工程概况
尼亚加拉输水隧道工程位于加拿大安大略省和美国纽约州的交界处,靠近著名的尼亚加拉大瀑布。自20世纪初期开始,美国与加拿大便在此处建设了水电设备用于发电,而经过了一个世纪的发展,原有的设备已经无法满足用电需求。为此,进入新千年后,加拿大开始斥资建设尼亚加拉输水隧道,作为尼亚加拉水电站扩建工程的一部分。
2005年8月,欧洲承包商奥地利Strabag公司中标,负责该项目设计与施工,意在建设一条总长10.4km,开挖直径14.44m,衬砌直径12.5m的输水隧道,最大埋深140m,引水流量500m3/s,设计寿命要求最低90年。
尼亚加拉地区主要为寒武纪奥陶纪和志留纪沉积岩覆盖,总厚度约800~900m。该隧道主要位于昆士顿页岩地带,有石灰岩、白云岩、砂岩和泥岩,强度高达200MPa(29 ksi)。隧道内的岩石有很高的地应力,且包含部分有挤压地层,包含强腐蚀地下水。
掘进装备
工程使用了一台直径14.44m的罗宾斯主梁式硬岩掘进机,这是当时全球最大直径的硬岩TBM,长150m,重约4000t,刀盘推力达18,462kN,最大扭矩达18,670,000N•m。这台掘进机首次采用了20英寸背装刀具,增加刀具寿命并减少换刀。
施工方为了配合TBM的掘进施工,根据不同的岩石特性,设计了6种支护形式,包括不同规格的喷射砼、钢筋网、钢拱与锚杆的组合。隧道内的衬砌分为三层,首先在围岩表面喷一层混凝土以覆盖暴露的岩体,形成保护壳;随后施加一层防水膜,用于隔离地下水与隧道的水力联系,避免洞内淡水外渗导致围岩膨胀,也避免外水内渗侵蚀衬砌,为衬砌设计寿命与质量所必需。防水膜采用PFO,而非隧道内常用的PVC,以抵抗氯离子渗透,避免燃烧时产生有害气体;最后施作厚600mm现浇混凝土二衬。
隧道施工
工程于2005年9月1日开工。该工程首次使用了现场安装调试方案(OFTA),用了不到12个月完成了直径14.44m的主梁式硬岩掘进机的现场组装,早于原定工期。TBM于2006年9月正式始发。
在掘进了大约793m后,掘进机进入了昆士顿的岩页地层,TBM超挖严重,且隧道的顶拱开始出现连续的大块落石。施工方设计了一套围岩支护系统来应对,由3-4m长螺栓、自钻(IBO)锚栓、钢带、钢丝网和钢丝加固喷射混凝土组成,解决了松散岩石地质问题。
穿越困难地层后,TBM掘进机周掘进距离达到153m,月掘进距离达到468m,创下了当时直径11 m以上硬岩掘进机的世界纪录。页岩中每月需更换刀具1~2把,砂岩中每天更换1~2把。然而,前期的困难地层与皮带机出碴能力成了TBM掘进的制约因素之一,大幅延长了隧道施工的工期。工程原计划2010年完工,但到2009年12月,隧道掘进距离仍旧仅5455m,因此合同工期不得不延长3.5年,总投资从9.85亿加元增加到16亿加元。
2011年3月,尼亚加拉隧洞工程全线贯通,2013年全面完成建设并投入使用。