科技日报记者 张晔 通讯员 蒋巍
近日，我国自主研发的世界首台高寒高海拔超大直径硬岩竖向掘进机“首创号”，成功贯通新疆乌尉高速天山胜利隧道2号深竖井，创下高速公路竖井深度、直径、海拔3项世界纪录。
天山胜利隧道是国家“一带一路”重点项目乌尉高速公路的控制性工程，全长22.1公里，是目前世界在建最长高速公路隧道。为解决特长隧道掘进面临的通风难题，确保施工和运营期间的安全作业和空气质量，中交集团项目团队采用“三洞+四竖井”施工方案，在天山胜利隧道顶端开挖四座竖井，开启四处“天窗”作为“呼吸系统”，其中，位于进口端的2号通风竖井设计深度达707米。
目前，传统大直径硬岩竖井掘进施工，国内外普遍采用“伞钻法+上出渣+多扩成井”模式，存在效率低，安全性、环保性差等弊端。天山胜利隧道2号竖井是世界首个采用撑靴式竖向硬岩掘进机钻进直径最大、深度最深的硬岩竖井。地处天山之巅，高寒高海拔，最低气温达零下40摄氏度，海拔3660米，岩石强度最高超过200兆帕。为此，中交天和机械设备制造有限公司创新研制全球首台高寒高海拔超大超深竖井掘进装备“首创号”，有效解决了极端条件下深层地下掘进施工的技术难题。
为满足现代超大硬岩竖井掘进建设的机械化、自动化、智能化要求，“首创号”首次将TBM破岩石工艺与传统钻井完美结合，采用掘、排、支相结合的全新钻井工艺，避免传统钻爆法对岩石的扰动，将作业人员从恶劣的自然环境中解脱出来，实现井下无人化操作和“一钻成井”；“泥浆+吊桶”相结合的垂直排渣技术和下排渣，有效避免了扬尘等对天山自然生态敏感区环境造成污染，掘进施工效率、安全性和环保性显著增强。
“首创号”实现了核心部件到整机设计制造的全链条突破。创新研发的多适应性刀盘刀具技术，实现高效破岩和对不同深度地层的强适应性；垂直排渣技术，实现大直径竖井上、下出渣；智能化钻进技术、垂直导向系统，实现对竖井掘进的高精度垂直控制以及地面操作装备和自动化掘进。
掘进施工中，“首创号”开展上、下出渣两种工法的应用验证。中交天和研发的分体式、一体式、加强型等多类型刀具均在掘进现场实现工程化应用，并通过应用分析、改进优化，平均寿命提高数倍。经实践验证，“首创号”多项核心及全球首创技术实现再升级再突破，解决了包括破岩、排渣、刀具耗损严重等多项世界性难题，适用范围更广，掘进速度大幅提升。“首创号”已获国家专利27项，形成标准化施工参数体系，这些创新成果颠覆了传统掘进施工模式，也为我国深地高端工程装备自主化发展奠定了坚实基础。
（中交天和机械设备制造有限公司供图）
