Mcnally支護系統在破碎圍巖中的應用

Mcnally支護系統在破碎圍巖中的應用

楊穎嵐

(遼寧省觀音閣水庫管理局， 遼寧 本溪117100)

【摘要】TBM(全斷面隧道掘進機)代替傳統的鉆爆法施工，具有快速、優質、安全、經濟、有利于環境保護、減少中間支洞等優點。本文對敞開式TBM的Mcnally支護系統在軟弱破碎圍巖中的應用進行了闡述，介紹了Mcnally系統的組成、功能和應用經驗。

【關鍵詞】TBM施工； 軟弱圍巖； Mcnally支護系統

中圖分類號：TV554文獻標志碼： A

Application of Mcnally Support System in Breaking Surrounding Rock

YANG Ying-lan

(LiaoningGuanyingeReservoirAuthority,Benxi117100,China)

Abstract：TBM (Tunnel Boring Machine) is used for replacing traditional construction with drilling and blasting method. It has advantages of rapid speed, high quality, safety and economical efficiency. It is beneficial for environment protection, and can reduce middle branch opening. In the paper, application of open TBM Mcnally support system in weakly breaking surrounding rock is described. Composition, function and application experience of Mcnally system are introduced.

Keywords：TBM construction; weak surrounding rock; Mcnally support system

在現代隧洞施工中，TBM作為一種先進的施工設備，在長大深埋等隧洞中得到了越來越廣泛的應用。TBM施工選型時一般根據圍巖的好壞選擇合適的TBM設備，一般選定的TBM施工圍巖洞段，圍巖條件較好，但好的圍巖洞段中也摻雜著一部分地質條件復雜、節理發育、巖體破碎的軟弱圍巖洞段。TBM通過軟弱圍巖洞段時，就有可能發生圍巖松動、坍落、掉塊，甚至TBM刀盤被卡等問題。由于TBM初期噴射混凝土支護系統一般在后部，開挖出來的軟弱圍巖自穩時間非常短，圍巖露出護盾后容易坍塌，巖體掉落，嚴重時砸壞TBM設備。

1TBM在破碎帶施工常規支護措施

在軟弱破碎圍巖洞段，圍巖自穩時間短，通常做法是采用超前管棚、立鋼支撐、掛鋼筋網、噴射混凝土的順序施工。

1.1常規圍巖破碎地段的處理

對于圍巖局部較差的洞段，為了防止掉塊，利用TBM刀盤護盾的指形防護柵，在隧洞頂部180°范圍施作錨桿，掛鋼筋網，及時超前噴射混凝土穩定圍巖。這一般需要在TBM頭部臨時加設一個混凝土噴射機。噴射混凝土的回彈料掉落在TBM上，很難清理。

若圍巖破碎帶較長，一般在TBM開挖施工前，利用TBM自帶的超前鉆機施作超前管棚或者超前錨桿，使之形成穩定支護區，然后鋼支撐緊隨掘進，直至TBM通過不良地質洞段。

1.2松動圍巖的處理

開挖后，如果圍巖在TBM刀盤后處出現部分松動或局部掉塊，主要采用施作錨桿，掛鋼筋網，必要時支立鋼支撐，將鋼筋網與錨桿及鋼支撐焊接為整體，待TBM的機械噴射手運行至該破碎圍巖位置時再噴射混凝土。

若圍巖開挖后在TBM護盾后已經出現較大坍塌，必須停機處理坍塌。先處理護盾頂部危石，架立鋼支撐，再噴射混凝土，在鋼支撐與護盾頂部加設一些棚護措施，如：采用鋼管或者型鋼支撐等。這樣處理影響了TBM的正常掘進施工，掉落下來的巖體容易砸壞TBM設備。

1.3常規支護處理存在的問題

a.圍巖出露護盾后，呈大塊或者碎裂化后，因鋼筋網片的剛度不夠，如果不及時噴射混凝土，在破碎巖體的擠壓下，容易造成兩榀鋼支撐間的鋼筋網下沉，甚至破壞，上部巖體坍落容易砸傷人員，損壞TBM設備。

b.圍巖一旦掉落，鋼支撐不能對上部巖體形成有效的支護，塌方會進一步擴大，巖體塌方向更深一層發展，形成塌腔，處理塌腔時TBM設備必須停機，影響TBM的正常掘進施工。

2Mcnally系統的組成及功能

Mcnally系統是由固定在TBM護盾頂部并依次相連焊接的L形耐磨型鋼組成，型鋼與護盾間形成的空腔是存放鋼筋的儲存腔，整體結構如圖1所示。

圖1　Mcnally結構

Mcnally系統通過鋼拱架、局部拱架、錨桿、鋼筋的結合使用，緊貼洞壁圍巖形成弧形鋼結構。該結構既能穩定圍巖，又能將破碎的圍巖阻擋在密布的鋼筋后，防止大量石渣坍落形成空腔，減少支護和清渣工作量，減小破碎圍巖對TBM掘進速度的影響。

2.1Mcnally系統的使用工藝

使用Mcnally系統進行支護的流程是：

a.儲存腔預存鋼筋。在圍巖良好洞段，提前將鋼筋焊接好后人工插入到儲存腔中，每個腔中可以存放3根鋼筋，鋼筋直徑可以圍巖的破碎程度來確定，一般為12～22mm。

b.鋼筋固定。將預先存放的鋼筋拉出一小段，放在已完成拼裝但還未撐開的鋼拱架上并焊接，然后移動鋼拱架至合適的安裝位置撐開，直到鋼筋與鋼拱架貼緊洞壁。

c.鋼筋抽出。鋼筋固定后，TBM掘進過程中，隨著掘進距離增大，由于鋼筋端部與鋼支撐焊接以及鋼筋與圍巖洞壁的摩擦力，儲存腔內的鋼筋自動被拉出，形成鋼筋排支護破碎圍巖。

d.鋼筋二次固定。當到達下一榀鋼支撐安裝位置時，拼裝鋼支撐并將鋼筋與其焊接相連，然后在合適的安裝位置撐開拱架完成第二次固定。

2.2Mcnally系統支護的優點

a.在圍巖破碎的不良地質洞段，由于節理裂隙的相互切割等共同作用形成破碎結構地層，利用Mcnally系統支護形成的鋼筋排與鋼支撐構成完整的支護體系，鋼筋排與鋼拱架的剛度、承載能力更強，能夠在破碎圍巖出露較長時間而保持穩定，待TBM的噴混系統運行至該段圍巖時噴射混凝土支護，可以有效防止塌方體向外部擴展。

b.鋼筋排與鋼支撐聯合支護比常規鋼筋網片與錨桿以及鋼拱架支護更加牢靠，能夠提高TBM在不良地質段的安全性與掘進效率。

c.鋼筋排剛度較鋼筋網片剛度大，對圍巖下沉侵占支護斷面起到良好的抑制作用，防止了圍巖碎塊侵占有效的支護斷面，減少了二次處理侵占斷面的工作量。

d.采用Mcnally系統支護形成的鋼筋排支護效果見圖2。

圖2　Mcnally系統支護效果

3使用Mcnally系統支護的經驗

a.根據圍巖破碎程度，鋼筋排的鋼筋大小可以進行調整，或者使用鋼管替代。在嚴重破碎洞段，可以使用鋼板替代鋼筋，使得弧形鋼結構封閉，對塌腔處進行灌漿處理。

b.受L形耐磨型鋼頂部厚度影響，使用Mcnally進行鋼支撐安裝時，應離開護盾尾部35cm以上，如果距離過小，由于鋼筋剛度的影響會導致鋼支撐不能完全撐開。當鋼筋直徑較大時，距離隨之增大。

c.使用Mcnally支護會導致鋼支撐與洞壁間存在間隙，大小等于鋼筋直徑，隧洞襯砌時應考慮鋼支撐侵占襯砌斷面的影響。

d.受鋼筋抗彎性的影響，固定鋼筋的鋼支撐間距應較小，避免鋼筋受破碎巖石擠壓后開焊變形。

e.進行超前噴射混凝土前，應提前預埋固結灌漿鉆孔管，防止固結灌漿鉆孔鉆上鋼筋排的鋼筋，鋼筋排支護為臨時支護，TBM噴射機械手運行至該部位時應及時噴射混凝土支護，形成封閉斷面。

f.在局部破碎帶，可以使用槽鋼替代鋼支撐，形成局部支護。

g.當一個循環鋼筋排架支護使用完成后(一般為5m左右)，重新加入鋼筋排較困難，需要采用敲擊的方式才能夠把鋼筋加入。

h.由于采用鋼筋排的部位，不能或者只能減少錨桿的使用，不能使鋼支撐與錨桿形成整體受力，可能造成鋼支撐變形。

4結論

TBM在破碎圍巖洞段使用Mcnally系統支護的鋼筋排對TBM快速通過起到了很好的作用。Mcnally系統主要是在敞開式TBM的刀盤后加裝超前支護系統，是對以前敞開式TBM的一個補充，能夠有效地支護破碎的圍巖，提高掘進效率，快速高效地縮短工期。

參考文獻

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