内马铁路1号隧道位于肯尼亚Kapit高原向东非大裂谷过渡地段, 属于东非大裂谷东翼区, 洞身地形相对平坦, 隧址区覆盖层广布, 地表植被发育, 出口端进洞里程DK39+315, DK39+280里程处存在高39m的陡崖, 上方粗面岩出露形成松散危岩、落石, 地层发育有第四系全新统坡积层、冲积层、火山堆积层及第四系更新统, 出口端地层岩性自上而下为粉质黏土、块石土、细砂、粗角砾土, 其中细砂层分布于隧道洞身粉质黏土层下, 靠近陡崖渐厚呈喇叭状分布, 横向全宽分布, 导致出口端进洞施工面临2~10m厚浅埋细砂层不良地质段, 隧道进洞施工洞身最小埋深约4m, 陡崖下方最大埋深约13m, 区域内水资源匮乏, 洞身范围内未见地下水。

DK39+270—DK39+300存在一活动正断层F14-3且DK39+276里程处为岩石与砂层地质分界线, 揭示断层分界线处岩性为粗面岩, 倾向西, 倾角约为75°, 宽度约20m, 百年突发垂直位错量为0.9m, 水位右旋<0.1m, 断裂带岩体破碎, 裂隙极为发育, 围岩结构易失稳, 塌方安全风险高。

按设计进行明洞开挖揭示, 自DK39+333里程处明挖至DK39+315段洞身范围内及两侧边坡砂层逐渐变厚, 待施工至DK39+315处后发现整个细砂层分布范围有沿隧道轴线逐渐扩大的趋势, 成洞面及左右侧临时边坡范围内均存在约2m的不等厚细砂层。细砂层呈现稍密~中密, 干燥、颗粒松散、无黏聚性、自稳性较差, 易溜塌且局部夹杂孤石及粗角砾土, 大管棚约19根位于细砂层范围内, 同时上台阶导向墙拱脚处存在厚度不均的细砂层, 在外力扰动作用下细砂层易大面积出现溜塌, 尤其是采用超前水平钻钻探时, 基本上由高压风快速吹孔, 继而孔口形成约2倍孔径, 长度约2m的锥形扩口面, 钻进过程中孔内伴随塌孔, 成孔率较低。

为避免隧道开挖时陡崖上方因洞内砂层溜塌、冒顶等影响形成滑移面, 导致隧道陡崖上方岩体倾落崩塌、山体滑移, 于DK39+248, DK39+264, DK39+273, DK39+276, DK39+279布孔钻探, 孔深为隧道衬砌仰拱下方1m处, 期间探明细砂层主要分布于拱顶及边墙附近, 地表及仰拱下方基底均为粉质黏土, 局部夹杂粗面岩类孤石;DK39+280处断崖斜向45°, 60°打设, 钻速较慢, 渣样均为石粉, 推断前方为粗面岩, 最终探明DK39+276为砂层与岩石分界线。

1) DK39+315—DK39+276段为浅埋细砂层分布范围, 自进洞DK39+315里程处2m厚向陡崖方向呈喇叭状逐渐变厚分布直至地质分界线处结束, 靠近陡崖处砂层分布厚度达到10m, 主要分布于隧道洞身拱顶及边墙附近, 仰拱未见细砂层, 开挖时易引起塌方或冒顶。

2) 细砂层稍湿, 松散~稍密, 颜色为灰色, 以火山灰为主, 具有渗透系数低、粒径小、密实状, 天然空隙比大、结构松散、物理力学性能差等特性, 开挖后围岩自稳性差, 若施工方法和支护加固措施选取不合理, 易造成隧道围岩变形过大, 引起围岩坍塌破坏, 甚至冒顶。

3) 注浆效果验证细砂层段浆液渗透性小、扩散半径小、黏聚性差、浆液易失水、砂层固结效果差且砂层段成孔率低、易塌孔, 为确保砂层与水泥浆液固结, 起到防流砂、抗滑移的作用, 须采用旋喷注浆强制细砂颗粒与浆液搅拌固结, 形成水泥砂柱状固结体。

4) 由于出口端地表覆层较薄, 39m浅埋细砂层开挖引起的变形极容易诱发地表下沉和围岩变形, 尤其是靠近陡崖附近暗洞开挖引起变形易形成陡崖浅层滑移面继而引起崩塌。

5) 出口端F14-3正断层分布于陡崖附近且处于砂层与地质分界线内, 断裂带施工措施及支护措施会严重影响隧道施工安全。

结合已探明细砂层分布范围、地质分界线及砂层物理性差等特点及难点, 为确定最佳细砂层地质段进洞施工方案, 对以下几种方案进行分析比选。

在设计支护参数的基础上, 对洞外地表及洞内超前、系统支护进行优化调整加强。具体为:按设计位置及范围施作φ108大管棚, 采用弧形导坑预留核心土法开挖, 边挖边支, 密封支撑, I20钢架间距由原设计0.6cm调整至0.4cm, 落底采用纵向[28a垫底, 拱部及边墙交错增打φ42双层大外插脚小导管超前注浆固结, 增强砂层松动圈固结范围及效果;原设计8根长4m的φ42×3.5锁脚小导管调整为12根长4.5m的φ60×3.5锁脚锚管。暗挖法进洞施工如图1所示。

分析评价: (1) 优点:不需要组织特殊资源进场;其次可尽快组织进洞施工; (2) 缺点:易出现洞身坍塌, 安全风险系数高, 进度慢。

隧道出口端自DK39+315处进洞开始就穿越范围较广、有较厚的细砂层直至DK39+276处结束, 为避免砂层段施工因漏砂、涌砂、塌方等引起陡崖基底滑动造成大面积山体坍塌, 采用明挖护拱法穿越, 减少砂层段暗洞施工, 确保分界线处施工安全。具体做法为:将DK39+315—DK39+276陡崖处暗洞自上而下明挖拉槽处理, 竖向开挖至粉质黏土层内, 纵向拉槽中间预留核心土拱形成隧道初支内模, 在核心土上安设钢架及钢筋浇筑混凝土套拱并于DK39+280处 (陡崖下方) 浇筑导向墙施作管棚, 待该段护拱强度达到70%回填土石方, 形成棚架作用, 完成后将DK39+315—DK39+76段暗洞采用设计弧形开挖导坑法开挖支护, 如图2所示。

分析评价: (1) 优点:在护拱下方作业安全风险低; (2) 缺点:拱部及边墙围岩支护较为困难, 易涌砂、漏砂, 导致发生塌方冒顶风险, 继而造成DK39+280处的山体扰动、失稳、滑塌;其次临时边仰坡开挖防护回填量大, 进度慢。

暗洞明挖法即将细砂层不良地质段的暗洞全部明挖处理, 待至岩石分界处后施作大管棚进行暗洞开挖。具体为利用潜孔钻机进一步探明验证DK39+276处岩石与细砂层分界线位置, 继而确定明挖进洞导向墙设置里程, 待确定后挖掘机将DK39+315—DK39+276暗洞段按照明洞相关设计参数自上而下明挖拉槽、挂网锚喷复合式衬砌施工, 避开进洞砂层段, 如图3所示。

分析评价: (1) 优点:有效避开细砂层不良地质段; (2) 缺点:新增临时边仰坡防护, 工程量大、成本高;其次陡崖危岩体易造成滑动继而影响下方作业人员安全。

采取洞外地表垂直旋喷注浆固结, 洞内三台阶预留核心土法开挖, 辅以洞内超前中管棚与双层外插角小导管进行暗洞开挖支护, 同时视初期支护变形收敛情况开挖支护, 完成一段采用径向小导管对初支进行补偿注浆加固, 确保施工安全, 如图4所示。

分析评价: (1) 优点:此方案对砂层整治效果好、进洞安全系数高; (2) 缺点:砂层加固工程量大、耗时长制约进洞工期, 成本费用高。

根据设计图纸及砂层在洞身的分布范围, 隧道穿越砂层主要集中在洞身拱部及两侧边墙处, 其中DK39+280处砂层分布深度约10m, 地表分布约5m粉质黏土, 为保证洞身掘进过程中拱部避开砂层, 将隧道纵坡由原设计DK39+200处的7‰调整至DK39+315处的3‰, 整体线路纵坡抬高5.8m, 使得DK39+280处 (砂层最深处) 砂层位于衬砌拱部下方处, 降低砂层对隧道洞身影响范围。

分析评价: (1) 优点:减小砂层段隧道进洞施工风险; (2) 缺点:出口端路基工程量增大且调整纵坡对线路影响范围较长, 设计优化空间小。

综合现场施工准备、现有资源设备及超前地质预报情况, 比选确定采用地表旋喷加固、暗挖法进洞穿越细砂层, 确保隧道进洞施工安全。

浅埋砂层段采取洞外地表垂直旋喷注浆固结, 洞内三台阶预留核心土暗挖法开挖, 遵循“管超前、防漏滑、短开挖、快支护、勤量测、紧封闭”的原则组织施工, 避免在开挖支护时出现掉块、溜塌、支护变形、地表开裂继而引起的塌方冒顶, 确保浅埋砂层段施工安全。

1) 首先对DK39+280处陡崖上方危岩体整治处理及开展地表沉降观测, 确保下方作业安全。

2) 利用高压旋喷机对细砂层段分段进行高压旋喷桩固结, 待固结完成一段后自DK39+315导向墙处采用三台阶预留核心土开挖法, 辅以洞内超前中管棚或外插角小导管进行暗洞开挖支护。

3) 暗洞开挖支护期间剩余地段地表继续进行垂直旋喷注浆固结, 合理安排洞内外工序, 做到先洞外旋喷加固、后洞内暗挖支护, 实现洞外与洞内同步流水作业。

4) 同时视初期支护变形收敛情况开挖支护完成一段采用径向小导管对初支进行补偿注浆加固, 确保初支施工安全。

5) 暗洞开挖至地质分界线后, 及时施作洞口及明洞段仰拱及填充并浇筑洞口段一板二衬, 确保洞口段安全稳定。

6) 施工过程中加强超前地质预报工作, 针对细砂层洞内采用超前水平钻、地质雷达进一步探明细砂层分布范围, 以便采取相应措施, 确保施工安全。

洞外垂直高压旋喷桩采用相切式, 桩径D=500mm, 布置间距500mm×500mm, 横向加固范围为隧道中线两侧各8m (不少于锁脚锚管加固范围) ;加固深度方向为衬砌开挖轮廓线以外3m范围, 隧道范围内加固桩底标高为开挖轮廓线以内1.5m, 隧道两侧加固桩桩底标高为深入粉质黏土层底部, 根据地质情况, 其余采用空钻至地面标高。

旋喷注浆参数:旋喷注浆压力20~25MPa, 提升速度20~25cm/min, 浆液流量96~110L/min;旋转速度20~25r/min;喷嘴个数及直径:双喷嘴2.2mm。水泥采用P·O42.5普通硅酸盐水泥, 按水灰比1∶1配合比配制、拌合。

暗洞开挖采用三台阶预留核心土法开挖, 以弧形导坑开挖预留核心土为基本模式, 分上、中、下3个台阶7个开挖面, 核心土长度宜为3~5m, 宽度宜为隧道开挖宽度的1/3~1/2, 各部位开挖与支护沿隧道纵向错开平行推进施工, 通过各部台阶预留核心土增加掌子面稳定性, 减少初期支护变形, 确保施工安全。

针对砂层自稳性差、松散、无黏聚力、具有一定流动性、开挖后易溜塌等特点, 过程中掌子面开挖完成后及时进行初喷混凝土封闭, 同时可采取动态调整台阶长度及高度、掌子面超前预注浆、插板法或土袋反压回填、土工布封堵及径向注浆等措施, 确保施工安全。

待距离上台阶20m后暂停掘进, 及时施作仰拱及二衬, 仰拱支护按3m一进尺进行控制, 6m浇筑一板仰拱, 尽快封闭成环。距离掌子面<30m时具备二衬施作空间后及时施作一板二次衬砌, 确保洞口段稳定。

细砂层地质条件下隧道主要难点在于砂层整治效果, 实践证明洞外采用地表垂直高压旋喷注浆固结、洞内采用超前预注浆支护措施, 三台阶预留核心土分部开挖法开挖辅以超前钻、径向注浆、加强支护等措施穿越浅埋砂层段的技术方案是可行的。在高压旋喷加固及洞内加强支护等相关措施下, 细砂层自稳性增强, 无溜塌、涌砂现象。

1) 加强地质勘探, 详细探明不良地质段地质分布情况, 以便采取相应的整治措施。

2) 砂层渗透系数小、层间结合性差, 可采取先注水湿润后胶结形成裂隙通道再注浆加固, 可取得良好的注浆固结效果;其次地表旋喷桩垂直加固及结合洞内密排超前支护, 增加了砂层自稳性, 对防漏砂、涌砂施工效果非常好。

3) 台阶分部开挖时严格控制各部台阶长度并做到步步为营、随挖随护、及时封闭, 有利保证隧道施工安全。