世界最小转弯半径掘进机灵活穿行“地下迷宫”

近日，我国地下工程装备研制取得重大突破：用于山东枣庄山亭抽水蓄能电站地下工程的“墨子号”双护盾硬岩掘进机（TBM）在江苏常熟下线。

由中交天和机械设备制造有限公司自主研制的“墨子号”，实现最小50米半径转弯，打破传统TBM百米半径转弯限制，刷新6米级地下掘进装备技术极限，为深地开发与应用提供了更灵活、更高效的发展路径。

挑战千层酥地层

山东枣庄山亭抽水蓄能电站地下工程，堪称“地下迷宫”。中交天和设计研发院院长靳党鹏介绍，其地层结构犹如千层酥，既有坚硬的石灰岩，也有松软的页岩，还暗藏溶洞、断层和地下水，掘进时稍有不慎就可能遭遇塌方或涌水险情。

地下工程面临的更大挑战是掘进路线曲折复杂。“墨子号”需在3.25公里深层地下，完成高难度“花式走位”——从顶拱中导洞出发，返回上层排水廊道岔口后进入上游排水廊道，沿斜坡一路向下穿越交通洞，再转入尾水隧洞支洞，先后穿越2号、1号尾水隧洞，最终从下水库进出水口“破土而出”。

“这一路需要完成包括60米极限半径在内的多个急转弯，相当于在标准泳池完成U型掉头。”靳党鹏说，复杂的转场路线和极限转弯半径，在全球同类工程中属首次。面对连续急转弯带来的“卡壳”、排渣不畅乃至“迷路”风险，中交天和研发团队为“墨子号”量身打造系统性解决方案，确保在深地空间灵活穿行、精准掘进。

在破岩能力上，“墨子号”的“牙齿”全面升级，边刀加垫块设计配合更强壮的20寸刀盘，使其掘进范围扩大80毫米，硬岩掘进效率显著提升。在灵活性上，装备采用“倒锥形”设计，结合“短护盾”与轻量化后配套系统，整体转向更加自如；推进系统采用V型油缸，如同灵巧关节，确保在狭小空间内转身流畅，避免“磕碰”。

与此同时，掘进机的排渣系统也同步优化：输送带被拆分为多段，配备密集挡边辊轮、深槽托盘与挡带装置，通过加密托辊间距、V型托举结构及可移动接料斗，彻底解决传统装备常见的“漏渣”与跑偏问题。

最核心的是导航定位系统——“墨子号”搭载由全站仪与激光靶组成的高精度导航系统，实时感知机身姿态和掘进位置，结合智能算法精准规划掘进路径，犹如装备“地下北斗”。

伴随智能化、模块化等技术迭代升级，“小转弯半径”掘进技术将成为深地开发和应用的关键支撑。

“精雕细琢”地下空间

传统TBM转弯掘进时，需采用大直径转弯或通过爆破扩大断面。随着地下空间开发不断深入，具备“见缝插针”能力的“小转弯半径”掘进装备正成为基建领域“新宠”。

“以前的掘进装备过于刚性，易导致急转弯时被岩石卡滞，刀盘‘扭头’则易使地层被剧烈剪切，管片拼装面临‘缝隙危机’，渣土系统频现‘肠梗阻’。”中交天和副总经理、总工程师杨辉说。

面对这些难题，早在研制“兴业号”超大直径盾构机过程中，中交天和设计研发院就开发出主动铰接技术，为钢铁巨龙装上“灵巧腰部”，通过液压系统主动调节机身夹角，将强制摩擦转化为可控弯曲。

随着隧道工程建设从“大刀阔斧”走向“精雕细琢”，“小转弯半径”掘进技术不仅解决了特定掘进作业难题，更成为地下空间“二次开发”与“深度利用”的密钥，使隧道能在密集建成区灵活穿行，有效降低拆迁成本，支撑地铁支线、地下物流“毛细血管”互联，在深层管廊、山岭隧道等场景实现精准避障与高效作业。

2021年3月，在被誉为“地质博物馆”的珠海兴业快线项目建设中，“兴业号”成功将超大直径盾构机极限转弯半径自750米大幅降至450米内，且保持该纪录至今。

杨辉介绍，在水利、城市地铁、综合管廊等空间狭小、地质复杂的场景中，掘进装备超小的转弯半径和卓越的灵活性愈加重要。

“墨子号”拥有的小转弯半径掘进能力，不仅可以游刃有余地穿行在深地密集变换区，大幅提升掘进效率，更通过最小占地和环境扰动，最大程度减少对地球生态的影响，体现深地开发与地球生态的友好交融、和谐共生理念。（本报记者 张 晔 通讯员 蒋 巍）

(科技日报)