加拿大优化利用水资源的新隧洞

里查德.A.埃弗德尔

刘洪亮 译自英刊《水力发电与坝工建设》2009年第5期

加拿大的尼亚加拉河两侧的水电开发经历了一个多世纪。第1批电站是建在瀑布附近,仅利用瀑布附近的水头,所有电站均按25Hz频率发电。加拿大尼亚加拉电力公司(CNP)、多伦多电力公司(TP)、安大略电力公司(OP)修建的电站位于加拿大侧,而亚当斯电站和施库尔科普夫电站则修在美国侧。位于加拿大侧的这些电站由私营公司在1900～1910年修建。OP和 TP的电力设施在1920年被安大略水电委员会购买。该委员会后改名为安大略水电公司,即安大略电力公司(OPG)的前身。

阿达姆贝克爵士1号电站(SAB1)建于20世纪20年代初,是 OPG的第三大水电站,装有10台机组,总装机容量为 498 MW。.它是尼亚加拉河上首次利用瀑布上下游险滩的有效水头发电的水电站,利用了伊利湖与安大略湖之间 95%的落差。在奇珀瓦与昆斯顿之间修建了一条明渠,以 600m3/s从尼亚加拉河引水供 SAB1发电。SAB1水电站原来所有机组都是生产25 Hz电力,但是,自20世纪50年代安大略电力公司实行标准化以来,有8台机组改为生产 60Hz电力。另2台机组继续生产25 Hz的电力向少数用户供电。

阿达姆贝克爵士2号电站(SAB2)是 OPG最大的水电站,安装有16台机组,总装机容量为1499 MW。该电站于20世纪50年代初期修建,1954年首次投入运行。2条直径为13.7 m,长 8 km的引水隧洞与 3 km长的明渠连接,以1200m3/s引水发电。

SAB2水电站于1996～2005年进行了大修和改造,对水轮机、发电机和其他主要设备进行了更换,恢复了电站的运行可靠性,增加装机容量194 MW。

阿达姆贝克爵士抽水蓄能电站(PGS)和水库也建于20世纪50年代,1958年首次投入运行。该电站装有6台可逆式机组,总额定容量为174 MW。PGS水库是一座人工水库,由堆石堤围成。该水库运行水头范围为8.2 m,库容2000万 m3。一般在低荷时(晚上或周末),水通过 SAB渠抽入 PGS水库,峰荷时,则放水供 PGS、SAB1和 SAB2发电用。

阿达姆贝克爵士 -尼亚加拉电站的总装机容量占 OPG水电装机的 30%,所发电力占 OPG清洁、可再生水电的 35%。

1956年,斯库尔科普夫水电站由于灾难性的山体滑坡而受到破坏,并导致厂房部分滑入尼亚加拉河。20世纪 60年代初,美国纽约电力管理局(NYPA)修建了装机2400MW的罗伯特摩西水电站和装机 300MW的刘易斯顿抽水蓄能水电站,这两座电站在下尼亚加拉河上与 SAB的电站相对视。这样就使美国可以利用大部分可利用的水,而让效率较低的阿达姆斯和斯库尔科普夫水电站停止运行。

由于对25Hz的电力需求减少,该河流加拿大侧的 TP、OP和 CNP的电站也逐渐关闭。根据1950年的协议条款,OPG的阿姆贝克爵士枢纽的其他水电站已没有足够的引水能力充分利用该河给加拿大的流量配额。

在建的尼亚加拉隧洞工程可以恢复安大略有效利用分配给加拿大的水的能力。当这条新的尼亚加拉隧洞投入运行时,引用的水可使现有阿达姆贝克爵士水电站多生产14%的电力,年均发电量可增加约16亿 kW◦h,可为安大略省16万户居民提供足够的清洁、可再生的水电。

1 决定修建隧洞

新的尼亚加拉隧洞工程的施工准备工作于1982年开始,当时安大略水电公司已开始研究扩大其尼亚加拉河水电站的可能性。1988～1994年,进行了详细的工程、环境和社会经济方面的研究,于1991年提交了关于拟建工程(2条引水量为500m3/s的隧洞,一座 3×900MW的地下式水电站,以及尼亚加拉瀑布与哈密尔顿之间的输电线路改造工程)的环境评价报告(EA)。

环境评价过程中所做出的承诺包括,使用隧洞掘进机(TBM)从出口端开挖隧洞,经过填埋的 St.戴维峡谷下面,然后沿现有的 SAB2隧洞通过尼亚加拉瀑布市;重新利用开挖料,并因预计工程对旅游和都市设施造成的影响,承诺对主要城镇、尼亚加拉地区、尼亚加拉瀑布和尼亚加拉湖畔地区进行补偿。1998年,安大略环境部长批准了环境影响评价报告,报告中包括开始修建一条隧洞(尼亚加拉隧洞工程)的条款。

2 项目小组

由于具有隧洞设计和施工的丰富经验,对工程所作的前期工作和对工区的了解,OPG作为业主代表,参加了工程设计 -施工合同的管理工作,负责审查设计资料和监督施工。

通过国际招标,OPG与斯特拉贝格签订了尼亚加拉隧洞的设计和施工合同。斯特拉贝格的总部设在奥地利的维也纳,该承包商具有丰富的国际隧洞施工经验,承建过欧洲的许多公路和铁路隧道。斯特拉贝格项目组包括:奥地利的 ILF(负责隧洞工程)、多伦多的莫里森赫希菲尔德(负责地面工程)、米西索加的舍伍德(负责围堰工程),以及几个当地的专业分包商。分包商包括:奥克维尔的达菲因建筑公司(负责地面工程和开挖料处理)、萨德伯里的卡斯顿加伊公司(负责爆破)、哈密尔顿的 McNally和贝尔明汉公司(负责水下工程)、阿通的 Geofoundations公司(负责灌浆施工)、多伦多的达菲因康克里特公司(负责喷混凝土和混凝土的供应)以及多伦多的杰格尔公司(负责质量控制)。

3 地质环境

尼亚加拉地区为寒武纪奥陶纪和志留纪沉积岩覆盖,总厚度约 800～900m(图1)。水平层附近的岩层构造是从东向西倾斜2m/km。岩层包括:白云岩、白云灰岩、砂岩和页岩。尼亚加拉河谷是在约12000a前最后的冰川大退缩期间冲刷形成的。尼亚加拉河穿过 St.戴维河谷,但在约10000a前,其河道线变成了目前的河线。瀑布受冲蚀,以约1m/a的速度退缩,变成目前的状态。由于采取了补救措施,并引用了大约2/3的河水发电,目前退缩速度已减慢。

图1 工程地质情况

分阶段进行了地质调查,其调查内容包括:58个勘探钻孔、现场应力测量、一些地下水监测井和一个探洞。1983～1989年,安大略水电公司对可能的开发方案进行了方案设想阶段研究。1990～1993年,进行了确定方案的工程研究。1992～1993年的研究工作包括:在距隧洞出口约1 km的昆斯顿地层中,将导洞试扩成12m的直径开挖。

在昆斯顿页泥岩上面各地层中,无侧限抗压强度为12～242 MPa,而抗拉强度则为 6～9 MPa。在昆斯顿地层中,无侧限抗压强度为7～120MPa,抗拉强度为1～14MPa。

隧洞施工的围岩问题包括:

(1)现场“锁定”的水平应力高出垂直应力2～4倍。

(2)当暴露在空气中时,页岩发生剥蚀。

(3)地下水的情况包括:上面单元强透水的含水层、含有结晶白云岩和灰泥岩地层以下的强腐蚀地下水、含有暗灰钙质页岩和白云岩夹层,以及红页岩与粘土质灰岩地层中的弱透水性但却具有强腐蚀性的原生孔隙水。

(4)在不同的地层发现了天然气(沼气)。

(5)时间相关的变形,包括高应力释放引起的对开挖面的挤压。在尼亚加拉地区,对页岩单元的膨胀力有详细记录。可以认为,这是由于高现场应力释放引起的,页岩在淡水中或湿润环境中产生膨胀,且也由于原生水中盐离子扩散而引起膨胀。

4 隧洞设计

规划的隧洞定线从出口按7.28%斜度下行1400m穿过上沉积层进入昆斯顿页岩层,到达距地面140m深处。从该处开始,规划的隧洞在按7.28%的斜度升向进水口(此段长度约1200m)之前,约有7800m长是沿着一个采用较平缓的平面延伸的,所有水平与垂直曲线段的曲率半径均为1000m,而且没有复合的曲线段(图2)。

图2 重新定线的尼亚加拉隧洞剖面

安全开挖和支护昆斯顿页岩时主要问题导致隧洞部分不得不改变线路,在沿隧洞掘进线 3300m处开始,升至淡灰色交错砂岩地层下侧,约距地面100m。为了便于重新定线,水平定线向东移动了200m,正好移到了斯坦利大道之下,而且走出了现有的 SAB2隧洞的阴影部分。隧洞长度缩短了200m,为10.2 km。

昆斯顿岩层粘土矿物吸收水分膨胀,造成岩石膨胀,这可能使隧洞衬砌处于很大的应力之下。在工程方案确定阶段,对岩体膨胀进行了仔细研究。斯特拉贝格设计的特色是采用双通道法,以保证隧洞不受膨胀岩体的影响。

在进行隧洞开挖时,在隧洞掘进机刀盘的后面,工人安装了不同组合的钢架、钢丝网和岩石锚栓以加固岩体。然后在围岩表面喷一层混凝土以覆盖暴露的岩体,形成保护壳。随后用聚烯防水膜对隧洞进行衬砌,防止隧洞中的淡水进入围岩,以消除膨胀潜力。最后一道衬砌为 600mm厚的现浇混凝土。

隧洞采用外径为14.44 m的 Robbins全断面开敞夹具的隧洞掘进机开挖。这种型号是目前世界上最大的隧洞掘进机。隧洞设计内径为12.4～13 m,视围岩条件确定的初步支护类型而定。

采用小洞径的情况极少,在那种情况下,需要用钢架和钢丝网以及25MPa的喷射混凝土支护,喷射混凝土厚度达到100mm。其他初步支护类型则需要根据具体情况而做相应的变化,从采用钢丝网加50mm厚的喷射混凝土,变化到采用槽钢加钢丝网和长度达到 6 m的岩石锚杆,以及厚度为 80mm的25 MPa喷射混凝土。

最终,衬砌结合一层聚烯防渗膜(以防止围岩膨胀 ),并采用120°现浇混凝土底板、240°现浇混凝土顶拱、接触灌浆以充填孔隙、以及界面灌浆以施加预应力,抵消输水运行期间的内水压力 。防渗膜铺放在喷于暴露岩面的喷射混凝土层与最终混凝土衬砌之间。这对隧洞衬砌的设计使用寿命和质量最为重要,因为这层防渗膜可以防止流过隧洞的淡水渗入围岩,并置换封闭于岩石内的超饱和盐水,如果达到这种要求,那么隧洞围岩,特别是昆斯顿页岩就会膨胀,使混凝土衬砌产生超应力。

在北美很少使用这种防渗膜,但在欧洲的许多公路和铁路隧道施工中则使用得较多。使用这种防渗膜的益处是,用于建造最终衬砌的混凝土较薄,且不需要钢筋。混凝土衬砌厚度已根据结构要求和浇筑限制进行了优化。

5 隧洞施工

隧洞开挖用“大贝基式”隧洞掘进机进行,由工人进行支护。“大贝基式”隧洞掘进机长150m,重约4000t,大贝基是通过尼亚加拉地区的学生参与征名竞赛活动而确定的。选择这个名称是为了纪念阿达姆贝克爵士,他曾经主持过美国一座电站的建设工作。

大贝基的设计、制造和装配花了不到12个月的时间 。利用由德国、匈牙利、意大利、斯洛文尼亚、英国、美国和加拿大运送来的定制部件,在长 300m、宽23m、深 30m的岩石开挖出口内进行装配。

该隧道掘进机正在尼亚加拉瀑布市地下进行掘进,从昆斯顿附近的阿达姆贝克爵士发电枢纽开始,一直开挖到霍斯舒瀑布上游1.5 km处的国际尼亚加拉控制工程为止。该控制工程沿尼亚加拉河横向延伸了大约半个河宽,以便按照1950年签订的协议调节该瀑布的流量,并有利于对水电站引水进口附近的浮冰进行管理。

大贝基的刀盘配有85×508 mm的刀具,用15×315 kW的可变频电动机驱动,以掘进尼亚加拉瀑布下4.5亿年前的岩石。该掘进机在隧洞中掘进,首先是利用液压活塞将重型钢夹具垫撑板推压在隧洞的侧面作为支护面,刀盘以5 r/min的转速转动,然后随着液压缸向前推动刀盘,刀盘楔入硬岩1.8m。为了支护,在降低后腿后,收回夹紧装置,用另一组液压缸将后备挂车拉向前,与在履轨上移动的隧洞掘进机的前部相接。

一组运输能力为1600t/h的皮带机将开挖的岩石运到隧道外位于阿达姆贝克爵士电站处的OPG专用储料场,开挖的昆斯顿页岩将提供给安大略粘土砖厂制砖,而在进水口和出水口处开挖的灰岩,则回收后供现场利用和附近的公共工程使用。

大贝基于2006年 9月开始用于地下工程施工。将花几年时间完成隧洞掘进。到那时,大贝基将到达隧洞的进水口处 ,将开挖岩石方量170万 m3。

与建 SAB1需要10000工人相比,新尼亚加拉隧洞平均只用工人230名,施工高峰期也只达到350人。每周施工7 d,每天24 h,主要生产劳动力分为2班施工,每班工作10h,另外还有一个维修班。虽然施工条件具有挑战性,现场施工迄今已超过220万工时,但工作组和现场管理小组实现了工伤误工率低于1/200000的目标,同安大略省大型土建施工企业2.9/200000的工伤误工率相比具有明显的优势。现场工作组面临的另一个挑战是由于现浇混凝土衬砌与隧洞掘进机开挖同步进行,因此必须不断地为各施工平台提供服务和后勤工作。在隧洞掘进机挖通隧洞之前,最多可分 4段同时进行施工。

6 衬砌施工台

2008年12月,800t重的底板衬砌施工台投入使用,它跟随在隧道掘进机后面约 3000m。该设备由斯特拉贝格集团隧道掘进机公司和贝基塔格公司设计和制造。桥架段长 87 m,两端倾斜,当铺设防渗膜和浇筑底板混凝土时,橡胶轮供料车可在单独的通道内不间断地移动。底板模板上的拱顶支撑和侧墙支撑是防止隆胀所必须的,其设计已考虑到不影响直径为2.6m的新鲜空气的输送管道。这样就可绕开沿洞顶或洞壁安装的皮带机以及对应安装的电力、通讯和供水设施顺畅运行。底板采用2套12.5 m长的模板浇筑,该模板可蛙跃般地推进,以利于底板衬砌每天推进25 m。

对于洞顶,特别是在昆斯顿页岩层发生过过度崩落事故的区域,需要增加100t的填补作业运载台车,以使隧洞断面恢复到铺设防渗膜和浇筑顶拱混凝土前的样子。该台车将跟随在底板衬砌后面约1500m,于2009年 9月投入使用。填补作业台车设置有升降平台,以便容纳凿岩台车、灌浆设备、喷浆机器人和材料运输设备(为恢复拱断面所必须的)。

跟在填补作业台车后面,相距1500m的是1500m长的加密支撑架,有2个12.5m长的顶拱模板和相关的铺膜平台,其构形像底板倒拱衬砌平台一样,以便于每日推进25m。顶拱安装台车重达1800t,总长约 450m。设计中要求采用重型钢构件,以便能够承受混凝土的荷载。防渗膜的安装将应用 Velcro将其铺放就位,所有接缝采用热焊,并进行全面测试。沿隧洞衬砌每隔 3m设有带出浆孔的灌浆管,以便于随后进行灌浆作业。

顶拱衬砌台车装载辅助装置和通风设备,同时还有这些设备固紧在作为台车上部结构一部分的固定装置上的皮带机,以便在铺防渗膜和浇筑顶拱混凝土时,将它们送到工作区。

在顶拱混凝土作业区后面2000m,有一个 60t重的接触灌浆台。对60t重预应力灌浆施工平台后面随后的1500m,则将进行隧洞永久衬砌。尼亚加拉隧洞的衬砌系统详见图 3。

目前使用2台 355 kW风机进行通风,以75 m3/s向隧洞掘进机送气。在隧洞掘进机的备用装置上,安装了一台75kW的风机。一旦开始拱衬砌,将向立模区增送空气75m3/s,以消散养护过程中产生的热量。

图3 尼亚加拉隧洞衬砌系统

为了向隧洞供应喷射混凝土和混凝土,在隧洞入口外侧,建造了一座混凝土拌和楼,并设置了一座水处理站,用于净化从隧洞抽出的水,然后将其排入附近的发电引水渠。

7 进水建筑物

在国际尼亚加拉控制工程的闸门位置,已采用了水下爆破施工,堆放着预浇混凝土隔仓,并已回填、封顶,以替换导冰墙和河岸挡土墙。在该河流中已建起了板桩围堰,2007年7月基坑排水。对引水渠工程进行了爆破和岩石开挖,并进行了灌浆,以堵住两个主要的入流源,防止围堰渗漏和河床水平层渗流。采用控制爆破,用巷道掘进机剥除表层和靠模加工,获得了理想的洞口断面。

目前正在尼亚加拉河床下施工的长 400m、宽 8 m、高7 m的灌浆隧洞,是为隧洞掘进机打隧洞的地层预先处理和防渗进行的准备工作,一旦主隧洞完成施工,便可有利于隧洞掘进机的调动。随着隧洞施工的进展,为了预先处理岩层,正在进行大量灌浆工作,以使隧洞掘进机能沿灌浆隧洞掘进,不致遭受造成问题的来水,让隧洞掘进机的刀盘顶部刚好处在灌浆隧洞顶的下面。

8 养护状况

2006年 9月,用该隧道掘进机从隧洞出口处开始进行开挖,隧洞按7.82%坡度向下掘进,隧洞通过页岩、灰岩和白云岩等10个岩层。在穿透旋涡(Whirlpool)砂岩(一层硬磨蚀性岩)后,大贝基遇到了非常软弱的昆斯顿岩层。

在通过这2个岩层之间的接触区时,施工进展困难,因此需要完成紧靠隧洞掘进机刀盘后面初期支护区的大量修整工作,以加强初期岩石支护和工人的安全,这是工程首先要考虑的问题。

在紧靠旋涡砂岩下和处于下埋 St.戴维河谷下的昆斯顿页岩中,斯特拉贝格安装了一组长 9 m的水平钢管管棚,以预先支护大贝基刀盘上面的洞顶岩石。由于采用了这种临时措施,使隧道掘进机的施工进度减慢到不到 3m/d。随着岩石条件得到改善,管棚支护措施中止,因此隧道掘进机推进速度加快。在昆斯顿页岩地层中,洞顶超挖最大达到 4m,平均1.5 m。由于施工队有了经验,在这种情况下,目前隧道掘进机的推进速度平均达到7 m/d。

2009年 4月中旬,隧洞掘进机已推进了 3900多 m,底板混凝土衬砌完成约200m。隧洞掘进机的开挖进度比预期的慢,进度计划仍存在相当大的不确定性,直到修改隧洞定线之后,隧洞掘进机的掘进才比较顺利。

目前正在就重新制定一个完工施工进度计划和合同费用(与争议审议委员会的建议相符)进行协商,这涉及已证实的不同的地下昆斯顿页岩地层的情况。而且还涉及相关洞顶的过度超挖,这是由于经历了具有挑战性的开挖和支承洞顶昆斯顿页岩的超限应力而造成的。正在进行的协商包括变更合同,这与将隧洞定线改到上覆昆斯顿页岩的更加坚硬的岩层有关。

在大贝基隧洞掘进机完成施工后,还需要再用2 a的时间来完成永久混凝土衬砌和修建隧洞进出口处的永久建筑物。新隧洞预期可至少运行 90a,且不会因维护而中断运行。