科创中国

问题背景：

      竖井是人类进入深层地下空间的重要通道，竖井开拓技术是一个国家进行深地资源开采与地下空间开发的关键技术保障。目前，为了缩短工程建设周期及满足通风、物料供应等要求，长距离铁路隧道工程一般采取“长隧短打、多开支洞”的方式进行施工；支洞型式多为斜井，按照10%的坡度计算，平均埋深500m、总长度30km的的隧道所需建设5条以上、单个长度约5km的斜井支洞作为辅助工程，工程量巨大、建设周期长；若能够采用大断面竖井作为支洞，则将大幅度缩短建设工期、降低工程造价，特别是保障长距离深埋铁路山岭隧道安全快速施工意义重大。

      目前，竖井施工工法主要包括钻爆法和钻机法两大类。其中，钻爆法适用于井壁自稳性较好的地层，在无地下水或预先地质加固后，可达到每月一百米左右的施工进尺，技术上较为成熟，但存在施工周期长、安全风险大、作业条件差等不足；钻机法是采用钻机进行全断面或部分断面竖井开挖，钻机类型主要包括天井钻进和竖井钻机两类，均采用钻杆式驱动，最大钻进深度一般不超过500m，断面越大，设备适应性越差、钻进效率越低，且无法实现同步支护；特别是钻机法无法在硬岩地质条件下施工。同时，现有的竖井施工工法在富水地层施工时，均需要地层冻结工艺进行辅助，大幅度增加了施工成本、延长了施工工期。

      近十年来，全断面掘进机法（含盾构法和TBM法）在城市地铁、水利隧洞、公路隧道、城市管廊、铁路隧道、煤矿斜井等隧道工程领域应用广泛，在隧道施工安全、效率、质量及成本等指标方面均得到行业内高度认可，高效破岩、大功率驱动、同步支护、渣料输送、姿态控制等关键技术日益成熟。基于竖井施工领域面临的问题，如果将刀具破岩、全断面掘进、同步支护、同步出渣等掘进机技术进行创新应用，自主研发能够适应复杂多变地层、大深度（1000m以上）、大断面（10m直径）竖井掘进装备，对于变革大断面中深竖井建井方式、大幅提升长距离深埋隧道工程建设效率、推动我国深埋资源高效开发具有重大意义。

关键突破点：

      目前，国内外在千米级大深度竖井掘进装备研发和应用方面均存在以下困难：

    （1）掘进装备难以适应各种地层、岩性的能力，尤其是有效钻进各种硬岩层的能力；

    （2）掘进装备种类和型式过于单一，主要以钻杆式竖井钻机为主，钻进深度浅，难以满足需求；

    （3）破岩机理、刀具材料、排渣方法、设备可靠性、自动控制等大型竖井钻机的核心技术尚未成熟。须突破的关键点主要有：

一、基础理论与试验类

（1）开挖系统与岩土耦合作用机理

研究不同地层下开挖系统切削机理，构建不同地层下开挖系统刀具载荷预测精准模型，获取刀具磨损机理并建立复杂地层下刀具磨损预测模型；提出地层强适应性刀群布置方法，建立开挖系统非线性动力学模型，揭示开挖系统载荷响应特征，提出开挖系统设计理论方法。

（2）高效输送机理与出渣系统设计理论

基于流态化输送方法，研究渣土输送过程中管道内固-液-气等多相流耦合作用机理，构建输送管道压力损失理论模型。获取不同渣土形式、输送参数、管道结构下的管道磨损机理，搭建不同区域管道磨损预测模型。研究竖直长距离输送方式的管道法兰、支吊架受载特征，建立长距离输送管道动力学响应模型，提出竖直长距离输送管道结构、管道组合、管道布置设计理论方法。

（3）大功率动力系统结构设计及载荷传递规律

针对井下强冲击、大载荷极端工况，设计新型大功率动力传递系统，研究动力系统结构特点，建立传动系统动力学模型并揭示其载荷传递规律，提出动力系统稳定性评价方法，优化传动系统结构。

（4）大尺寸超高压回转密封及散热系统设计

搭建深井极端环境下密封系统模拟测试平台，建立考虑温度、浆液压力等多因素的大尺寸回转密封系统结构模型，揭示密封系统形、性变化规律，提出新型超大尺寸高压回转密封系统设计方法，基于密封系统热流场变化规律，开发一套适用于深井环境的高性能散热系统。

（5）地质与掘进状态精准监测

研究极端环境下地质信息与装备状态在线监测原理，揭示超深、地热、水压及泥浆等多因素耦合干扰下，监测信息精度影响规律，提出极端恶劣环境下高可靠性、高精度信号采集与传输系统设计方法与多传感器优化布局方法，实现地质与深井掘进装备状态在线感知，建立地质与装备状态信息监测大数据平台。

（6）位姿与导向控制技术

研究深井掘进装备极端环境下位姿与导向控制原理，建立支撑-推进-换步系统多约束位姿耦合控制模型与调向控制方法，结合地质监测信息，提出位姿与导向控制方法，最终建立管控一体化信息集成深井掘进装备控制系统。

二、装备研制类

（7）超深钻井装备开挖及出渣系统设计技术

深井掘进过程中存在软土、软硬不均、极硬岩等复杂地层，要求开挖与出渣系统具有各类地层适应能力。掘进不同地层导致装备载荷变化不均，缺乏各类地层载荷设计依据。

（8）超大直径钻井装备高可靠性动力系统运行技术

大直径全断面深井掘进高硬岩地层时，产生强冲击、大负载，使得现有钻井设备动力传递系统无法满足顺利掘进要求；强振动、高地热及高压泥浆环境对动力系统的大尺寸回转密封系统可靠性要求极高，难以实现长寿命、高性能稳健服役。

（9）极端环境下地质实时探测、深井掘进装备状态监控及控制技术

极端环境下，深井掘进装备的状态监测困难、信号传输可靠性低，严重影响成井效率与质量；深井作业过程中尚缺乏装备位姿与导向控制技术，难以实现深井轨迹精准控制。

（10）全断面掘进机深立井施工综合技术

研究采用全断面掘进机进行大深度、远程、无人作业相关配套技术，重点是喂养支护、井壁变形、衬砌技术等。

战略意义：

1．创新研制全地层深竖井掘进装备，为川藏铁路、深埋地下资源高效开发等战略工程实施提供装备与技术保障。

2．革新深井建设施工技术，引领千米级深竖井施工技术发展。

3．抢占深部地下空间开发领域的全球技术制高点。