McNally系統在TBM隧洞施工中的應用

李曉晗 趙 琳 許愛萍

（1.遼寧省水利廳，遼寧 沈陽 110003；2.中國水利水電第六工程局有限公司，遼寧 沈陽 110179）

McNally系統在TBM隧洞施工中的應用

李曉晗1趙 琳1許愛萍2

（1.遼寧省水利廳，遼寧 沈陽 110003；2.中國水利水電第六工程局有限公司，遼寧 沈陽 110179）

文章通過McNally系統在遼寧省重點輸水工程7臺TBM設備的實際應用，分析了該新型施工工藝的安全性、可靠性以及較好的使用效果,為國內TBM隧洞施工找尋到了一種更可靠、更高效、更安全的支護方案。

TBM；隧洞施工；McNally系統；支護

TBM工法施工是19世紀中葉發展起來的一種隧洞施工新工藝，TBM是利用“新奧法”施工的原理，使用機械方式進行隧洞開挖的工廠化設備，是集開挖掘進、支護、出渣、運輸為一體的成套產品。自20世紀50年代美國羅賓斯公司研制出第一臺現代意義的TBM開始，TBM在世界范圍內得到了長足發展。

作為硬巖TBM的一種主要類型，開敞式TBM以其開挖效率高、主機結構簡單、施工成本低、可視圍巖情況靈活進行支護作業等優點，在隧洞施工中取得了越來越廣泛的應用。敞開式硬巖TBM一般配置超前勘測鉆機、錨桿鉆機、鋼拱架安裝器、混凝土噴射機械手等超前鉆探和巖石支護設備，根據開挖后圍巖狀況，適時進行錨桿、鋼筋網、鋼拱架、噴射混凝土等巖石支護作業。由于錨桿、鋼筋網、鋼拱架等支護作業相對于開挖作業有一定時間的滯后，在圍巖極疏松、自穩能力較差的洞段，巖石支護作業面臨相當大的難度，給隧洞安全性帶來了極大的隱患。

1 McNally系統的支護作業原理

為有效解決上述問題，加拿大C&M McNally Engineering Corp的創始人Mike McNally發明了McNally巖石支護系統，特許羅賓斯公司在其敞開式硬巖TBM設備上設計使用。

McNally巖石支護系統仍基于新奧法的施工理念，即充分利用巖石應力降低的過程，在適當時機進行初期支護，對巖石表面施加一定的約束，在應力達到相對低點時控制圍巖繼續變形，從而充分利用圍巖自身的承載能力，降低對后期支護結構的強度要求。新奧法的特點：一是充分利用了圍巖自身的承載能力，降低了后期支護的強度要求；二是強調初期支護的時機，應根據圍巖類別進行適時支護。支護太晚，圍巖變形繼續增加已經引起了應力增加，可能導致初期支護失敗；三是增加了人工洞室的安全性，特別是施工期的安全性。

基于新奧法的理念和特點，又有別于新奧法適時進行初期支護的做法。新奧法的鉆爆施工過程中，允許頂拱部位圍巖疏松的巖石掉落下來，McNally巖石支護系統則強調開挖面在護盾后部初露后，及時進行疏松圍巖面的初期支護，保持隧洞斷面為TBM開挖完成的圓形截面，以保證隧洞形狀更加穩定、施工速度更快。

McNally巖石支護系統的設計理念認為保證隧洞圍巖穩定特別是疏松圍巖洞段圍巖穩定的不是鋼拱架、鋼筋網、錨桿等鋼支撐結構，而是拱形的圍巖保證了隧洞的穩定，如果不能形成拱形的圍巖，隧洞就會發生坍塌。隧洞開挖前，巖塊之間是相互作用的，相互作用間內應力是相同的，保證了巖體結構的穩定。隧洞開挖后，開挖面周圍的巖石變為自由的，失去了一些方向的作用力，導致圍巖應力變化。圍巖情況較好的洞段自由的巖塊在隧洞周圍形成一個巖石拱形，該拱形結構保證了開挖后圍巖的穩定；地質情況較差的洞段，松動的巖石間無法形成拱形結構，巖石不斷掉落，形成不規則的凸圓的形狀，而凸圓的形狀不能形成維持拱形結構的支撐力，以致造成巖石不斷的掉落。在這種圍巖情況下，以往采用的錨桿、鋼筋網、鋼拱架等支護方式并不能有效阻止巖塊掉落，且由于錨桿、鋼筋網、鋼拱架等支護方式相對掘進的滯后，導致以往的支護方式不能保證圍巖形成環形的拱形支撐結構。為保證圍巖穩定且能夠快速形成環形的拱形支撐結構，Mike McNally發明了McNally巖石支護系統，該系統是在開敞式TBM掘進的同時通過支撐疏松巖層從而使隧道保持圓形的圍巖支護方法。

2 McNally支護技術的發展

圖1 McNally 支護系統在奧爾默斯項目應用的情況

McNally支護系統最初于2008年應用于秘魯的奧爾莫斯（OLMOS）調水工程的隧洞施工。奧爾莫斯調水工程是從亞馬遜流域的萬卡班巴河（Huancabamba）調水至奧爾莫斯大草原，用于15萬公頃草原灌溉。該工程一期工程于2005年底開始施工，計劃修建一條長19.3km的橫穿安第斯山的輸水隧洞。前期隧道建設完成了沿著東側4.7km和西側1.5km隧洞的鉆爆法開掘。2007年3月，分包商OPIC(Odebrecht秘魯工程和建筑公司)使用羅賓斯公司設計制造的直徑5.3m的MB1610-279-4敞開式硬巖TBM，從西側始發，進行剩余14km隧洞掘進。

這條輸水隧洞是世界第二深隧道，沿線超過1500m埋深的洞段占到隧洞全長的60%。當TBM掘進至1000m埋深洞段后，隨著隧洞內應力的增加，項目遇到了幾個非常突出的難題：擠壓性巖層，巖爆情況嚴重；沿線超過400個斷層，其中2個斷層寬度超過50m；部分巖層非常破碎。隨設備不斷掘進，支護作業量逐漸加大，常規的支設錨桿、鋼筋網、鋼拱架等方式已經不足以應對如此復雜的地質狀況，設備掘進效率降低了30%。

為解決該問題，承包商Odebrecht 會同TBM制造商羅賓斯選擇了安裝新型TBM地層支護系統——McNally支護系統。McNally系統在TBM圍巖面初露護盾后及時進行頂拱部位支撐，穩定過應力巖石并防止巖石繼續掉落。

通過改裝McNally 支護系統，該TBM掘進效率大幅提升，最高日進尺達到38.3m，月進尺從最初的350m提高到675m，2012年11月隧洞按期貫通，實現了McNally 支護系統的首次成功應用。圖1為該系統在奧爾默斯項目應用的情況。

如上圖所示，最初設計的支護材料是采用槽鋼作為鋼拱架材料，上部采用木板條作為頂拱部位的支護材料。通過McNally 系統在該項目使用過程中的不斷摸索與改進，頂拱部位支護材料逐漸改為支護性能更好的鋼筋排。通過McNally 系統在該項目的成功應用，羅賓斯公司此后的敞開式硬巖TBM設備均推薦增加該系統。

中國最早設計采用McNally系統的是四川錦屏項目的MB410-319設備，當時由于施工單位認為不符合國內施工標準，該系統并沒有得到有效利用。

在遼寧重點輸水工程的7臺TBM設備上，均設計增加了McNally系統，使用3或4根Φ16mm鋼筋焊接制成的鋼筋排或Φ22mm的鋼筋進行頂拱部位支護，有效的防止了頂拱部位巖石掉落，極大的縮短了支護作業時間。其中的一段隧洞目前完成5400m掘進，已經使用該系統進行了約700榀鋼拱架及鋼筋排、鋼筋的支護作業。

該系統在遼寧重點輸水工程項目取得了非常成功的應用。

圖2為該系統在本工程的應用情況。

圖2 McNally 支護系統在遼寧重點輸水工程項目應用的情況

3 McNally支護系統組成及施工作業流程

McNally支護系統的最主要的結構是在敞開式TBM覆蓋頂拱部位120°～140°范圍的頂護盾及側頂護盾內制作成150mm×45mm的并行排列的儲存倉，用于儲存木板條或鋼筋排、鋼筋等支護材料。

圖3為McNally支護系統儲存倉的結構示意圖。

圖3 McNally系統儲存倉結構圖

儲存倉內事先儲存好木板條或鋼筋排、鋼筋等支護材料，在地質情況惡劣的情況下，當掘進斷面初露護盾150mm～200mm后，將木板條或鋼筋排、鋼筋拉出，使用鋼拱架安裝器配合作業，將木板條或鋼筋排、鋼筋的一端利用鋼拱架固定于圍巖面，之后隨TBM逐漸掘進，視圍巖穩定情況，在900～1800mm后，再次利用鋼拱架安裝器支設一榀鋼拱架，將木板條或鋼筋排、鋼筋固定于圍巖面，如此循環，達到圍巖實現拱形結構的目的，保證開挖完成斷面圍巖穩定。

圖4 McNally支護系統的作業流程圖

如圖4為McNally支護系統的作業流程圖，分3個步驟。

步驟1：將支護材料由儲存倉拉出150mm～200mm,并通過鋼拱架固定于巖壁。

步驟2：隨設備不斷掘進，支護材料逐漸拉出，并再次通過鋼拱架固定于巖壁。

步驟3：在第一根支護材料全部拉出后，將第一根支護材料拉出，與第一根支護材料對接后，通過鋼拱架固定于巖壁。如此反復，完成對頂拱部位的支護。

通過上述作業流程，在圍巖初露盾體后及時進行了頂拱部位的支護，防止巖石的繼續坍塌與掉塊，確保形成拱形的圍巖，保證了隧洞的穩定。

4 結 語

通過在遼寧省重點輸水工程上的實際應用，證明該系統可以高效、快速、可靠、安全的完成松散圍巖洞段的支護處理，有效約束塌方體的進一步發展，與原鋼拱架和鋼筋網的支護方式相比，支護更及時、速度更快、效果更穩固、安全性更高，值得在國內TBM隧洞施工項目進一步推廣和應用。

[1] 祁海燕.TBM鋼筋排架安裝系統應用[J].水與水技術, 2014(4)∶23-25.

水利行業2014年第三期實驗室資質認定評審準則宣貫培訓班在寧波舉辦

2014年9月24日至26日，水利行業2014年第三期實驗室資質認定評審準則宣貫培訓班在浙江寧波舉辦。來自水利部直屬單位、有關水利行業質檢機構共60家單位的180余名代表參加了本次培訓。

水利部國際合作與科技司劉詠峰處長出席培訓班并講話。劉詠峰處長圍繞當前國家資質認定新形勢，介紹了當前檢驗檢測機構整合工作的有關情況，進一步明確了整合工作的意義：檢驗檢測認證機構整合是國務院機構改革和職能轉變的一部分，是做大做強檢驗檢測認證行業的要求，是參與國際競爭的需要，指出了中央對檢驗檢測認證機構整合的有關要求，提出了水利行業質檢機構的整合工作總體思路。劉詠峰處長指出水利計量認證工作進入了新的歷史時期，希望與會人員研究機構整合有關政策，做好相關工作。

培訓班聘請了多位水利行業計量認證資深專家授課，重點介紹了計量認證基本知識與管理、計量認證評審準則、管理體系運行與持續改進、內部審核和管理評審、質檢機構如何準備評審、計量認證需統一和規范的問題及實驗室資質認定工作實務等內容。集中授課后組織授課教師與培訓學員進行了交流和討論，淮河流域水環境中心和淮河流域水工程質量檢測中心兩家單位的代表進行了經驗交流；最后還進行了統一考試，并由授課教師對考試試題進行了細致點評，兩名學員代表進行了培訓體會交流。

（摘自：中國水利科技合作與科技網，http://www.chinawater.net.cn/jishujiandu）

10.3969/j.issn.1008-1305.2014.06.023

TV554

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1008-1305（2014）06-0070-04

李曉晗（1969年-），男，高級工程師。