加拿大優化利用水資源的新隧洞

里查德.A.埃弗德爾

劉洪亮 譯自英刊《水力發電與壩工建設》2009年第5期

加拿大的尼亞加拉河兩側的水電開發經歷了一個多世紀。第1批電站是建在瀑布附近,僅利用瀑布附近的水頭,所有電站均按25Hz頻率發電。加拿大尼亞加拉電力公司(CNP)、多倫多電力公司(TP)、安大略電力公司(OP)修建的電站位于加拿大側,而亞當斯電站和施庫爾科普夫電站則修在美國側。位于加拿大側的這些電站由私營公司在1900～1910年修建。OP和 TP的電力設施在1920年被安大略水電委員會購買。該委員會后改名為安大略水電公司,即安大略電力公司(OPG)的前身。

阿達姆貝克爵士1號電站(SAB1)建于20世紀20年代初,是 OPG的第三大水電站,裝有10臺機組,總裝機容量為 498 MW。.它是尼亞加拉河上首次利用瀑布上下游險灘的有效水頭發電的水電站,利用了伊利湖與安大略湖之間 95%的落差。在奇珀瓦與昆斯頓之間修建了一條明渠,以 600m3/s從尼亞加拉河引水供 SAB1發電。SAB1水電站原來所有機組都是生產25 Hz電力,但是,自20世紀50年代安大略電力公司實行標準化以來,有8臺機組改為生產 60Hz電力。另2臺機組繼續生產25 Hz的電力向少數用戶供電。

阿達姆貝克爵士2號電站(SAB2)是 OPG最大的水電站,安裝有16臺機組,總裝機容量為1499 MW。該電站于20世紀50年代初期修建,1954年首次投入運行。2條直徑為13.7 m,長 8 km的引水隧洞與 3 km長的明渠連接,以1200m3/s引水發電。

SAB2水電站于1996～2005年進行了大修和改造,對水輪機、發電機和其他主要設備進行了更換,恢復了電站的運行可靠性,增加裝機容量194 MW。

阿達姆貝克爵士抽水蓄能電站(PGS)和水庫也建于20世紀50年代,1958年首次投入運行。該電站裝有6臺可逆式機組,總額定容量為174 MW。PGS水庫是一座人工水庫,由堆石堤圍成。該水庫運行水頭范圍為8.2 m,庫容2000萬 m3。一般在低荷時(晚上或周末),水通過 SAB渠抽入 PGS水庫,峰荷時,則放水供 PGS、SAB1和 SAB2發電用。

阿達姆貝克爵士 -尼亞加拉電站的總裝機容量占 OPG水電裝機的 30%,所發電力占 OPG清潔、可再生水電的 35%。

1956年,斯庫爾科普夫水電站由于災難性的山體滑坡而受到破壞,并導致廠房部分滑入尼亞加拉河。20世紀 60年代初,美國紐約電力管理局(NYPA)修建了裝機2400MW的羅伯特摩西水電站和裝機 300MW的劉易斯頓抽水蓄能水電站,這兩座電站在下尼亞加拉河上與 SAB的電站相對視。這樣就使美國可以利用大部分可利用的水,而讓效率較低的阿達姆斯和斯庫爾科普夫水電站停止運行。

由于對25Hz的電力需求減少,該河流加拿大側的 TP、OP和 CNP的電站也逐漸關閉。根據1950年的協議條款,OPG的阿姆貝克爵士樞紐的其他水電站已沒有足夠的引水能力充分利用該河給加拿大的流量配額。

在建的尼亞加拉隧洞工程可以恢復安大略有效利用分配給加拿大的水的能力。當這條新的尼亞加拉隧洞投入運行時,引用的水可使現有阿達姆貝克爵士水電站多生產14%的電力,年均發電量可增加約16億 kW?h,可為安大略省16萬戶居民提供足夠的清潔、可再生的水電。

1 決定修建隧洞

新的尼亞加拉隧洞工程的施工準備工作于1982年開始,當時安大略水電公司已開始研究擴大其尼亞加拉河水電站的可能性。1988～1994年,進行了詳細的工程、環境和社會經濟方面的研究,于1991年提交了關于擬建工程(2條引水量為500m3/s的隧洞,一座 3×900MW的地下式水電站,以及尼亞加拉瀑布與哈密爾頓之間的輸電線路改造工程)的環境評價報告(EA)。

環境評價過程中所做出的承諾包括,使用隧洞掘進機(TBM)從出口端開挖隧洞,經過填埋的 St.戴維峽谷下面,然后沿現有的 SAB2隧洞通過尼亞加拉瀑布市;重新利用開挖料,并因預計工程對旅游和都市設施造成的影響,承諾對主要城鎮、尼亞加拉地區、尼亞加拉瀑布和尼亞加拉湖畔地區進行補償。1998年,安大略環境部長批準了環境影響評價報告,報告中包括開始修建一條隧洞(尼亞加拉隧洞工程)的條款。

2 項目小組

由于具有隧洞設計和施工的豐富經驗,對工程所作的前期工作和對工區的了解,OPG作為業主代表,參加了工程設計 -施工合同的管理工作,負責審查設計資料和監督施工。

通過國際招標,OPG與斯特拉貝格簽訂了尼亞加拉隧洞的設計和施工合同。斯特拉貝格的總部設在奧地利的維也納,該承包商具有豐富的國際隧洞施工經驗,承建過歐洲的許多公路和鐵路隧道。斯特拉貝格項目組包括:奧地利的 ILF(負責隧洞工程)、多倫多的莫里森赫希菲爾德(負責地面工程)、米西索加的舍伍德(負責圍堰工程),以及幾個當地的專業分包商。分包商包括:奧克維爾的達菲因建筑公司(負責地面工程和開挖料處理)、薩德伯里的卡斯頓加伊公司(負責爆破)、哈密爾頓的 McNally和貝爾明漢公司(負責水下工程)、阿通的 Geofoundations公司(負責灌漿施工)、多倫多的達菲因康克里特公司(負責噴混凝土和混凝土的供應)以及多倫多的杰格爾公司(負責質量控制)。

3 地質環境

尼亞加拉地區為寒武紀奧陶紀和志留紀沉積巖覆蓋,總厚度約 800～900m(圖1)。水平層附近的巖層構造是從東向西傾斜2m/km。巖層包括:白云巖、白云灰巖、砂巖和頁巖。尼亞加拉河谷是在約12000a前最后的冰川大退縮期間沖刷形成的。尼亞加拉河穿過 St.戴維河谷,但在約10000a前,其河道線變成了目前的河線。瀑布受沖蝕,以約1m/a的速度退縮,變成目前的狀態。由于采取了補救措施,并引用了大約2/3的河水發電,目前退縮速度已減慢。

圖1 工程地質情況

分階段進行了地質調查,其調查內容包括:58個勘探鉆孔、現場應力測量、一些地下水監測井和一個探洞。1983～1989年,安大略水電公司對可能的開發方案進行了方案設想階段研究。1990～1993年,進行了確定方案的工程研究。1992～1993年的研究工作包括:在距隧洞出口約1 km的昆斯頓地層中,將導洞試擴成12m的直徑開挖。

在昆斯頓頁泥巖上面各地層中,無側限抗壓強度為12～242 MPa,而抗拉強度則為 6～9 MPa。在昆斯頓地層中,無側限抗壓強度為7～120MPa,抗拉強度為1～14MPa。

隧洞施工的圍巖問題包括:

(1)現場“鎖定”的水平應力高出垂直應力2～4倍。

(2)當暴露在空氣中時,頁巖發生剝蝕。

(3)地下水的情況包括:上面單元強透水的含水層、含有結晶白云巖和灰泥巖地層以下的強腐蝕地下水、含有暗灰鈣質頁巖和白云巖夾層,以及紅頁巖與粘土質灰巖地層中的弱透水性但卻具有強腐蝕性的原生孔隙水。

(4)在不同的地層發現了天然氣(沼氣)。

(5)時間相關的變形,包括高應力釋放引起的對開挖面的擠壓。在尼亞加拉地區,對頁巖單元的膨脹力有詳細記錄。可以認為,這是由于高現場應力釋放引起的,頁巖在淡水中或濕潤環境中產生膨脹,且也由于原生水中鹽離子擴散而引起膨脹。

4 隧洞設計

規劃的隧洞定線從出口按7.28%斜度下行1400m穿過上沉積層進入昆斯頓頁巖層,到達距地面140m深處。從該處開始,規劃的隧洞在按7.28%的斜度升向進水口(此段長度約1200m)之前,約有7800m長是沿著一個采用較平緩的平面延伸的,所有水平與垂直曲線段的曲率半徑均為1000m,而且沒有復合的曲線段(圖2)。

圖2 重新定線的尼亞加拉隧洞剖面

安全開挖和支護昆斯頓頁巖時主要問題導致隧洞部分不得不改變線路,在沿隧洞掘進線 3300m處開始,升至淡灰色交錯砂巖地層下側,約距地面100m。為了便于重新定線,水平定線向東移動了200m,正好移到了斯坦利大道之下,而且走出了現有的 SAB2隧洞的陰影部分。隧洞長度縮短了200m,為10.2 km。

昆斯頓巖層粘土礦物吸收水分膨脹,造成巖石膨脹,這可能使隧洞襯砌處于很大的應力之下。在工程方案確定階段,對巖體膨脹進行了仔細研究。斯特拉貝格設計的特色是采用雙通道法,以保證隧洞不受膨脹巖體的影響。

在進行隧洞開挖時,在隧洞掘進機刀盤的后面,工人安裝了不同組合的鋼架、鋼絲網和巖石錨栓以加固巖體。然后在圍巖表面噴一層混凝土以覆蓋暴露的巖體,形成保護殼。隨后用聚烯防水膜對隧洞進行襯砌,防止隧洞中的淡水進入圍巖,以消除膨脹潛力。最后一道襯砌為 600mm厚的現澆混凝土。

隧洞采用外徑為14.44 m的 Robbins全斷面開敞夾具的隧洞掘進機開挖。這種型號是目前世界上最大的隧洞掘進機。隧洞設計內徑為12.4～13 m,視圍巖條件確定的初步支護類型而定。

采用小洞徑的情況極少,在那種情況下,需要用鋼架和鋼絲網以及25MPa的噴射混凝土支護,噴射混凝土厚度達到100mm。其他初步支護類型則需要根據具體情況而做相應的變化,從采用鋼絲網加50mm厚的噴射混凝土,變化到采用槽鋼加鋼絲網和長度達到 6 m的巖石錨桿,以及厚度為 80mm的25 MPa噴射混凝土。

最終,襯砌結合一層聚烯防滲膜(以防止圍巖膨脹 ),并采用120°現澆混凝土底板、240°現澆混凝土頂拱、接觸灌漿以充填孔隙、以及界面灌漿以施加預應力,抵消輸水運行期間的內水壓力 。防滲膜鋪放在噴于暴露巖面的噴射混凝土層與最終混凝土襯砌之間。這對隧洞襯砌的設計使用壽命和質量最為重要,因為這層防滲膜可以防止流過隧洞的淡水滲入圍巖,并置換封閉于巖石內的超飽和鹽水,如果達到這種要求,那么隧洞圍巖,特別是昆斯頓頁巖就會膨脹,使混凝土襯砌產生超應力。

在北美很少使用這種防滲膜,但在歐洲的許多公路和鐵路隧道施工中則使用得較多。使用這種防滲膜的益處是,用于建造最終襯砌的混凝土較薄,且不需要鋼筋。混凝土襯砌厚度已根據結構要求和澆筑限制進行了優化。

5 隧洞施工

隧洞開挖用“大貝基式”隧洞掘進機進行,由工人進行支護。“大貝基式”隧洞掘進機長150m,重約4000t,大貝基是通過尼亞加拉地區的學生參與征名競賽活動而確定的。選擇這個名稱是為了紀念阿達姆貝克爵士,他曾經主持過美國一座電站的建設工作。

大貝基的設計、制造和裝配花了不到12個月的時間 。利用由德國、匈牙利、意大利、斯洛文尼亞、英國、美國和加拿大運送來的定制部件,在長 300m、寬23m、深 30m的巖石開挖出口內進行裝配。

該隧道掘進機正在尼亞加拉瀑布市地下進行掘進,從昆斯頓附近的阿達姆貝克爵士發電樞紐開始,一直開挖到霍斯舒瀑布上游1.5 km處的國際尼亞加拉控制工程為止。該控制工程沿尼亞加拉河橫向延伸了大約半個河寬,以便按照1950年簽訂的協議調節該瀑布的流量,并有利于對水電站引水進口附近的浮冰進行管理。

大貝基的刀盤配有85×508 mm的刀具,用15×315 kW的可變頻電動機驅動,以掘進尼亞加拉瀑布下4.5億年前的巖石。該掘進機在隧洞中掘進,首先是利用液壓活塞將重型鋼夾具墊撐板推壓在隧洞的側面作為支護面,刀盤以5 r/min的轉速轉動,然后隨著液壓缸向前推動刀盤,刀盤楔入硬巖1.8m。為了支護,在降低后腿后,收回夾緊裝置,用另一組液壓缸將后備掛車拉向前,與在履軌上移動的隧洞掘進機的前部相接。

一組運輸能力為1600t/h的皮帶機將開挖的巖石運到隧道外位于阿達姆貝克爵士電站處的OPG專用儲料場,開挖的昆斯頓頁巖將提供給安大略粘土磚廠制磚,而在進水口和出水口處開挖的灰巖,則回收后供現場利用和附近的公共工程使用。

大貝基于2006年 9月開始用于地下工程施工。將花幾年時間完成隧洞掘進。到那時,大貝基將到達隧洞的進水口處 ,將開挖巖石方量170萬 m3。

與建 SAB1需要10000工人相比,新尼亞加拉隧洞平均只用工人230名,施工高峰期也只達到350人。每周施工7 d,每天24 h,主要生產勞動力分為2班施工,每班工作10h,另外還有一個維修班。雖然施工條件具有挑戰性,現場施工迄今已超過220萬工時,但工作組和現場管理小組實現了工傷誤工率低于1/200000的目標,同安大略省大型土建施工企業2.9/200000的工傷誤工率相比具有明顯的優勢。現場工作組面臨的另一個挑戰是由于現澆混凝土襯砌與隧洞掘進機開挖同步進行,因此必須不斷地為各施工平臺提供服務和后勤工作。在隧洞掘進機挖通隧洞之前,最多可分 4段同時進行施工。

6 襯砌施工臺

2008年12月,800t重的底板襯砌施工臺投入使用,它跟隨在隧道掘進機后面約 3000m。該設備由斯特拉貝格集團隧道掘進機公司和貝基塔格公司設計和制造。橋架段長 87 m,兩端傾斜,當鋪設防滲膜和澆筑底板混凝土時,橡膠輪供料車可在單獨的通道內不間斷地移動。底板模板上的拱頂支撐和側墻支撐是防止隆脹所必須的,其設計已考慮到不影響直徑為2.6m的新鮮空氣的輸送管道。這樣就可繞開沿洞頂或洞壁安裝的皮帶機以及對應安裝的電力、通訊和供水設施順暢運行。底板采用2套12.5 m長的模板澆筑,該模板可蛙躍般地推進,以利于底板襯砌每天推進25 m。

對于洞頂,特別是在昆斯頓頁巖層發生過過度崩落事故的區域,需要增加100t的填補作業運載臺車,以使隧洞斷面恢復到鋪設防滲膜和澆筑頂拱混凝土前的樣子。該臺車將跟隨在底板襯砌后面約1500m,于2009年 9月投入使用。填補作業臺車設置有升降平臺,以便容納鑿巖臺車、灌漿設備、噴漿機器人和材料運輸設備(為恢復拱斷面所必須的)。

跟在填補作業臺車后面,相距1500m的是1500m長的加密支撐架,有2個12.5m長的頂拱模板和相關的鋪膜平臺,其構形像底板倒拱襯砌平臺一樣,以便于每日推進25m。頂拱安裝臺車重達1800t,總長約 450m。設計中要求采用重型鋼構件,以便能夠承受混凝土的荷載。防滲膜的安裝將應用 Velcro將其鋪放就位,所有接縫采用熱焊,并進行全面測試。沿隧洞襯砌每隔 3m設有帶出漿孔的灌漿管,以便于隨后進行灌漿作業。

頂拱襯砌臺車裝載輔助裝置和通風設備,同時還有這些設備固緊在作為臺車上部結構一部分的固定裝置上的皮帶機,以便在鋪防滲膜和澆筑頂拱混凝土時,將它們送到工作區。

在頂拱混凝土作業區后面2000m,有一個 60t重的接觸灌漿臺。對60t重預應力灌漿施工平臺后面隨后的1500m,則將進行隧洞永久襯砌。尼亞加拉隧洞的襯砌系統詳見圖 3。

目前使用2臺 355 kW風機進行通風,以75 m3/s向隧洞掘進機送氣。在隧洞掘進機的備用裝置上,安裝了一臺75kW的風機。一旦開始拱襯砌,將向立模區增送空氣75m3/s,以消散養護過程中產生的熱量。

圖3 尼亞加拉隧洞襯砌系統

為了向隧洞供應噴射混凝土和混凝土,在隧洞入口外側,建造了一座混凝土拌和樓,并設置了一座水處理站,用于凈化從隧洞抽出的水,然后將其排入附近的發電引水渠。

7 進水建筑物

在國際尼亞加拉控制工程的閘門位置,已采用了水下爆破施工,堆放著預澆混凝土隔倉,并已回填、封頂,以替換導冰墻和河岸擋土墻。在該河流中已建起了板樁圍堰,2007年7月基坑排水。對引水渠工程進行了爆破和巖石開挖,并進行了灌漿,以堵住兩個主要的入流源,防止圍堰滲漏和河床水平層滲流。采用控制爆破,用巷道掘進機剝除表層和靠模加工,獲得了理想的洞口斷面。

目前正在尼亞加拉河床下施工的長 400m、寬 8 m、高7 m的灌漿隧洞,是為隧洞掘進機打隧洞的地層預先處理和防滲進行的準備工作,一旦主隧洞完成施工,便可有利于隧洞掘進機的調動。隨著隧洞施工的進展,為了預先處理巖層,正在進行大量灌漿工作,以使隧洞掘進機能沿灌漿隧洞掘進,不致遭受造成問題的來水,讓隧洞掘進機的刀盤頂部剛好處在灌漿隧洞頂的下面。

8 養護狀況

2006年 9月,用該隧道掘進機從隧洞出口處開始進行開挖,隧洞按7.82%坡度向下掘進,隧洞通過頁巖、灰巖和白云巖等10個巖層。在穿透旋渦(Whirlpool)砂巖(一層硬磨蝕性巖)后,大貝基遇到了非常軟弱的昆斯頓巖層。

在通過這2個巖層之間的接觸區時,施工進展困難,因此需要完成緊靠隧洞掘進機刀盤后面初期支護區的大量修整工作,以加強初期巖石支護和工人的安全,這是工程首先要考慮的問題。

在緊靠旋渦砂巖下和處于下埋 St.戴維河谷下的昆斯頓頁巖中,斯特拉貝格安裝了一組長 9 m的水平鋼管管棚,以預先支護大貝基刀盤上面的洞頂巖石。由于采用了這種臨時措施,使隧道掘進機的施工進度減慢到不到 3m/d。隨著巖石條件得到改善,管棚支護措施中止,因此隧道掘進機推進速度加快。在昆斯頓頁巖地層中,洞頂超挖最大達到 4m,平均1.5 m。由于施工隊有了經驗,在這種情況下,目前隧道掘進機的推進速度平均達到7 m/d。

2009年 4月中旬,隧洞掘進機已推進了 3900多 m,底板混凝土襯砌完成約200m。隧洞掘進機的開挖進度比預期的慢,進度計劃仍存在相當大的不確定性,直到修改隧洞定線之后,隧洞掘進機的掘進才比較順利。

目前正在就重新制定一個完工施工進度計劃和合同費用(與爭議審議委員會的建議相符)進行協商,這涉及已證實的不同的地下昆斯頓頁巖地層的情況。而且還涉及相關洞頂的過度超挖,這是由于經歷了具有挑戰性的開挖和支承洞頂昆斯頓頁巖的超限應力而造成的。正在進行的協商包括變更合同,這與將隧洞定線改到上覆昆斯頓頁巖的更加堅硬的巖層有關。

在大貝基隧洞掘進機完成施工后,還需要再用2 a的時間來完成永久混凝土襯砌和修建隧洞進出口處的永久建筑物。新隧洞預期可至少運行 90a,且不會因維護而中斷運行。