特稿丨“万花尺”，向城市地下深处掘进

一手按住大齿轮，让它紧贴纸上，一手把笔尖插进小齿轮的孔里，让小齿轮紧贴大齿轮内壁滚动，笔尖就会在纸上画出许多美丽复杂的曲线花纹……这是很多人熟悉的童年玩具——万花尺。

重工领域也有一把“万花尺”，用它在地下“作画”，可有效拓展城市立体空间。

近日，科技日报记者在中信重工掘进装备研究所采访时获悉，由中信重工集团（以下简称中信重工）自主研发制造的直径14米竖井掘进机成套装备，已于今年7月在河南驻马店顺利完成超大直径竖井掘进施工首战，并即将在江苏昆山开辟“第二战场”。

该所所长苗军克告诉记者，这套装备采用世界首创的包络成型掘进技术，以类似“万花尺”的原理作业。

从“无”到“有”

近年来，随着我国城市化进程加快，土地资源日渐稀缺，城市空间需求矛盾越来越突出。面对“停车难”等困扰市民的问题，该怎样向城市要空间？

“小切口，深挖掘”——中信重工给出了这样的答案。

今年7月，由中信重工自主研发制造的直径14米竖井掘进机成套装备在河南驻马店施工首战现场。图片来源：中信重工

在研发竖井掘进机成套装备之初，中信重工团队考虑的最主要应用场景就是地下井筒式车库。井筒式车库像一口深井，占地面积小，但深度能达百米，既节省空间，又能提升城市运行效率。除此之外，竖井掘进机成套装备还可广泛应用于城市地铁竖井、深隧竖井、地下物流竖井、储油储粮竖井等场景，代表了未来城市空间的利用发展趋势。

此前，国内在深井掘进技术方面存在明显短板。传统竖井掘进机体积大且不便运输，安装周期长，无法满足城市竖井快速施工需求；而人工挖掘深度浅，安全性差，且效率低、成本高，施工粉尘也会加剧城市污染。

某国外公司的VSM掘进机首次进入中国，施工全程对外保密，设备配件只换不修，一台二手设备的价格超过7000万元。

关键核心技术受制于人是苗军克的一块“心病”，也是国内重工行业共同的“痛点”。2018年，中信重工率先在国内组建城市地下空间竖井掘进机研发团队，苗军克成为团队带头人。

“我们的技术攻关不是从1.0到1.1，而是从0到1，从‘无’到‘有’。”回忆起研发历程，中信重工掘进及海工装备研究所副所长胡国辉深有感触地说，“国外的技术原理成熟，但已有专利，我们要蹚出一条属于中国人的城市地下空间竖井掘进新路，就要另辟蹊径，寻找别的办法。”

包络成型掘进技术，就是团队想出的好办法。

从“全”到“半”

“形象地说，包络成型掘进技术就像是‘万花尺’。”苗军克向记者介绍，“‘万花尺’通过内外两个齿轮的自转加公转，可以画出很密集、很漂亮的图形；我们以刀具做笔、土地做纸，‘6支笔’同时作画，通过精密的设计和计算，就能共同画出一个整面的大圆形。”

“笔”在“作画”，机器持续向下推进，城市深井挖掘就这样成为可能。

纸上作画简单，地上作画却难。6个“万花尺”一起工作，既自转，又公转，该如何排兵布阵，使其完美配合？

一开始，团队设计了全回转公转驱动系统，然而在建模计算时却发现，全回转设计不仅成本高昂，而且难度大、风险高。评估之后，团队决定推翻此前的设计方案，“调整阵法”，改为半回转公转驱动。

从“全”到“半”，看似容易，实则艰辛。大机器部件众多，牵一发而动全身。对参数逐一修正，对轨迹逐一调整，对零部件逐一审核，从调整到建模测试，从测试到再调整……仅这一项改动，团队就花了两个月时间。

今年7月，由中信重工自主研发制造的直径14米竖井掘进机成套装备在河南驻马店施工首战现场。图片来源：中信重工

即使在各项方案都确定后，团队遇到的问题也并未减少。

“最开始时，我们设计的始发井是5米深，但挖深基坑论证实施比较难，客户要求我们进行‘压降’。”苗军克说，所谓“压降”，就是让设备变“矮”。可设备不是弹簧，想让它变“矮”，就得重新调整设备结构。之前计算的数据、定好的参数都要重新压缩，组装空间、拆卸空间的方案都需要重新制定。这一改，团队又忙了一个月。

2020年底，由中信重工研发的第一台多刀盘包络成型竖井掘进机成套装备正式下线。“进去挖是机器，吐出来是干渣”，该设备广泛适用于软土、卵石、软岩等地层，具有自主知识产权，主要性能参数均居世界前列。

“这是我们引以为傲的科研成果。我们用它在大地上作画，把美丽画进城市深处。”苗军克说。

从“大”到“小”

重型装备，不仅要“大”，当“小”时更要能“小”。

把装备做“小”，是城市竖井掘进技术攻关的关键，也是多刀盘包络成型竖井掘进机成套装备的核心所在。在这一点上，团队下足了“绣花功夫”。

“接到研发任务之初，每一个月我们就会组织一次专家评审，专家们对最新成果提出指导意见，我们拿回去重新修改、设计、论证，一个月后再开会‘交作业’。”苗军克说。

目前，中信重工已拥有Φ6.5米级、Φ14米级、Φ23米级包络成型竖井掘进机成套装备，具备成井直径覆盖6—24米的技术和制造能力。

图为竖井掘进机成套装备在施工现场试掘进时形成的包络线轨迹图。图片来源：中信重工

回忆起研发历程，苗军克感慨万千。当时，团队成员几乎是在“跑步研发”，每人每天至少要比平常多干两个小时，周末只休息一天。大家都铆足了劲儿，一定要早日攻克城市深井掘进难题。

是什么样的理念支撑了团队勇挑重担？

“往大处说，人民对美好生活的向往就是我们的奋斗目标。党的二十大报告提出，要推进新型工业化，加快建设制造强国，这为我们科研工作者指明了方向，也为原创性引领性科技攻关提供了动力。作为中国重型装备领军企业，我们有义务为实现高水平科技自立自强扛起更多担当。”苗军克说，“往小处说，做好眼前的事，设计好每一个零件、每一根管线，脚踏实地搞科研，认真对待每一天，就是我们科研人员能作的小小贡献。”

正是无数个这样的“小小贡献”聚流成海，数不清的“大国重器”才从中涌出，汇成新时代的澎湃巨浪。