Mcnally支护系统在破碎围岩中的应用

Mcnally支护系统在破碎围岩中的应用

杨颖岚

(辽宁省观音阁水库管理局， 辽宁 本溪117100)

【摘要】TBM(全断面隧道掘进机)代替传统的钻爆法施工，具有快速、优质、安全、经济、有利于环境保护、减少中间支洞等优点。本文对敞开式TBM的Mcnally支护系统在软弱破碎围岩中的应用进行了阐述，介绍了Mcnally系统的组成、功能和应用经验。

【关键词】TBM施工； 软弱围岩； Mcnally支护系统

中图分类号：TV554文献标志码： 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

在现代隧洞施工中，TBM作为一种先进的施工设备，在长大深埋等隧洞中得到了越来越广泛的应用。TBM施工选型时一般根据围岩的好坏选择合适的TBM设备，一般选定的TBM施工围岩洞段，围岩条件较好，但好的围岩洞段中也掺杂着一部分地质条件复杂、节理发育、岩体破碎的软弱围岩洞段。TBM通过软弱围岩洞段时，就有可能发生围岩松动、坍落、掉块，甚至TBM刀盘被卡等问题。由于TBM初期喷射混凝土支护系统一般在后部，开挖出来的软弱围岩自稳时间非常短，围岩露出护盾后容易坍塌，岩体掉落，严重时砸坏TBM设备。

1TBM在破碎带施工常规支护措施

在软弱破碎围岩洞段，围岩自稳时间短，通常做法是采用超前管棚、立钢支撑、挂钢筋网、喷射混凝土的顺序施工。

1.1常规围岩破碎地段的处理

对于围岩局部较差的洞段，为了防止掉块，利用TBM刀盘护盾的指形防护栅，在隧洞顶部180°范围施作锚杆，挂钢筋网，及时超前喷射混凝土稳定围岩。这一般需要在TBM头部临时加设一个混凝土喷射机。喷射混凝土的回弹料掉落在TBM上，很难清理。

若围岩破碎带较长，一般在TBM开挖施工前，利用TBM自带的超前钻机施作超前管棚或者超前锚杆，使之形成稳定支护区，然后钢支撑紧随掘进，直至TBM通过不良地质洞段。

1.2松动围岩的处理

开挖后，如果围岩在TBM刀盘后处出现部分松动或局部掉块，主要采用施作锚杆，挂钢筋网，必要时支立钢支撑，将钢筋网与锚杆及钢支撑焊接为整体，待TBM的机械喷射手运行至该破碎围岩位置时再喷射混凝土。

若围岩开挖后在TBM护盾后已经出现较大坍塌，必须停机处理坍塌。先处理护盾顶部危石，架立钢支撑，再喷射混凝土，在钢支撑与护盾顶部加设一些棚护措施，如：采用钢管或者型钢支撑等。这样处理影响了TBM的正常掘进施工，掉落下来的岩体容易砸坏TBM设备。

1.3常规支护处理存在的问题

a.围岩出露护盾后，呈大块或者碎裂化后，因钢筋网片的刚度不够，如果不及时喷射混凝土，在破碎岩体的挤压下，容易造成两榀钢支撑间的钢筋网下沉，甚至破坏，上部岩体坍落容易砸伤人员，损坏TBM设备。

b.围岩一旦掉落，钢支撑不能对上部岩体形成有效的支护，塌方会进一步扩大，岩体塌方向更深一层发展，形成塌腔，处理塌腔时TBM设备必须停机，影响TBM的正常掘进施工。

2Mcnally系统的组成及功能

Mcnally系统是由固定在TBM护盾顶部并依次相连焊接的L形耐磨型钢组成，型钢与护盾间形成的空腔是存放钢筋的储存腔，整体结构如图1所示。

图1　Mcnally结构

Mcnally系统通过钢拱架、局部拱架、锚杆、钢筋的结合使用，紧贴洞壁围岩形成弧形钢结构。该结构既能稳定围岩，又能将破碎的围岩阻挡在密布的钢筋后，防止大量石渣坍落形成空腔，减少支护和清渣工作量，减小破碎围岩对TBM掘进速度的影响。

2.1Mcnally系统的使用工艺

使用Mcnally系统进行支护的流程是：

a.储存腔预存钢筋。在围岩良好洞段，提前将钢筋焊接好后人工插入到储存腔中，每个腔中可以存放3根钢筋，钢筋直径可以围岩的破碎程度来确定，一般为12～22mm。

b.钢筋固定。将预先存放的钢筋拉出一小段，放在已完成拼装但还未撑开的钢拱架上并焊接，然后移动钢拱架至合适的安装位置撑开，直到钢筋与钢拱架贴紧洞壁。

c.钢筋抽出。钢筋固定后，TBM掘进过程中，随着掘进距离增大，由于钢筋端部与钢支撑焊接以及钢筋与围岩洞壁的摩擦力，储存腔内的钢筋自动被拉出，形成钢筋排支护破碎围岩。

d.钢筋二次固定。当到达下一榀钢支撑安装位置时，拼装钢支撑并将钢筋与其焊接相连，然后在合适的安装位置撑开拱架完成第二次固定。

2.2Mcnally系统支护的优点

a.在围岩破碎的不良地质洞段，由于节理裂隙的相互切割等共同作用形成破碎结构地层，利用Mcnally系统支护形成的钢筋排与钢支撑构成完整的支护体系，钢筋排与钢拱架的刚度、承载能力更强，能够在破碎围岩出露较长时间而保持稳定，待TBM的喷混系统运行至该段围岩时喷射混凝土支护，可以有效防止塌方体向外部扩展。

b.钢筋排与钢支撑联合支护比常规钢筋网片与锚杆以及钢拱架支护更加牢靠，能够提高TBM在不良地质段的安全性与掘进效率。

c.钢筋排刚度较钢筋网片刚度大，对围岩下沉侵占支护断面起到良好的抑制作用，防止了围岩碎块侵占有效的支护断面，减少了二次处理侵占断面的工作量。

d.采用Mcnally系统支护形成的钢筋排支护效果见图2。

图2　Mcnally系统支护效果

3使用Mcnally系统支护的经验

a.根据围岩破碎程度，钢筋排的钢筋大小可以进行调整，或者使用钢管替代。在严重破碎洞段，可以使用钢板替代钢筋，使得弧形钢结构封闭，对塌腔处进行灌浆处理。

b.受L形耐磨型钢顶部厚度影响，使用Mcnally进行钢支撑安装时，应离开护盾尾部35cm以上，如果距离过小，由于钢筋刚度的影响会导致钢支撑不能完全撑开。当钢筋直径较大时，距离随之增大。

c.使用Mcnally支护会导致钢支撑与洞壁间存在间隙，大小等于钢筋直径，隧洞衬砌时应考虑钢支撑侵占衬砌断面的影响。

d.受钢筋抗弯性的影响，固定钢筋的钢支撑间距应较小，避免钢筋受破碎岩石挤压后开焊变形。

e.进行超前喷射混凝土前，应提前预埋固结灌浆钻孔管，防止固结灌浆钻孔钻上钢筋排的钢筋，钢筋排支护为临时支护，TBM喷射机械手运行至该部位时应及时喷射混凝土支护，形成封闭断面。

f.在局部破碎带，可以使用槽钢替代钢支撑，形成局部支护。

g.当一个循环钢筋排架支护使用完成后(一般为5m左右)，重新加入钢筋排较困难，需要采用敲击的方式才能够把钢筋加入。

h.由于采用钢筋排的部位，不能或者只能减少锚杆的使用，不能使钢支撑与锚杆形成整体受力，可能造成钢支撑变形。

4结论

TBM在破碎围岩洞段使用Mcnally系统支护的钢筋排对TBM快速通过起到了很好的作用。Mcnally系统主要是在敞开式TBM的刀盘后加装超前支护系统，是对以前敞开式TBM的一个补充，能够有效地支护破碎的围岩，提高掘进效率，快速高效地缩短工期。

参考文献

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