掘進(jìn),朝著地球深處
——全球首臺(tái)千米級豎井硬巖全斷面掘進(jìn)機(jī)研發(fā)始末
222
訂閱已訂閱已收藏
收藏點(diǎn)擊播報(bào)本文,約
陽春三月,遼寧鞍鋼西鞍山鐵礦項(xiàng)目施工現(xiàn)場一派繁忙。開挖直徑8.1米、重達(dá)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(jìn)。
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(jìn)技術(shù)與裝備。
“2021年起,中國鐵建重工集團(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)千米級豎井硬巖全斷面掘進(jìn)機(jī)?!薄颁撹F脊梁號”總設(shè)計(jì)師丁張飛告訴科技日報(bào)記者,該裝備填補(bǔ)了1000米以上深度井筒全斷面掘進(jìn)裝備的國際空白,標(biāo)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(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”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”最前端“啃硬巖”的刀盤。
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”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(yán)重,操作員明顯感到機(jī)器‘推不動(dòng)’了?!薄颁撹F脊梁號”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(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?!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?!薄瓐F(tuán)隊(duì)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(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?!?/p>
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,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(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”面臨的第二個(gè)難關(guān)?!扒咨罹旁氨葟?00層樓頂無電梯運(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?!薄颁撹F脊梁號”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。
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。“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?!睏畛暾f,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”裝上了一支深入刀盤的25米排渣輸送管。
在實(shí)際應(yīng)用中,智能垂直排渣系統(tǒng)出渣效率達(dá)到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”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°無死角收渣并定點(diǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)至儲(chǔ)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(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”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(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?!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。”
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。”丁張飛解釋,這相當(dāng)于讓模板“懸空砌壁”,很難實(shí)現(xiàn)穩(wěn)固支撐。
那段時(shí)間,團(tuán)隊(duì)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(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?!?/p>
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”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”讓深埋地下千米的硬巖、涌水、高風(fēng)險(xiǎn)施工場景變成精準(zhǔn)可控、高效安全的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè),為我國深部礦產(chǎn)、地?zé)?、地下空間開發(fā)提供了核心裝備與技術(shù)支撐。
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(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’更多場景應(yīng)用,搶占深部地下空間開發(fā)領(lǐng)域的技術(shù)制高點(diǎn),為我國深地戰(zhàn)略實(shí)施提供硬核支撐。”
關(guān)注公眾號:人民網(wǎng)財(cái)經(jīng)
分享讓更多人看到
推薦閱讀
- 財(cái)米油鹽丨最嚴(yán)新規(guī)出臺(tái),手里的充電寶還能用嗎?
- 當(dāng)前,新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革加速演進(jìn),“十五五”規(guī)劃建議將“建設(shè)現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系,鞏固壯大實(shí)體經(jīng)濟(jì)根基”擺在戰(zhàn)略任務(wù)首位。立足“十五五”開局之年的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),即日起,人民網(wǎng)“財(cái)米油鹽”欄目推出“解鎖‘十五五’新機(jī)遇”系列報(bào)道,將鏡頭對準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)一線,以民生視角觸摸發(fā)展脈動(dòng),在煙火氣里探尋經(jīng)濟(jì)底氣,生動(dòng)呈現(xiàn)產(chǎn)業(yè)變革帶給普通人的生活溫度與幸福質(zhì)感?!?/a>
- 業(yè)界:推動(dòng)光儲(chǔ)融合發(fā)展 助力構(gòu)建新型電力系統(tǒng)
- 人民網(wǎng)北京4月4日電 (記者杜燕飛)當(dāng)前,在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)過程中,如何以源網(wǎng)荷儲(chǔ)深度融合為主線,推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)向清潔化、低碳化轉(zhuǎn)型,已成為行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。在日前舉行的2026新能源集成融合發(fā)展研討會(huì)上,與會(huì)嘉賓表示,光伏與儲(chǔ)能深度融合是新能源集成融合發(fā)展的重要突破口,能夠優(yōu)化光伏發(fā)電出力特性,提升與負(fù)荷曲線的匹配程度,進(jìn)一步提升電力系統(tǒng)的含綠量和穩(wěn)定性,助力構(gòu)建新型電力系統(tǒng)?!?/a>
熱門排行
微信掃一掃提供新聞線索


































第一時(shí)間為您推送權(quán)威資訊
報(bào)道全球 傳播中國
關(guān)注人民網(wǎng),傳播正能量