陽春三月，遼寧鞍鋼西鞍山鐵礦項目施工現場一派繁忙。開挖直徑8.1米、重達數百噸的“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，針對千米級硬岩豎井施工，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，成功研發出全球首台千米級豎井硬岩全斷面掘進機。”“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，啃碎深地硬岩

深地空間地質條件復雜，隨著深度增加地壓增大，工程裝備極易遭遇堅硬岩石。破解硬岩穩定開挖難題，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。研發團隊首先想到的，就是“鋼鐵脊梁號”最前端“啃硬岩”的刀盤。

此前，盾構機上的刀盤已歷經各種考驗。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構刀盤，並精心挑選破岩效率高的刀具，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，岩石硬度突增至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磨損嚴重，操作員明顯感到機器‘推不動’了。”“鋼鐵脊梁號”開挖系統設計師柯威回憶。

團隊檢查刀盤設備，發現刀圈偏磨、軸承損壞。從刀圈偏磨的狀態來看，所有人都認為，必須設法減小刀盤開挖側向力。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。“用削鉛筆的方式破岩，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岩的接觸面，又能降低滾刀側向受力。”……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，認為垂直豎井中設備在水平面開挖時具有最大破岩力，因此刀盤常規刀具都與掌子面垂直。”柯威說，“但削鉛筆的經驗卻提醒我們，刀刃貼著鉛筆，刃角小了反而更好削，這說明讓刀具斜著鑿岩，或許破岩力更大。”

經過一系列計算模擬，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。深地硬岩帶來的挑戰迎刃而解。

在此基礎上，團隊還創新性地將錐形結構刀盤從V形調整成W形，將聚渣點向兩側移動，有效保障刀盤中心區不受掘進時產生的碎渣影響，使刀盤持續筆直向下掘進。

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。“千米深井排渣堪比從300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。“一個是在旋轉刀盤后方取渣，一個是在旋轉刀盤前方取渣，難度不可同日而語。”“鋼鐵脊梁號”出渣系統總體設計師楊楚戈告訴記者。

一開始，團隊決定採用直接取渣方案——通過在W形刀盤兩個低點處設置斗輪機搜集渣土並進行轉運。但查閱文獻和以往施工案例，發現該方案可靠性低：斗輪機會增加刀盤動力系統復雜度，且刀盤空間狹小，一旦動力受損，設備極易卡死﹔此外，受制於刀盤內部空間結構，斗輪機垂直提渣高度無法滿足轉運需求。

直接取渣方案被迫放棄。近半年時間裡，團隊嘗試多種方案，皆破題乏術、症結難解。

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。淺灣畔古朴的提水灌溉“神器”——龍骨水車，無意間激發了他們的靈感。

龍骨水車以木為骨、以鏈為帶，依靠循環刮板逐級提水的古老原理，將低處水源逐級提升至高處。“出渣系統也需要從底部將渣運送排出，龍骨水車原理與出渣系統需求不謀而合。”楊楚戈說，受龍骨水車啟發，團隊自主開發了具有類似結構的智能垂直排渣系統，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，智能垂直排渣系統出渣效率達到120方/每小時，相當於約10輛常規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尾端，團隊又創新研發出環形接渣裝置，實現排渣系統尾部360°無死角收渣並定點轉運至儲料倉、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，隻差支護難關，“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，圍岩在開挖后極易產生應力釋放。若不及時支護，岩壁挖完就變形，甚至存在坍塌危險。

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

“項目組系統分析三類支護技術的結構形式，對支護效率、施工便捷性、強度安全性等參數進行再三比對。”丁張飛介紹，“根據綜合最優情況，最終敲定‘模板+現澆混凝土’的支護方案。”

但在實際應用中，新的挑戰不期而至。“傳統鑽爆法施工時，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構上方，且不能與掘進機接觸。”丁張飛解釋，這相當於讓模板“懸空砌壁”，很難實現穩固支撐。

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，終於為模板設計出一個專屬托底結構。丁張飛介紹：“我們對豎井刀盤、支撐換步機構、吊盤和提升系統進行了全新設計和大幅度改進，在模板下方增加托底結構，向四周伸出‘數隻手’托住現澆混凝土，同時另設懸吊系統提吊模板，該系統與掘進機刀盤等結構相互獨立，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，為混凝土提供了凝固環境。”

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為自動化作業，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，實現支模、脫模、下放等操作全流程自動化，為井下支護作業再上一層“安全鎖”。“試驗証明，該方案支護強度滿足千米深豎井掘進支護要求。”丁張飛說。

如今，“鋼鐵脊梁號”讓深埋地下千米的硬岩、涌水、高風險施工場景變成精准可控、高效安全的標准化作業，為我國深部礦產、地熱、地下空間開發提供了核心裝備與技術支撐。

面向未來，丁張飛表示：“我們將持續開展千米豎井硬岩全斷面掘進機關鍵技術研究及裝備研制，實現‘鋼鐵脊梁號’更多場景應用，搶佔深部地下空間開發領域的技術制高點，為我國深地戰略實施提供硬核支撐。”