McNally系统在TBM隧洞施工中的应用

李晓晗 赵 琳 许爱萍

（1.辽宁省水利厅，辽宁 沈阳 110003；2.中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁 沈阳 110179）

McNally系统在TBM隧洞施工中的应用

李晓晗1赵 琳1许爱萍2

（1.辽宁省水利厅，辽宁 沈阳 110003；2.中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁 沈阳 110179）

文章通过McNally系统在辽宁省重点输水工程7台TBM设备的实际应用，分析了该新型施工工艺的安全性、可靠性以及较好的使用效果,为国内TBM隧洞施工找寻到了一种更可靠、更高效、更安全的支护方案。

TBM；隧洞施工；McNally系统；支护

TBM工法施工是19世纪中叶发展起来的一种隧洞施工新工艺，TBM是利用“新奥法”施工的原理，使用机械方式进行隧洞开挖的工厂化设备，是集开挖掘进、支护、出渣、运输为一体的成套产品。自20世纪50年代美国罗宾斯公司研制出第一台现代意义的TBM开始，TBM在世界范围内得到了长足发展。

作为硬岩TBM的一种主要类型，开敞式TBM以其开挖效率高、主机结构简单、施工成本低、可视围岩情况灵活进行支护作业等优点，在隧洞施工中取得了越来越广泛的应用。敞开式硬岩TBM一般配置超前勘测钻机、锚杆钻机、钢拱架安装器、混凝土喷射机械手等超前钻探和岩石支护设备，根据开挖后围岩状况，适时进行锚杆、钢筋网、钢拱架、喷射混凝土等岩石支护作业。由于锚杆、钢筋网、钢拱架等支护作业相对于开挖作业有一定时间的滞后，在围岩极疏松、自稳能力较差的洞段，岩石支护作业面临相当大的难度，给隧洞安全性带来了极大的隐患。

1 McNally系统的支护作业原理

为有效解决上述问题，加拿大C&M McNally Engineering Corp的创始人Mike McNally发明了McNally岩石支护系统，特许罗宾斯公司在其敞开式硬岩TBM设备上设计使用。

McNally岩石支护系统仍基于新奥法的施工理念，即充分利用岩石应力降低的过程，在适当时机进行初期支护，对岩石表面施加一定的约束，在应力达到相对低点时控制围岩继续变形，从而充分利用围岩自身的承载能力，降低对后期支护结构的强度要求。新奥法的特点：一是充分利用了围岩自身的承载能力，降低了后期支护的强度要求；二是强调初期支护的时机，应根据围岩类别进行适时支护。支护太晚，围岩变形继续增加已经引起了应力增加，可能导致初期支护失败；三是增加了人工洞室的安全性，特别是施工期的安全性。

基于新奥法的理念和特点，又有别于新奥法适时进行初期支护的做法。新奥法的钻爆施工过程中，允许顶拱部位围岩疏松的岩石掉落下来，McNally岩石支护系统则强调开挖面在护盾后部初露后，及时进行疏松围岩面的初期支护，保持隧洞断面为TBM开挖完成的圆形截面，以保证隧洞形状更加稳定、施工速度更快。

McNally岩石支护系统的设计理念认为保证隧洞围岩稳定特别是疏松围岩洞段围岩稳定的不是钢拱架、钢筋网、锚杆等钢支撑结构，而是拱形的围岩保证了隧洞的稳定，如果不能形成拱形的围岩，隧洞就会发生坍塌。隧洞开挖前，岩块之间是相互作用的，相互作用间内应力是相同的，保证了岩体结构的稳定。隧洞开挖后，开挖面周围的岩石变为自由的，失去了一些方向的作用力，导致围岩应力变化。围岩情况较好的洞段自由的岩块在隧洞周围形成一个岩石拱形，该拱形结构保证了开挖后围岩的稳定；地质情况较差的洞段，松动的岩石间无法形成拱形结构，岩石不断掉落，形成不规则的凸圆的形状，而凸圆的形状不能形成维持拱形结构的支撑力，以致造成岩石不断的掉落。在这种围岩情况下，以往采用的锚杆、钢筋网、钢拱架等支护方式并不能有效阻止岩块掉落，且由于锚杆、钢筋网、钢拱架等支护方式相对掘进的滞后，导致以往的支护方式不能保证围岩形成环形的拱形支撑结构。为保证围岩稳定且能够快速形成环形的拱形支撑结构，Mike McNally发明了McNally岩石支护系统，该系统是在开敞式TBM掘进的同时通过支撑疏松岩层从而使隧道保持圆形的围岩支护方法。

2 McNally支护技术的发展

图1 McNally 支护系统在奥尔默斯项目应用的情况

McNally支护系统最初于2008年应用于秘鲁的奥尔莫斯（OLMOS）调水工程的隧洞施工。奥尔莫斯调水工程是从亚马逊流域的万卡班巴河（Huancabamba）调水至奥尔莫斯大草原，用于15万公顷草原灌溉。该工程一期工程于2005年底开始施工，计划修建一条长19.3km的横穿安第斯山的输水隧洞。前期隧道建设完成了沿着东侧4.7km和西侧1.5km隧洞的钻爆法开掘。2007年3月，分包商OPIC(Odebrecht秘鲁工程和建筑公司)使用罗宾斯公司设计制造的直径5.3m的MB1610-279-4敞开式硬岩TBM，从西侧始发，进行剩余14km隧洞掘进。

这条输水隧洞是世界第二深隧道，沿线超过1500m埋深的洞段占到隧洞全长的60%。当TBM掘进至1000m埋深洞段后，随着隧洞内应力的增加，项目遇到了几个非常突出的难题：挤压性岩层，岩爆情况严重；沿线超过400个断层，其中2个断层宽度超过50m；部分岩层非常破碎。随设备不断掘进，支护作业量逐渐加大，常规的支设锚杆、钢筋网、钢拱架等方式已经不足以应对如此复杂的地质状况，设备掘进效率降低了30%。

为解决该问题，承包商Odebrecht 会同TBM制造商罗宾斯选择了安装新型TBM地层支护系统——McNally支护系统。McNally系统在TBM围岩面初露护盾后及时进行顶拱部位支撑，稳定过应力岩石并防止岩石继续掉落。

通过改装McNally 支护系统，该TBM掘进效率大幅提升，最高日进尺达到38.3m，月进尺从最初的350m提高到675m，2012年11月隧洞按期贯通，实现了McNally 支护系统的首次成功应用。图1为该系统在奥尔默斯项目应用的情况。

如上图所示，最初设计的支护材料是采用槽钢作为钢拱架材料，上部采用木板条作为顶拱部位的支护材料。通过McNally 系统在该项目使用过程中的不断摸索与改进，顶拱部位支护材料逐渐改为支护性能更好的钢筋排。通过McNally 系统在该项目的成功应用，罗宾斯公司此后的敞开式硬岩TBM设备均推荐增加该系统。

中国最早设计采用McNally系统的是四川锦屏项目的MB410-319设备，当时由于施工单位认为不符合国内施工标准，该系统并没有得到有效利用。

在辽宁重点输水工程的7台TBM设备上，均设计增加了McNally系统，使用3或4根Φ16mm钢筋焊接制成的钢筋排或Φ22mm的钢筋进行顶拱部位支护，有效的防止了顶拱部位岩石掉落，极大的缩短了支护作业时间。其中的一段隧洞目前完成5400m掘进，已经使用该系统进行了约700榀钢拱架及钢筋排、钢筋的支护作业。

该系统在辽宁重点输水工程项目取得了非常成功的应用。

图2为该系统在本工程的应用情况。

图2 McNally 支护系统在辽宁重点输水工程项目应用的情况

3 McNally支护系统组成及施工作业流程

McNally支护系统的最主要的结构是在敞开式TBM覆盖顶拱部位120°～140°范围的顶护盾及侧顶护盾内制作成150mm×45mm的并行排列的储存仓，用于储存木板条或钢筋排、钢筋等支护材料。

图3为McNally支护系统储存仓的结构示意图。

图3 McNally系统储存仓结构图

储存仓内事先储存好木板条或钢筋排、钢筋等支护材料，在地质情况恶劣的情况下，当掘进断面初露护盾150mm～200mm后，将木板条或钢筋排、钢筋拉出，使用钢拱架安装器配合作业，将木板条或钢筋排、钢筋的一端利用钢拱架固定于围岩面，之后随TBM逐渐掘进，视围岩稳定情况，在900～1800mm后，再次利用钢拱架安装器支设一榀钢拱架，将木板条或钢筋排、钢筋固定于围岩面，如此循环，达到围岩实现拱形结构的目的，保证开挖完成断面围岩稳定。

图4 McNally支护系统的作业流程图

如图4为McNally支护系统的作业流程图，分3个步骤。

步骤1：将支护材料由储存仓拉出150mm～200mm,并通过钢拱架固定于岩壁。

步骤2：随设备不断掘进，支护材料逐渐拉出，并再次通过钢拱架固定于岩壁。

步骤3：在第一根支护材料全部拉出后，将第一根支护材料拉出，与第一根支护材料对接后，通过钢拱架固定于岩壁。如此反复，完成对顶拱部位的支护。

通过上述作业流程，在围岩初露盾体后及时进行了顶拱部位的支护，防止岩石的继续坍塌与掉块，确保形成拱形的围岩，保证了隧洞的稳定。

4 结 语

通过在辽宁省重点输水工程上的实际应用，证明该系统可以高效、快速、可靠、安全的完成松散围岩洞段的支护处理，有效约束塌方体的进一步发展，与原钢拱架和钢筋网的支护方式相比，支护更及时、速度更快、效果更稳固、安全性更高，值得在国内TBM隧洞施工项目进一步推广和应用。

[1] 祁海燕.TBM钢筋排架安装系统应用[J].水与水技术, 2014(4)∶23-25.

水利行业2014年第三期实验室资质认定评审准则宣贯培训班在宁波举办

2014年9月24日至26日，水利行业2014年第三期实验室资质认定评审准则宣贯培训班在浙江宁波举办。来自水利部直属单位、有关水利行业质检机构共60家单位的180余名代表参加了本次培训。

水利部国际合作与科技司刘咏峰处长出席培训班并讲话。刘咏峰处长围绕当前国家资质认定新形势，介绍了当前检验检测机构整合工作的有关情况，进一步明确了整合工作的意义：检验检测认证机构整合是国务院机构改革和职能转变的一部分，是做大做强检验检测认证行业的要求，是参与国际竞争的需要，指出了中央对检验检测认证机构整合的有关要求，提出了水利行业质检机构的整合工作总体思路。刘咏峰处长指出水利计量认证工作进入了新的历史时期，希望与会人员研究机构整合有关政策，做好相关工作。

培训班聘请了多位水利行业计量认证资深专家授课，重点介绍了计量认证基本知识与管理、计量认证评审准则、管理体系运行与持续改进、内部审核和管理评审、质检机构如何准备评审、计量认证需统一和规范的问题及实验室资质认定工作实务等内容。集中授课后组织授课教师与培训学员进行了交流和讨论，淮河流域水环境中心和淮河流域水工程质量检测中心两家单位的代表进行了经验交流；最后还进行了统一考试，并由授课教师对考试试题进行了细致点评，两名学员代表进行了培训体会交流。

（摘自：中国水利科技合作与科技网，http://www.chinawater.net.cn/jishujiandu）

10.3969/j.issn.1008-1305.2014.06.023

TV554

B

1008-1305（2014）06-0070-04

李晓晗（1969年-），男，高级工程师。