McNally系統(tǒng)在TBM隧洞施工中的應(yīng)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(tǒng)在TBM隧洞施工中的應(yīng)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(tǒng)在遼寧省重點輸水工程7臺TBM設(shè)備的實際應(yīng)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(nèi)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(tǒng)；支護

TBM工法施工是19世紀(jì)中葉發(fā)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(shè)備，是集開挖掘進、支護、出渣、運輸為一體的成套產(chǎn)品。自20世紀(jì)50年代美國羅賓斯公司研制出第一臺現(xiàn)代意義的TBM開始，TBM在世界范圍內(nèi)得到了長足發(fā)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(jié)構(gòu)簡單、施工成本低、可視圍巖情況靈活進行支護作業(yè)等優(yōu)點，在隧洞施工中取得了越來越廣泛的應(yīng)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(shè)備，根據(jù)開挖后圍巖狀況，適時進行錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架、噴射混凝土等巖石支護作業(yè)。由于錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架等支護作業(yè)相對于開挖作業(yè)有一定時間的滯后，在圍巖極疏松、自穩(wěn)能力較差的洞段，巖石支護作業(yè)面臨相當(dāng)大的難度，給隧洞安全性帶來了極大的隱患。

1 McNally系統(tǒng)的支護作業(yè)原理

為有效解決上述問題，加拿大C&M McNally Engineering Corp的創(chuàng)始人Mike McNally發(fā)明了McNally巖石支護系統(tǒng)，特許羅賓斯公司在其敞開式硬巖TBM設(shè)備上設(shè)計使用。

McNally巖石支護系統(tǒng)仍基于新奧法的施工理念，即充分利用巖石應(yīng)力降低的過程，在適當(dāng)時機進行初期支護，對巖石表面施加一定的約束，在應(yīng)力達到相對低點時控制圍巖繼續(xù)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(jié)構(gòu)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(diào)初期支護的時機，應(yīng)根據(jù)圍巖類別進行適時支護。支護太晚，圍巖變形繼續(xù)增加已經(jīng)引起了應(yīng)力增加，可能導(dǎo)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(tǒng)則強調(diào)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(wěn)定、施工速度更快。

McNally巖石支護系統(tǒng)的設(shè)計理念認(rèn)為保證隧洞圍巖穩(wěn)定特別是疏松圍巖洞段圍巖穩(wěn)定的不是鋼拱架、鋼筋網(wǎng)、錨桿等鋼支撐結(jié)構(gòu)，而是拱形的圍巖保證了隧洞的穩(wěn)定，如果不能形成拱形的圍巖，隧洞就會發(fā)生坍塌。隧洞開挖前，巖塊之間是相互作用的，相互作用間內(nèi)應(yīng)力是相同的，保證了巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。隧洞開挖后，開挖面周圍的巖石變?yōu)樽杂傻模チ艘恍┓较虻淖饔昧Γ瑢?dǎo)致圍巖應(yīng)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(jié)構(gòu)保證了開挖后圍巖的穩(wěn)定；地質(zhì)情況較差的洞段，松動的巖石間無法形成拱形結(jié)構(gòu)，巖石不斷掉落，形成不規(guī)則的凸圓的形狀，而凸圓的形狀不能形成維持拱形結(jié)構(gòu)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(wǎng)、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(wǎng)、鋼拱架等支護方式相對掘進的滯后，導(dǎo)致以往的支護方式不能保證圍巖形成環(huán)形的拱形支撐結(jié)構(gòu)。為保證圍巖穩(wěn)定且能夠快速形成環(huán)形的拱形支撐結(jié)構(gòu)，Mike McNally發(fā)明了McNally巖石支護系統(tǒng)，該系統(tǒng)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(shù)的發(fā)展

圖1 McNally 支護系統(tǒng)在奧爾默斯項目應(yīng)用的情況

McNally支護系統(tǒng)最初于2008年應(yīng)用于秘魯?shù)膴W爾莫斯（OLMOS）調(diào)水工程的隧洞施工。奧爾莫斯調(diào)水工程是從亞馬遜流域的萬卡班巴河（Huancabamba）調(diào)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(shè)完成了沿著東側(cè)4.7km和西側(cè)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(shè)計制造的直徑5.3m的MB1610-279-4敞開式硬巖TBM，從西側(cè)始發(fā)，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(dāng)TBM掘進至1000m埋深洞段后，隨著隧洞內(nèi)應(yīng)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(yán)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(shè)備不斷掘進，支護作業(yè)量逐漸加大，常規(guī)的支設(shè)錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架等方式已經(jīng)不足以應(yīng)對如此復(fù)雜的地質(zhì)狀況，設(shè)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(tǒng)——McNally支護系統(tǒng)。McNally系統(tǒng)在TBM圍巖面初露護盾后及時進行頂拱部位支撐，穩(wěn)定過應(yīng)力巖石并防止巖石繼續(xù)掉落。

通過改裝McNally 支護系統(tǒng)，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(xiàn)了McNally 支護系統(tǒng)的首次成功應(yīng)用。圖1為該系統(tǒng)在奧爾默斯項目應(yīng)用的情況。

如上圖所示，最初設(shè)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(tǒng)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(tǒng)在該項目的成功應(yīng)用，羅賓斯公司此后的敞開式硬巖TBM設(shè)備均推薦增加該系統(tǒng)。

中國最早設(shè)計采用McNally系統(tǒng)的是四川錦屏項目的MB410-319設(shè)備，當(dāng)時由于施工單位認(rèn)為不符合國內(nèi)施工標(biāo)準(zhǔn)，該系統(tǒng)并沒有得到有效利用。

在遼寧重點輸水工程的7臺TBM設(shè)備上，均設(shè)計增加了McNally系統(tǒng)，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(yè)時間。其中的一段隧洞目前完成5400m掘進，已經(jīng)使用該系統(tǒng)進行了約700榀鋼拱架及鋼筋排、鋼筋的支護作業(yè)。

該系統(tǒng)在遼寧重點輸水工程項目取得了非常成功的應(yīng)用。

圖2為該系統(tǒng)在本工程的應(yīng)用情況。

圖2 McNally 支護系統(tǒng)在遼寧重點輸水工程項目應(yīng)用的情況

3 McNally支護系統(tǒng)組成及施工作業(yè)流程

McNally支護系統(tǒng)的最主要的結(jié)構(gòu)是在敞開式TBM覆蓋頂拱部位120°～140°范圍的頂護盾及側(cè)頂護盾內(nèi)制作成150mm×45mm的并行排列的儲存?zhèn)}，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(tǒng)儲存?zhèn)}的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 McNally系統(tǒng)儲存?zhèn)}結(jié)構(gòu)圖

儲存?zhèn)}內(nèi)事先儲存好木板條或鋼筋排、鋼筋等支護材料，在地質(zhì)情況惡劣的情況下，當(dāng)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(yè)，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(wěn)定情況，在900～1800mm后，再次利用鋼拱架安裝器支設(shè)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(huán)，達到圍巖實現(xiàn)拱形結(jié)構(gòu)的目的，保證開挖完成斷面圍巖穩(wěn)定。

圖4 McNally支護系統(tǒng)的作業(yè)流程圖

如圖4為McNally支護系統(tǒng)的作業(yè)流程圖，分3個步驟。

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

步驟2：隨設(shè)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(fù)，完成對頂拱部位的支護。

通過上述作業(yè)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(xù)坍塌與掉塊，確保形成拱形的圍巖，保證了隧洞的穩(wěn)定。

4 結(jié) 語

通過在遼寧省重點輸水工程上的實際應(yīng)用，證明該系統(tǒng)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(fā)展，與原鋼拱架和鋼筋網(wǎng)的支護方式相比，支護更及時、速度更快、效果更穩(wěn)固、安全性更高，值得在國內(nèi)TBM隧洞施工項目進一步推廣和應(yīng)用。

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

水利行業(yè)2014年第三期實驗室資質(zhì)認(rèn)定評審準(zhǔn)則宣貫培訓(xùn)班在寧波舉辦

2014年9月24日至26日，水利行業(yè)2014年第三期實驗室資質(zhì)認(rèn)定評審準(zhǔn)則宣貫培訓(xùn)班在浙江寧波舉辦。來自水利部直屬單位、有關(guān)水利行業(yè)質(zhì)檢機構(gòu)共60家單位的180余名代表參加了本次培訓(xùn)。

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

培訓(xùn)班聘請了多位水利行業(yè)計量認(rèn)證資深專家授課，重點介紹了計量認(rèn)證基本知識與管理、計量認(rèn)證評審準(zhǔn)則、管理體系運行與持續(xù)改進、內(nèi)部審核和管理評審、質(zhì)檢機構(gòu)如何準(zhǔn)備評審、計量認(rèn)證需統(tǒng)一和規(guī)范的問題及實驗室資質(zhì)認(rèn)定工作實務(wù)等內(nèi)容。集中授課后組織授課教師與培訓(xùn)學(xué)員進行了交流和討論，淮河流域水環(huán)境中心和淮河流域水工程質(zhì)量檢測中心兩家單位的代表進行了經(jīng)驗交流；最后還進行了統(tǒng)一考試，并由授課教師對考試試題進行了細(xì)致點評，兩名學(xué)員代表進行了培訓(xùn)體會交流。

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

10.3969/j.issn.1008-1305.2014.06.023

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1008-1305（2014）06-0070-04

李曉晗（1969年-），男，高級工程師。