A.- R._, né en 1959, a travaillé depuis 1994 en qualité de manoeuvre pour la société Z._ SA et de nettoyeur pour l'entreprise N._. A ce titre, il était assuré contre les accidents professionnels et non professionnels par la CNA. Le 23 juillet 1995, il a été victime d'un accident de la circulation. Son véhicule a été embouti à l'arrière par une autre automobile. Il a été admis le jour même au service médico-chirurgical de l'Hôpital cantonal universitaire de Genève (HCUG) où l'on a diagnostiqué un traumatisme crânio-cérébral avec perte de connaissance, ainsi qu'une contusion cervicale (lettre du 12 avril 1996 de la division des urgences médico-chirurgicales de l'HCUG). Dans un rapport du 22 août 1995, le docteur B._, chef de clinique à la Clinique et policlinique de neurologie de l'HCUG, a relevé la présence de céphalées occipitales accompagnées de vertiges, de troubles du sommeil et du comportement survenant dans un contexte post-traumatique évoquant un «whiplash syndrom». Dans un rapport du 8 septembre 1995, le docteur H._ du Centre de radiologie de Y._, a exclu la présence de lésions traumatiques. Le 10 octobre 1995, le docteur P._ médecin traitant de l'assuré, a constaté un status neurologique normal et d'importantes céphalées occipitales constrictives. L'assuré a été examiné par le docteur S._ de la Clinique et policlinique d'ophtalmologie de l'HCUG. Ce médecin a relevé un important syndrome optique, ainsi qu'une photophobie, en soulignant que les spasmes de convergence pouvaient être de nature post-traumatique, tandis que la photophobie était un symptôme fréquent des syndromes post-commotionnels (rapport du 22 décembre 1995). Dans une lettre reçue par le médecin d'arrondissement de la CNA le 30 avril 1996, le docteur P._ a constaté la persistance des troubles malgré l'absence de toute lésion organique objectivable. Il a conclu à un état psychique très particulier. De son côté, le docteur W._, médecin d'arrondissement de la CNA, a constaté que le comportement de l'assuré était tout à fait aberrant, de type compulsif avec probablement une culpabilité refoulée (rapport du 2 août 1996). Le docteur M._, chirurgien et médecin d'arrondissement de la CNA, a examiné l'assuré le 14 avril 1997. Il a considéré qu'il était possible d'admettre que l'effet délétère de l'accident sous forme de contusion cervicale et crânienne était actuellement éteint. Selon ce médecin, l'incapacité de travail et le traitement étaient essentiellement et uniquement liés à l'état psychique. Par décision du 15 mai 1997, la CNA a mis fin à ses prestations avec effet au 15 juin 1997, au motif que les troubles n'étaient plus en relation de causalité avec l'accident. R._ et la Caisse maladie du bois et du bâtiment et des branches annexes, caisse-maladie de l'assuré (CMBB) ont formé opposition contre cette décision. L'assuré a produit, notamment, une lettre du 29 juillet 1997 du docteur G._, qui concluait à un syndrome de stress post-traumatique avec une importante désorientation spatiotemporelle, un retrait du patient sur lui-même, un trouble du cours de la pensée, une perplexité, des hallucinations auditives et un délire bien systématisé, en soulignant que ces troubles étaient très probablement dus à l'accident du 23 juillet 1995. Par décision sur opposition du 3 septembre 1997, la CNA a confirmé sa précédente décision. B.- R._ a recouru contre cette décision devant le Tribunal administratif du canton de Genève. L'autorité cantonale a requis la production du dossier d'assurance-invalidité de l'assuré, après avoir appelé en cause la CMBB. Par jugement du 31 août 1999, notifié le 21 septembre suivant, le Tribunal administratif a rejeté le recours. Par lettre du 24 septembre 1999, la Cour cantonale a notifié un nouveau dispositif qui annulait et remplaçait le précédent, au motif que les voies de recours indiquées initialement étaient inexactes. C.- R._ interjette recours de droit administratif contre ce jugement dont il demande l'annulation, en concluant, sous suite de dépens, au renvoi de la cause à l'autorité cantonale pour complément d'instruction. La CNA conclut au rejet du recours, tandis que la CMBB a renoncé à faire valoir des observations. L'Office fédéral des assurances sociales ne s'est pas déterminé. 