世界最大直径竖井掘进机“启明号”成功下线。受访单位供图
2025年5月，习近平总书记在河南考察时强调，现代制造业离不开科技赋能，要大力加强技术攻关，走自主创新的发展路子。
24米可以是一栋8层建筑的高度，也可以是3辆公交车首尾相连的长度，这就是“启明号”的最大开挖直径。
“启明号”是中铁工程装备集团有限公司（以下简称“中铁装备”）与中铁隧道局集团有限公司联合研制的世界最大直径竖井掘进机。9月26日，该装备在河南省郑州市成功下线，之后前往崇太长江隧道施工现场，目前已顺利抵达“工位”，正处于组装调试阶段，预计2026年元旦后正式始发。
竖井掘进机是专门用于垂直向下挖掘的大型工程装备，它就像一个集掘进、支护、出渣、井壁拼装、渣土分离等功能于一体的“超级钻头”，成为深地工程、地下停车场、地下空间开发的掘进利器。与同类型装备相比，“启明号”开挖面积大，最大开挖深度可达150米，是一位妥妥的“优等生”。培养这样一位“优等生”有哪些秘诀？近日，记者对话“启明号”项目负责人，了解研发设计背后的故事。
直面“痛点”，算好安全效率成本“三笔账”
沪渝蓉高铁是中国“八纵八横”高速铁路网中“沿江通道”的重要组成部分，其控制性“咽喉”工程——崇太长江隧道项目，是我国目前建设标准最高、掘进距离最长、规模最大的世界级高铁越江隧道工程。“启明号”的任务是通过接收井，快速回收“穿越”长江的巨型盾构机，确保其能够安全“归队”。
完成这项任务必须与时间赛跑，但要攻克的，远不止速度这一难题。
待“接收”的盾构机刀盘直径达15.4米。从技术层面看，这样的竖井开挖并非“无法完成的任务”，传统掘进工艺完全能够应对。但在“启明号”项目负责人、中铁装备掘进机研究院特种装备分院副院长齐志冲眼中，“能用”绝不等于“好用”。
传统掘进工艺就像“搭积木挖洞”，是一种在预制沉井刃脚与井壁掩护下，通过边挖土、边下沉、边接长井壁的方式，穿过不稳定含水层至基岩的施工方法。掘进过程中，需要预先进行地基处理，由人工与机械协作配合，沿着竖井周边做一圈支护，宽度为开挖直径的1.5倍，施工效率难以保证。
“启明号”施工剖面效果图。 受访单位供图
“效率低还是其次，安全风险才是我们最先考虑的。”齐志冲说，传统掘进工艺需要将工作人员吊挂入井中与机械臂一同作业，存在一定安全风险。这一“痛点”也成为“启明号”研发设计需要解决的课题。
记者了解到，研发团队瞄准竖井掘进“看不见、摸不着、测不准、控不住”的技术难题，为“启明号”搭载姿态调整、沉降控制等多项自主创新技术，以此实现“有人值守、无人操作”的高效掘进，不仅有效消除了人员在竖井开挖高危作业环境中的安全隐患，还从根本上提升了竖井施工的效率和质量。
除此之外，他们为“启明号”配备了一双“巧手”，让竖井开挖快准稳。该装备创新采用双臂结构，可同步进行开挖、出渣、支护操作，避免了各道工序间的衔接等待，从而大幅提升施工连贯性。同时，配合主驱动、支腿撑紧等系统模块，可以轻松应对超大断面作业时的受力不均问题，有效保障24米超大断面开挖时的装备稳定性。
“安全、效率、成本环环相扣，任何面向工程现场的研发，都要算好这‘三笔账’。”齐志冲告诉记者，正是先算明白了安全账和效率账，进一步缩减了人力成本和施工周期，从而带动了工程造价的降低。据估算，接收井施工效率将较传统掘进工艺提升3倍。
精益求精，反复打磨直至找到最优解
“启明号”一经亮相，便稳稳摘下世界最大直径竖井掘进机的“桂冠”。但聚光灯背后那些日夜攻坚的艰辛，研发团队体会最为深切。
“作为科研工作者，我们不能困在固有思维里，必须盯着工程现场的实际需求，反复打磨直到找到最优解。”齐志冲说。
找寻“最优解”，是在“技术原理可行”与“实际应用可靠”之间寻找平衡。
以24米掘进断面为例，这是一般竖井掘进装备的2倍。“从理论上看，延长机械臂或是采用多刀盘联动设计，都能实现‘挖得更大’的目标。”齐志冲解释说，但具体到实际施工中，结构受力平衡、装备自重控制、现场操作便捷性、后期检修维护等一系列问题就会集中凸显。
原理与应用间的“鸿沟”，考验着团队的耐心与智慧，难以计数的仿真模拟迭代、上百处设计细节的调整，已成为研发日常。
最终，经过数百个日夜的“磨合”，团队成功攻克双臂结构开发、高效出渣、精准交会等核心技术难题，使“启明号”既守住了24米超大直径的核心优势，又具备了稳定可靠的实战能力。
找寻“最优解”，也是科研工作严谨细致、精益求精的彰显。
沪渝蓉高铁崇太长江隧道项目施工现场，“启明号”竖井掘进机正在组装。受访单位供图
“启明号”是研发团队5个月智慧和汗水的结晶，在齐志冲心中“值得打100分”。取得这份佳绩，与一项工程有关——位于浙江省杭州市富阳区的江南水厂改扩建工程。这是完善富阳区供水布局、提高供水能力、提升用水品质的重点民生实事工程，中铁装备参与了富水复合地层沉井建设。
项目建设现场如同一场实战练兵，其间，排浆泵突发高温、伸缩泥浆管动作异常……一个个棘手难题接踵而至，中铁装备派出的技术团队没有退缩，扎根现场昼夜工作，累计成功解决了10余项设备施工中遇到的“疑难杂症”。这些从实践中得来的宝贵经验，经过系统梳理、深度分析，最终总结形成关于超大直径竖井掘进机的优化设计指南，反馈回设计端，并全面应用于“启明号”的设计方案中，使其能够站在“前辈”的肩膀上看世界。
得益于江南水厂项目的铺垫，“启明号”如一块海绵般吸取了丰富的实战经验。但要优化提升性能，“不光要论证如何成功，还要花更多时间思考失败的可能”，齐志冲称这是研发团队的“团建”。
记者在采访中了解到，“启明号”配载了两套完整的操作系统，其中一套作为应急备份使用。
“‘启明号’在富水地层作业时，如果所有操作都失灵了怎么办？”“团建”时一次天马行空的提问，让团队下定决心加装一套完整的应急备份操作系统。
类似的灵魂拷问催生了许多前瞻性设计，如姿态调整、沉降控制创新技术等。齐志冲认为，正是研发团队刻在骨子里的严谨细致与精益求精，以及不满足于“合格”、执着于“最优”的科研精神，最终铸就了他们心中这件无可挑剔的“满分作品”。
勇做探路者，自主研发填补技术空白
2024年10月，“启明号”从初步构想迈入落地执行阶段。立项书上“最大开挖深度可达150米”的标注，犹如一份沉甸甸的战书。
“150米，是我们给自己立下的目标。”齐志冲坦言，起初面对这个看似无法企及的任务，研发团队也曾犹豫过，但最终还是毅然选择向“不可能”发起冲击。
这份迎难而上的勇气，源自习近平总书记的殷切嘱托。
2014年5月10日，习近平总书记在中铁装备盾构总装车间考察时，作出“推动中国制造向中国创造转变、中国速度向中国质量转变、中国产品向中国品牌转变”的重要指示。
“走自主创新的发展路子，就要不断提升创造驱动力、增强质量竞争力、扩大品牌影响力，勇于做探路者。”齐志冲道出了研发团队的初心。
近年来，随着我国自主攻关能力的提升，多款重磅竖井掘进机相继问世，刷新了不同工况、不同深度竖井掘进机作业能力的世界纪录。技术探索永无止境，“从0到1”的突破只是起点，此后还有很多“从1到N”的无人区要闯、技术高山要翻越。这便是“启明号”研发设计的意义所在。
工程师们根据设计图纸验收主机结构零部件。受访单位供图
他进一步解释道，当前行业存在一个关键技术盲区：120米至200米的较浅地层深度，尚无适配的高效机械化装备。“我们要通过‘启明号’填补这一空白，让不同深度、不同直径的竖井施工都有对应的国产化装备。”
然而，挺进地下150米也绝非易事，处处藏着“拦路虎”，关键要攻克两大技术难关。第一道关，是地下深处的压差考验。地下压力随深度呈线性递增，竖井掘进作业下的压力环境更加复杂。为破解这一难题，研发团队自主研发了内外压力平衡系统，能根据外部压力变化自动调节内部压力，使装备始终处于受力平衡状态，避免高压变形风险。
另一道关，是对密封可靠性的极致追求。“启明号”需在富水地层作业，装备全身分布着7处核心大密封点和上百处精密小密封点，任何一处密封失效都可能导致泥浆渗漏、部件损坏，甚至引发安全事故。“密封可靠性是水下作业的生命线”，研发团队从材质结构到焊接工艺展开了全方位攻关。
从容应对高压差、极致追求密封可靠性……研发团队用一次次创新与突破，认真交出“启明号”这份“答卷”，让中国竖井掘进机技术再攀高峰，也进一步推动基础设施建设的智能化转型升级。
记者手记 | 精益求精是科研突破的“密码”
自主创新的发展路上，对精益求精的坚守不可或缺。它承载着不满足于“能用”、执着于“完美”的态度，是科研突破的“密码”。
精益求精，是对“以质为基”的坚定恪守。研发团队为了填平技术原理与应用实际间的“鸿沟”，背后进行了难以计数的细节调整；密封可靠性提升9%，是以上百次试验打磨为阶梯……采访过程中，这些曾经“百般折磨”研发团队的科研记忆，早已褪去苦涩，化作为“启明号”自信打分的底气。科研工作从无捷径，那些看似偶然的突破，是对每个数据、每个部件、每个流程的极致较真，是十年如一日攻关后的厚积薄发。
精益求精，更是“不待扬鞭自奋蹄”的内在自觉。记者了解到，在追求技术卓越的同时，研发团队从设计源头开始，便将提升美观度同步规划，精心追求管道和线缆排布的合理性与视觉上的秩序感。这种“自我加压”的设计要求，在他们看来是“要通过更优化的设计和更高效的管理，让产品内外兼修，提高市场竞争力”。
在全球科技竞争日趋激烈的今天，正是这种精雕细琢甚至“吹毛求疵”的坚守，让中国产品不仅“硬核”，更显“精致”，让自主创新之路越走越宽。
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