问题——千米级硬岩竖井施工长期缺少“成套解” 竖井是深部矿产开发、地下空间利用以及重大工程通风排水体系中的关键通道。与常见的水平隧道不同，竖井掘进往往同时面临“深、硬、险”：深度越大，地压越高，围岩条件更复杂；硬岩强度高、磨蚀性强，掘进系统容易出现偏磨甚至失效；向下掘进使渣土重力作用下长期滞留掌子面，出渣组织更难，安全风险也随之上升。过去很长一段时间，千米级硬岩竖井主要依赖钻爆法或分步机械化施工，效率和安全水平受限，工期与成本波动较大。面向1000米以上井筒施工，行业迫切需要高效、稳定、可复制的全断面掘进成套装备与工法。 原因——地质条件“硬碰硬”，竖向工况改写传统逻辑 研发团队在实践中发现，竖井全断面掘进的难点不只是“设备够不够强”，更在于传统水平掘进经验在竖向工况下难以直接套用。一上，深地硬岩让刀具承受更高冲击载荷与磨损，刀盘受力稍有不均就可能放大为偏磨、轴承损伤等连锁问题；另一方面，出渣方向由“水平后移”变为“竖向前堵”，碎渣容易刀盘前方聚集，取渣空间受限、结构布置更紧凑，任何环节可靠性下降都可能引发停机和卡阻。因此，竖井全断面掘进必须让破岩、排渣、支护三大系统高度协同，形成真正适配竖向工况的整体方案。 影响——装备突破带来“效率、安全、成本”综合优化空间 “钢铁脊梁号”在鞍钢西鞍山铁矿项目持续向深部推进，传递出深地工程装备自主创新的明确信号。业内人士认为，千米级硬岩竖井全断面掘进技术的成熟，将推动竖井施工从“分段、间歇”走向“成套、连续”：一是减少钻爆施工对通风排烟和人员组织的依赖，作业环境更可控；二是通过稳定掘进参数与连续出渣，降低停工清渣和故障维修带来的工期损失；三是机械化、自动化水平提升，有助于降低安全风险，推动深部资源开发从“能下去”转向“下得快、下得稳”。 对策——围绕三大关键环节集成攻关，打通“掘、排、护”链条 据介绍，自2021年起，研发团队围绕竖井硬岩全断面掘进的核心瓶颈组织联合攻关，重点在开挖系统、出渣系统、支护体系三上形成突破。 破岩环节，团队把关键放在刀盘与滚刀受力上。试验阶段，在四川攀枝花沿江高速公路通风竖井项目中，装备掘进至约160米深度时遇到岩石硬度突增，强度接近140兆帕，效率明显下降，并出现刀盘一侧异常磨损、轴承损坏等问题。多轮复盘后，团队将症结锁定为“侧向力过大导致偏磨”，并跳出“刀具必须正对掌子面”的惯性做法，提出类似“削铅笔”的斜刃破岩思路：通过优化滚刀布置与受力方向，在满足安全空间的前提下调整滚刀倾角，让刀具以更合理的方式切入并分配载荷，降低不均衡侧向力。同时，刀盘结构由V形深入优化为W形，将聚渣点向两侧转移，减少碎渣对中心区域的干扰，提升稳定下掘能力，并配合纠偏设计增强竖向掘进姿态控制。 在出渣环节，竖向工况下“渣土长期堵在最前端”是核心难题。团队曾评估在刀盘低点布设斗轮等直接取渣方案，但受限于刀盘内部空间紧凑、动力系统复杂度上升以及可靠性风险，该路线难以满足长期稳定运行要求。最终团队转向更强调连续性和容错性的整体方案：通过前端集渣、导渣与提升转运的联动设计，降低对单一部件“强取强抓”的依赖，提高在高磨蚀、高负荷条件下的可维护性与稳定性。业内认为，这种从“单点取渣”转向“系统排渣”的思路，是竖井全断面掘进走向工程化应用的重要一步。 在支护环节，深井地压与围岩变化要求“掘进与支护”紧密衔接。研发团队围绕同步支护、过程监测与工序衔接进行优化，使开挖后围岩尽快得到有效约束，降低变形与掉块风险，并为长距离连续作业提供更可靠的安全边界。通过开挖、出渣、支护三大系统的协同设计，“钢铁脊梁号”实现了从单机能力到成套工法的整体提升。 前景——从示范应用到规模推广仍需“标准化、工程化、体系化” 当前，深部矿产开发、抽水蓄能、地下储能与城市地下空间建设需求持续增长，千米级竖井的数量与复杂度同步上升。面向未来，竖井全断面掘进装备的推广仍需在三上持续推进：其一，针对不同岩性、含水条件与构造特征建立参数库和工法选型标准，提高跨项目复制能力；其二，提升关键部件寿命与状态感知能力，降低深井长距离作业的维护成本；其三，加强与提升运输、通风排水、井下智能化系统的协同集成，形成面向深地工程的成套解决方案。随着示范工程经验不断积累、产业链协同逐步完善，竖井施工有望进入更高效率、更高安全、扰动更小的新阶段。
从“钢铁脊梁号”的研发历程可以看出，重大技术突破往往来自对关键细节的持续追问，以及对既有路径的重新思考。我国科研团队以工程难题为牵引，打破经验套用的局限，攻克了千米级硬岩竖井全断面掘进该世界级挑战。这不仅表明了我国高端装备制造的技术能力，也为全球深地资源开发提供了可借鉴的“中国方案”。随着深地工程技术持续进步，人类对地下空间的开发利用将迈向更深、更稳、更高效。