锚网+喷射混凝土”“模板+现浇混凝土”“预制钢板+混凝土”三种支护方式反复试验。
项目组综合分析各方案的效率、便捷性和安全性能，多轮比对后最终选择“模板+现浇混凝土”作为支护策略。
但实际操作中，新的挑战出现。传统钻爆法施工中，模板直接放于井底支撑混凝土，而竖井掘进机始终处于开挖面作业，模板只能放在盾体结构上方，与掘进机互不接触，意味着模板要“悬空砌壁”，难以稳定支撑。
团队对模型反复推演和修改，为模板设计独特托底结构。丁张飞表示：“我们将刀盘、支撑机构、吊盘和提升系统全面改造，在模板下方加装托底结构，伸展至四周托住混凝土，另设悬吊系统提吊模板，与掘进机结构完全独立，掘进支护互不干扰，为混凝土凝固创造条件。”
为进一步提升掘进效率，团队又将模板搭建工序自动化，在掘进机盾体后端启用首例自动液压模板装置。设备支持地面远程操控，实现支模、脱模、下放全过程自动化，加固井下作业安全。实验显示，该方案完全满足千米深竖井掘进需求。
如今，“钢铁脊梁号”为深埋地下千米的硬岩、高压、恶劣施工环境带来了安全、高效、标准化操作，也为我国深层矿产、地热、地下空间开发提供了重要技术装备。
展望未来，丁张飞表示团队将持续攻关千米竖井硬岩掘进机关键技术，推动“钢铁脊梁号”更多场景应用，为我国深地战略稳步实施贡献力量。
