拉日鐵路吉沃希嘎隧道地熱異常特征與防治措施分析

楊新亮

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

拉日鐵路吉沃希嘎隧道地熱異常特征與防治措施分析

楊新亮

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

地熱是拉日鐵路吉沃希嘎隧道施工中的主要工程地質(zhì)問題，查明隧址區(qū)地熱分布特征，并且制定高溫熱害防治措施非常重要?？辈熘薪Y(jié)合物探異常數(shù)據(jù)，布置鉆孔實測地溫，繪制測溫曲線，揭示了隧址區(qū)地熱分布規(guī)律；通過鉆孔測溫數(shù)據(jù)和地溫梯度值對隧道地熱異常區(qū)地溫分級和預測。同時在分析區(qū)域地熱地質(zhì)背景的基拙上，較為詳細地評價了地熱成因及高溫熱害對隧道建設的影響，并給出了相應的防治措施。

鐵路隧道；高原地熱隧道；地溫分級預測；熱害防治

目前,地熱問題已是隧道工程、采礦工程及其他地下工程常見的地質(zhì)災害問題,成為制約以上各項工程施工和運營的瓶頸。國內(nèi)在隧道高地溫方面,雖然系統(tǒng)的工作還沒開展起來,但是隨著隧道工程的快速發(fā)展,高地溫作為隧道地質(zhì)災害問題之一,越來越多地受到人們的關(guān)注,并取得了一系列研究成果。但研究地熱在高原隧洞內(nèi)分布特征及應對高溫熱害的措施較少,因此,在分析吉沃希嘎隧道地質(zhì)特征和斷裂構(gòu)造的基礎(chǔ)上研究隧址區(qū)地熱分布特征、成因及防治措施是有積極意義的。

1 概況

拉日鐵路地處青藏高原西南部,線路東起青藏鐵路終點拉薩站,向南沿拉薩河而下,至曲水縣后折向西溯雅魯藏布江而上,穿越長度近90 km的雅魯藏布江峽谷區(qū),途經(jīng)尼木縣、仁布縣抵達西藏西南重鎮(zhèn)日喀則,線路全長253 km。

拉日鐵路吉沃希嘎隧道為典型的高原地熱隧道,位于雅魯藏布江峽谷區(qū)左岸中高山區(qū),山高坡陡,自然坡度40°～60°,地表植被稀疏,相對高差100 m以上。山體表層溝谷發(fā)育,切割相對較深,溝谷兩岸局部基巖裸露,巖體破碎。隧道起訖里程ⅢDK117+520～ⅢDK121+494,全長3 974 m,洞身一般埋深34～75 m,最大埋深達102 m,設置1座橫洞,長度110 m,與正洞相交于ⅢDK119+454。

2 工程地質(zhì)特征

在充分收集利用區(qū)域地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上,采用遙感解譯、地質(zhì)調(diào)繪、物探、鉆探(深孔、淺孔)及測溫等相結(jié)合的綜合勘察方法,查明了隧址區(qū)地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造［1],并發(fā)現(xiàn)隧道洞身部位存在地熱異?，F(xiàn)象。

2.1 地層巖性

隧道進、出口段通過地層為第四系洪積粉土、角礫土及碎石土、塊石土,洞身主要為燕山期閃長巖,斷層帶為壓碎閃長巖及斷層泥礫。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及地質(zhì)調(diào)繪,隧址區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育,洞身主要通過3條斷層［2],如圖1所示,各斷層特征描述如下。

圖1 吉沃希嘎隧道地形地質(zhì)平面

(1)F4-3斷層:與洞身相交于進口～ⅢDK118+ 050,斷層產(chǎn)狀N32°W/78～88°S,為壓扭性斷層,破碎帶寬度為320～400 m,物質(zhì)為斷層泥礫及壓碎閃長巖。在雅魯藏布江右岸斷層通過處,山體坡面不完整,為不穩(wěn)定斜坡,深切沖溝溝岸兩側(cè)坡面破碎；在雅魯藏布江左岸G318國道邊山坡坡面陡坎下明顯可見斷層破碎帶物質(zhì),青灰色為主,夾有銹黃、灰綠色,主要由斷層角礫組成,含有少量壓碎巖及斷層泥礫,斷層西界為閃長巖,東界被第四系碎石類土覆蓋,跡象不明顯。

(2)f2-6斷層:與洞身相交于ⅢDK118+610～ⅢDK118+663,斷層產(chǎn)狀N25°E/70°S,為逆沖性斷層,破碎帶寬度約為100 m,物質(zhì)為壓碎閃長巖和少量斷層泥礫。在雅魯藏布江左岸斷層東側(cè)發(fā)育一錯落體,洞身范圍內(nèi)表層被第四系地層覆蓋,跡象不明顯。

(3)f1-1斷層:與洞身相交于ⅢDK120+950～ⅢDK121+340,斷層產(chǎn)狀N19°W/20～30°S,為壓扭性斷層,破碎帶寬度為300～380 m,物質(zhì)為斷層泥礫及壓碎閃長巖。該斷層在航片上形跡明顯。在雅魯藏布江左岸G318國道邊山坡坡面陡坎下,斷層西界為閃長巖,東界被第四系地層覆蓋,跡象不明顯。

2.3 地熱異常［3]

勘察階段,物探揭示隧址區(qū)ⅢDK117+700～ⅢDK120+400段閃長巖視電阻率多為100～500 Ω·m,為了驗證低電阻率區(qū)巖體完整程度,初測時在Ⅲ118+ 112右189.4 m布置D1Z-545深孔鉆探,鉆進過程中,在孔深37 m處開始有熱氣冒出,手放在孔口感覺溫暖,不燙手,此種氣體為無色、無味、不燃氣體,終孔后經(jīng)測試顯示該孔最高溫度為54℃,隧道洞身位置溫度為45℃；為此在ⅢDK118+276右204.5 m布置D1Z-546深鉆孔進一步核查,終孔后經(jīng)測試該孔最高溫度為57.7℃,隧道洞身位置溫度為43℃。兩孔的地溫值均高于28℃,且鉆孔中未見水,因此隧址區(qū)地熱異常表現(xiàn)形式為缺少水分的干熱巖石型［4]。由此分析:隧址區(qū)巖體裂隙較發(fā)育,地熱在裂隙中流通,引起地溫上升,巖體溫度高成為影響巖性視電阻率較低的主要原因。

3 地熱分布特征和規(guī)律

針對該隧道洞身通過地熱異常區(qū),高地溫對隧道施工和運營會造成一定的影響,為了查明地下不同深度地溫值變化規(guī)律,在地熱異常段布置完成了17個勘探測溫孔,其中孔深大于l00 m的深孔4個,其余為淺孔,孔深70～90 m,同時在每個鉆孔采用熱敏電阻儀進行了為期1個月的測溫工作。為保證數(shù)據(jù)的準確,在測溫中大多數(shù)鉆孔均在同一月份里進行了4次測量,具體而言,鉆孔成孔時測溫1次,在成孔后7 d、15 d、30 d時各測溫1次,共計測溫4次。同一孔中,在同一深度每次測溫2遍,當2遍測溫數(shù)據(jù)值相差較大時,再補測1遍。每個測溫孔在隧道洞身部位測溫點間距2.5～5 m,其余部分測溫點間距5～10 m,測溫鉆孔一覽見表1。

表1 測溫鉆孔一覽

選取F4-3斷層帶中BD3Z-85鉆孔和f2-6斷層帶附近BD3Z-90鉆孔測溫數(shù)據(jù),分別繪制深度―溫度曲線,不同深度同一個測溫周期繪制成一條曲線,各孔繪制形成4條曲線,如圖2、圖3所示。

圖2 BD3Z-85（ⅢDK117+750左8 m)測溫曲線

圖3 BD3Z-90（ⅢDK118+750左8 m)測溫曲線

從圖2、圖3可以得出如下結(jié)論。

(1)地溫異常區(qū)深度―溫度曲線呈線性變化,即在測溫范圍內(nèi)溫度隨著深度的增加基本呈線性增長。由鉆孔BD3Z-85和BD3Z-90實測地溫數(shù)據(jù)和測溫曲線,分別擬合出線性方程為T=15+0.442h、T=20+ 0.534h。

(2)每個深度不同周期測溫值略有變化,而求出平均值就能很好地反應鉆孔所測的實際地溫,并在一定程度上能夠消除由于外界因素干擾而產(chǎn)生的誤差。

(3)地溫梯度值與深度-溫度線性斜率一致。具體而言:地溫梯度Gradt(℃/m)的確定,是按孔內(nèi)測量的原始數(shù)據(jù)剔除異常數(shù)據(jù)后,按4次測溫的加權(quán)平均值進行如下運算

式中,ˉT為某一深度溫度的加權(quán)平均值；ΔH為深度的增加值。

運用公式(1)可以計算出17個測溫鉆孔的地溫梯度,各鉆孔地溫梯度如表1所示,其中BD3Z-85和BD3Z-90的地溫梯度值分別為44.2℃/100 m、53.4℃/100 m,與上述(1)中的線性方程斜率(按百米換算后)一致。

4 地溫分級預測

4.1 地溫值預測

隧址區(qū)線路方案優(yōu)化時會引起路肩高程的變化,而有些鉆孔的孔底高程達不到比選線路路肩高程,為了預測鉆孔孔底以下的地溫值,依據(jù)深度-溫度曲線呈線性變化的規(guī)律,采用地溫梯度預測法計算溫度值［7]

式中 T′―――預測的溫度,℃；

T―――已知深度的實測溫度,℃；

ΔH―――相對深度,m；

Gradt―――地溫梯度,℃/100 m。

實際上公式(2)與深度-溫度線性方程一致,運用該公式可以求出深度-溫度曲線呈線性變化的鉆孔孔底以下30 m內(nèi)各深度的溫度值,為此,求出17個鉆孔在貫通方案吉沃希嘎隧道洞身部位的溫度值。

4.2 地熱異常區(qū)分級預測

綜上所述，在主觀因素方面，影響牙齦組織顏色改變的因素主要有年齡、皮膚顏色、性別、皮下動脈的充盈情況、色素的沉著等[24]；在環(huán)境因素方面，影響牙齦組織顏色改變的因素主要有刷牙次數(shù)、飲用咖啡、吸煙以及修復體等[25]。其中對于環(huán)境因素影響牙齦組織顏色的相關(guān)研究較少。

吉沃希嘎隧道洞身巖性主要為閃長巖,洞身有3條斷層及數(shù)條節(jié)理密集帶通過,勘察階段測溫孔共計17孔,測溫資料顯示,地溫分布規(guī)律大致是吉沃西嘎隧道進口端溫度高,然后進入地溫異常區(qū),最高地溫在50℃以上,之后線路路肩地溫逐漸降低,在隧道出口處降至20℃以下,除出口端外,洞身段地溫異常,屬典型的高原地熱隧道。結(jié)合隧址區(qū)17個測溫鉆孔洞身部位溫度實測值或預測值,分析該隧道ⅢDK117+ 520～ⅢDK120+370段,隧道路肩部位的地溫(巖溫)值在28～60℃之間,考慮測溫數(shù)據(jù)的局限性、地溫梯度變化的急劇性等,因此,不排除局部地段地溫(巖溫)值高于60℃的可能性。鑒于目前鐵路隧道洞身地溫分級標準尚無規(guī)范規(guī)定,參照表2［8],吉沃希嘎隧道地熱異常區(qū)分級預測結(jié)果見表3。

表2 拉日鐵路隧道洞身地溫帶分級

表3 吉沃希嘎隧道地熱分級預測

綜合評價,該隧道地熱以低溫-中高溫帶為主。

5 地熱成因分析

5.1 區(qū)域地熱地質(zhì)背景

吉沃希嘎隧道位于拉日鐵路雅魯藏布江峽谷區(qū)色麥-仁布段,處于雅魯藏布江縫合帶,并近垂直穿過那曲―當雄(羊八井)―尼木―多慶錯高地溫活動帶的南部［5],隧址區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育,新構(gòu)造活動強烈,這些縱橫交錯的構(gòu)造斷裂系統(tǒng),為地下熱流體提供了儲存空間,也為深部熱源向上傳輸熱量和地下熱流體的循環(huán)提供了一定的運移通道,直接控制了地熱顯示區(qū)的形成。因此,隧址區(qū)地熱分布主要受斷裂構(gòu)造控制,且隧道洞身高溫段一般位于巖體破碎、裂隙發(fā)育的斷裂破碎帶附近。

5.2 空間上地熱異常區(qū)形成與斷裂構(gòu)造帶關(guān)系密切［6]

由吉沃希嘎隧道地溫分布特征可知:線路在經(jīng)過該隧道時遇到地溫異常區(qū),該區(qū)域下部存在局部熱儲層,這與隧址區(qū)分布的3條斷層(f1-1、f2-6和F4-3)密不可分。據(jù)測溫鉆孔資料顯示,f1-1斷層小里程端BD3Z-91鉆孔路肩高程地溫值在39℃以上,而大里程端BD3Z-95鉆孔路肩高程地溫值僅為18℃,由小里程至大里程方向,在f1-1斷層兩側(cè)隧道地溫由39℃以上迅速降至20℃以下,因斷層走向近南北向,該地溫異常區(qū)在線路附近的地溫自東向西迅速降低,綜上所述推測f1-1斷裂為一條隔熱斷裂；另外,隧址區(qū)最高地溫出現(xiàn)在斷裂構(gòu)造f2-6和F4-3附近,由此推測這2條斷裂為導熱斷裂,并提供了地表和深部熱源的溝通渠道,也可能是沿斷裂發(fā)育的帶狀熱儲層。

因此,斷裂對地熱的控制作用顯著,隧址區(qū)地溫異常段線位選擇應盡可能遠離熱儲層的中心區(qū)域及導熱斷裂f2-6和F4-3,并盡量在f1-1斷裂的上盤通過,以保證線路能夠順利通過高地溫異常區(qū)。

5.3 巖性上地熱形成往往與巖漿巖伴生

隧道洞身和雅魯藏布江南北兩岸巖性為燕山-喜山期閃長巖、花崗閃長巖,這些淺成侵入體的一部分沿張性為主的活動構(gòu)造帶中的滑脫層作超淺成上侵,從而形成構(gòu)造誘發(fā)熱的條件,是隧址區(qū)地熱發(fā)育的另一個原因,因此,地熱往往與燕山-喜山期閃長巖和花崗巖伴生,較其它巖體密切。

6 高溫熱害防治措施

地熱是吉沃希嘎隧道施工中的主要地質(zhì)問題,對隧道的施工、結(jié)構(gòu)及后續(xù)運營安全均有一定的影響。一方面地熱的存在將惡化施工環(huán)境,增加施工難度；另一方面高地溫產(chǎn)生的附加溫度應力可能引起襯砌開裂［9],對結(jié)構(gòu)的安全及耐久性不利；另外,地熱的存在對鐵路隧道的安全運營也有一定的影響。借鑒國內(nèi)外高溫隧道施工有關(guān)降溫措施,針對吉沃希嘎隧道地熱分布范圍、特征及地熱異常區(qū)地溫帶分級情況,對適合該隧道高溫熱害防治措施分析如下。

(1)設計中充分考慮地熱問題

選擇耐高溫的材料,對機具、人員充分考慮防熱措施,并重視混凝土的耐久性問題；考慮高原缺氧、洞內(nèi)通風的局限性,優(yōu)化設計方案,使施工盡量采用機械化作業(yè),最大限度地減少人工作業(yè)。

(2)施工中加強超前地質(zhì)預報

由于地熱成因及分布的復雜性,受勘察手段及地形條件的限制,勘察期間很難完全準確預測高溫熱害分布,因此,在施工中要加強超前地質(zhì)預報和動態(tài)監(jiān)測,通過超前水平鉆孔或加深炮孔,并在孔內(nèi)測溫,預測前方是否有熱水、熱氣,以確保施工安全,同時為地熱防治提供依據(jù)。

(3)通風降溫［10]

增加風量可以大大降低空氣的含熱量,是一種有效的降溫措施。通過通風進行熱交換,降低掌子面溫度,確保施工正常進行,施工中若遇高巖溫,可增設橫洞或在橫洞口、正洞口設置大風量通風設備,向工作面送風,以改善隧道內(nèi)的作業(yè)環(huán)境。

(4)人工制冷降溫［11-12]

當采用加強通風仍不能有效降低溫度,可采取人工制冷降溫,按制冷機的容量和設置位置大致分為2種,一種為獨立移動式制冷機,在各工作面實施局部制冷；另一種為大型制冷機安裝在隧道外的集中固定式制冷,即通過制冷機在隧道口冷卻進風的直接制冷方式以及制冷機的冷水用送水管送往工作面附近與移動式熱交換器配套,組成局部冷卻的分散制冷方式。

(5)合理的開拓方式降溫

開拓方式不同,送風線路長度不同,則風流到達工作面的風溫也不同。一般情況下,分區(qū)式開拓可以大大縮短送風線路長度,從而降低送風流到達工作面前的溫升。

因此,針對隧址區(qū)地熱分段分級預測結(jié)果,不同地溫帶采取不同的措施,常溫帶不需加強降溫措施；低溫帶(I)應加強通風降溫措施,中高溫帶(Ⅱ1、Ⅱ2)采取通風降溫及人工制冷降溫等2種以上措施,并注意采用合理的開拓方式。

7 結(jié)語

(1)隧址區(qū)地處喜馬拉雅地熱帶,位于印度板塊俯沖至歐亞大陸之下的板塊縫合帶。地熱活動與新生代巖漿巖的伴生,為現(xiàn)代地熱活動提供了熱源并構(gòu)成熱儲的通道,而自早第三紀始,持續(xù)不斷的板塊構(gòu)造運動使隧址區(qū)地熱活動較為活躍。

(2)隧址區(qū)測溫鉆孔深度-溫度曲線大致呈線性變化,地溫隨著深度增大而明顯升高,通過對路肩高程附近鉆孔測溫數(shù)據(jù)分析,吉沃西嘎隧道洞身地溫異常區(qū)最高溫度可達50℃以上。

(3)施工期間,應繼續(xù)布置測溫鉆孔及平洞勘探,研究隧址區(qū)斷裂對地下熱流及地熱場控制特征,并加深物探工作,進一步研究物探低阻段與地溫異常段之間的關(guān)系。

(4)由于高原地熱隧道在我國并不多見,因此,建議對高原地熱隧道在襯砌結(jié)構(gòu)及襯砌支護材料等方面開展相關(guān)專題研究,以保證隧道襯砌結(jié)構(gòu)和運營安全。

［1] 中華人民共和國鐵道部.TB 10012―2007鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S].北京:中國鐵道出版社,2007.

［2] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.吉沃希嘎隧道工程地質(zhì)勘察報告［R].西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司,2010.

［3] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新建鐵路拉薩至日喀則鐵路初步設計地質(zhì)篇［R].西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司,2010.

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［5] 李金城.拉日鐵路地熱隧道方案比選研究［J].鐵道工程學報, 2011(4):42-46.

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［8] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新建拉薩至日喀則鐵路地熱勘察專題報告［R].西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司,2012.

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Research on Geothermal Anomaly Characteristics and Control Measures for Jiwoxiga Tunnel on Lasa-Shigatse Railway

YANG Xin-liang
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Xi'an 710043,China)

Geothermal anomaly is the major engineering geological problem in the construction of Jiwoxiga Tunnel on Lasa-Shigatse Railway.Therefore,it is very important to find out the geothermal energy distribution characteristics for the tunnel site and develop some relevant measures for controlling the heat damage.For this reason,in this research,the boreholes was arranged to detect the ground temperature on site in combination with the abnormal data obtained by geophysical prospecting；the temperature curve was drawn out；and the geothermal energy distribution characteristics in the tunnel site was revealed. Furthermore,this research carried out classification and forecast on the ground temperature of the geothermal anomaly area for the tunnel site based on the borehole temperature measurement data and the geothermal gradient values.In addition,after analysis on the geological condition of the geothermal anomaly area,this research assessed in detail the root cause of the geothermal anomaly,researched the influence of the heat damage on the tunnel construction,and finally proposed the relevant prevention and control measures.

railway tunnel；tunnel in geothermal area of plateau；ground temperature classification and forecast；heat damage prevention and control

U452.1+1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.025

1004-2954(2014)07-0107-05

2013-10-21；

2013-11-04

楊新亮(1979―),男,高級工程師,2002年畢業(yè)于西南交通大學,工學學士,E-mail:2401782441@qq.com。