Mcnally支護(hù)系統(tǒng)在破碎圍巖中的應(yīng)用

楊穎嵐

(遼寧省觀音閣水庫(kù)管理局， 遼寧 本溪117100)

【摘要】TBM(全斷面隧道掘進(jìn)機(jī))代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉆爆法施工，具有快速、優(yōu)質(zhì)、安全、經(jīng)濟(jì)、有利于環(huán)境保護(hù)、減少中間支洞等優(yōu)點(diǎn)。本文對(duì)敞開(kāi)式TBM的Mcnally支護(hù)系統(tǒng)在軟弱破碎圍巖中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述，介紹了Mcnally系統(tǒng)的組成、功能和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】TBM施工； 軟弱圍巖； Mcnally支護(hù)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TV554文獻(xiàn)標(biāo)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(xiàn)代隧洞施工中，TBM作為一種先進(jìn)的施工設(shè)備，在長(zhǎng)大深埋等隧洞中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。TBM施工選型時(shí)一般根據(jù)圍巖的好壞選擇合適的TBM設(shè)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(zhì)條件復(fù)雜、節(jié)理發(fā)育、巖體破碎的軟弱圍巖洞段。TBM通過(guò)軟弱圍巖洞段時(shí)，就有可能發(fā)生圍巖松動(dòng)、坍落、掉塊，甚至TBM刀盤被卡等問(wèn)題。由于TBM初期噴射混凝土支護(hù)系統(tǒng)一般在后部，開(kāi)挖出來(lái)的軟弱圍巖自穩(wěn)時(shí)間非常短，圍巖露出護(hù)盾后容易坍塌，巖體掉落，嚴(yán)重時(shí)砸壞TBM設(shè)備。

1TBM在破碎帶施工常規(guī)支護(hù)措施

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

1.1常規(guī)圍巖破碎地段的處理

對(duì)于圍巖局部較差的洞段，為了防止掉塊，利用TBM刀盤護(hù)盾的指形防護(hù)柵，在隧洞頂部180°范圍施作錨桿，掛鋼筋網(wǎng)，及時(shí)超前噴射混凝土穩(wěn)定圍巖。這一般需要在TBM頭部臨時(shí)加設(shè)一個(gè)混凝土噴射機(jī)。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(zhǎng)，一般在TBM開(kāi)挖施工前，利用TBM自帶的超前鉆機(jī)施作超前管棚或者超前錨桿，使之形成穩(wěn)定支護(hù)區(qū)，然后鋼支撐緊隨掘進(jìn)，直至TBM通過(guò)不良地質(zhì)洞段。

1.2松動(dòng)圍巖的處理

開(kāi)挖后，如果圍巖在TBM刀盤后處出現(xiàn)部分松動(dòng)或局部掉塊，主要采用施作錨桿，掛鋼筋網(wǎng)，必要時(shí)支立鋼支撐，將鋼筋網(wǎng)與錨桿及鋼支撐焊接為整體，待TBM的機(jī)械噴射手運(yùn)行至該破碎圍巖位置時(shí)再噴射混凝土。

若圍巖開(kāi)挖后在TBM護(hù)盾后已經(jīng)出現(xiàn)較大坍塌，必須停機(jī)處理坍塌。先處理護(hù)盾頂部危石，架立鋼支撐，再噴射混凝土，在鋼支撐與護(hù)盾頂部加設(shè)一些棚護(hù)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(jìn)施工，掉落下來(lái)的巖體容易砸壞TBM設(shè)備。

1.3常規(guī)支護(hù)處理存在的問(wèn)題

a.圍巖出露護(hù)盾后，呈大塊或者碎裂化后，因鋼筋網(wǎng)片的剛度不夠，如果不及時(shí)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(wǎng)下沉，甚至破壞，上部巖體坍落容易砸傷人員，損壞TBM設(shè)備。

b.圍巖一旦掉落，鋼支撐不能對(duì)上部巖體形成有效的支護(hù)，塌方會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，巖體塌方向更深一層發(fā)展，形成塌腔，處理塌腔時(shí)TBM設(shè)備必須停機(jī)，影響TBM的正常掘進(jìn)施工。

2Mcnally系統(tǒng)的組成及功能

Mcnally系統(tǒng)是由固定在TBM護(hù)盾頂部并依次相連焊接的L形耐磨型鋼組成，型鋼與護(hù)盾間形成的空腔是存放鋼筋的儲(chǔ)存腔，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　Mcnally結(jié)構(gòu)

Mcnally系統(tǒng)通過(guò)鋼拱架、局部拱架、錨桿、鋼筋的結(jié)合使用，緊貼洞壁圍巖形成弧形鋼結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)既能穩(wěn)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(hù)和清渣工作量，減小破碎圍巖對(duì)TBM掘進(jìn)速度的影響。

2.1Mcnally系統(tǒng)的使用工藝

使用Mcnally系統(tǒng)進(jìn)行支護(hù)的流程是：

a.儲(chǔ)存腔預(yù)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(chǔ)存腔中，每個(gè)腔中可以存放3根鋼筋，鋼筋直徑可以圍巖的破碎程度來(lái)確定，一般為12～22mm。

b.鋼筋固定。將預(yù)先存放的鋼筋拉出一小段，放在已完成拼裝但還未撐開(kāi)的鋼拱架上并焊接，然后移動(dòng)鋼拱架至合適的安裝位置撐開(kāi)，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(jìn)過(guò)程中，隨著掘進(jìn)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(chǔ)存腔內(nèi)的鋼筋自動(dòng)被拉出，形成鋼筋排支護(hù)破碎圍巖。

d.鋼筋二次固定。當(dāng)?shù)竭_(dá)下一榀鋼支撐安裝位置時(shí)，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(kāi)拱架完成第二次固定。

2.2Mcnally系統(tǒng)支護(hù)的優(yōu)點(diǎn)

a.在圍巖破碎的不良地質(zhì)洞段，由于節(jié)理裂隙的相互切割等共同作用形成破碎結(jié)構(gòu)地層，利用Mcnally系統(tǒng)支護(hù)形成的鋼筋排與鋼支撐構(gòu)成完整的支護(hù)體系，鋼筋排與鋼拱架的剛度、承載能力更強(qiáng)，能夠在破碎圍巖出露較長(zhǎng)時(shí)間而保持穩(wěn)定，待TBM的噴混系統(tǒng)運(yùn)行至該段圍巖時(shí)噴射混凝土支護(hù)，可以有效防止塌方體向外部擴(kuò)展。

b.鋼筋排與鋼支撐聯(lián)合支護(hù)比常規(guī)鋼筋網(wǎng)片與錨桿以及鋼拱架支護(hù)更加牢靠，能夠提高TBM在不良地質(zhì)段的安全性與掘進(jìn)效率。

c.鋼筋排剛度較鋼筋網(wǎng)片剛度大，對(duì)圍巖下沉侵占支護(hù)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(hù)斷面，減少了二次處理侵占斷面的工作量。

d.采用Mcnally系統(tǒng)支護(hù)形成的鋼筋排支護(hù)效果見(jiàn)圖2。

圖2　Mcnally系統(tǒng)支護(hù)效果

3使用Mcnally系統(tǒng)支護(hù)的經(jīng)驗(yàn)

a.根據(jù)圍巖破碎程度，鋼筋排的鋼筋大小可以進(jìn)行調(diào)整，或者使用鋼管替代。在嚴(yán)重破碎洞段，可以使用鋼板替代鋼筋，使得弧形鋼結(jié)構(gòu)封閉，對(duì)塌腔處進(jìn)行灌漿處理。

b.受L形耐磨型鋼頂部厚度影響，使用Mcnally進(jìn)行鋼支撐安裝時(shí)，應(yīng)離開(kāi)護(hù)盾尾部35cm以上，如果距離過(guò)小，由于鋼筋剛度的影響會(huì)導(dǎo)致鋼支撐不能完全撐開(kāi)。當(dāng)鋼筋直徑較大時(shí)，距離隨之增大。

c.使用Mcnally支護(hù)會(huì)導(dǎo)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(shí)應(yīng)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(yīng)較小，避免鋼筋受破碎巖石擠壓后開(kāi)焊變形。

e.進(jìn)行超前噴射混凝土前，應(yīng)提前預(yù)埋固結(jié)灌漿鉆孔管，防止固結(jié)灌漿鉆孔鉆上鋼筋排的鋼筋，鋼筋排支護(hù)為臨時(shí)支護(hù)，TBM噴射機(jī)械手運(yùn)行至該部位時(shí)應(yīng)及時(shí)噴射混凝土支護(hù)，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(hù)。

g.當(dāng)一個(gè)循環(huán)鋼筋排架支護(hù)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(jié)論

TBM在破碎圍巖洞段使用Mcnally系統(tǒng)支護(hù)的鋼筋排對(duì)TBM快速通過(guò)起到了很好的作用。Mcnally系統(tǒng)主要是在敞開(kāi)式TBM的刀盤后加裝超前支護(hù)系統(tǒng)，是對(duì)以前敞開(kāi)式TBM的一個(gè)補(bǔ)充，能夠有效地支護(hù)破碎的圍巖，提高掘進(jìn)效率，快速高效地縮短工期。

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