穿越小江斷裂的登樓山隧址區(qū)水熱活動特征分析及隧道熱害評估

劉文連, 利滿霖, 許 模, *, 漆繼紅, 許漢華, 易 磊, 李 瀟, 眭素剛

(1. 中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計研究院有限公司, 云南 昆明 650051; 2. 云南省巖土工程與地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室, 云南 昆明 650051; 3. 成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室, 四川 成都 610059)

0 引言

隨著我國2035年基本建成交通強(qiáng)國、實現(xiàn)現(xiàn)代化綜合交通體系的發(fā)展目標(biāo)以及新時代推進(jìn)西部大開發(fā)形成新格局意見的提出,大批的公路、鐵路、城市軌道交通和水利工程進(jìn)入規(guī)劃和建設(shè)階段,隧道和地下工程建設(shè)也迎來一個新階段。西南艱險復(fù)雜地質(zhì)山區(qū)的隧道工程在建設(shè)時需要克服極其復(fù)雜的地質(zhì)、地形和氣候條件,會遇到活動斷裂帶及富水構(gòu)造帶導(dǎo)致的隧道涌突水、高應(yīng)力環(huán)境引起的硬巖巖爆和軟巖大變形以及高地溫產(chǎn)生的隧道熱害等不良地質(zhì)問題[1-2]。隧道熱害主要指高巖溫、高水溫對隧道施工造成的危害。近年來,國內(nèi)越來越多的隧道在建設(shè)時遭遇熱害問題。我國西南地區(qū)由于地質(zhì)構(gòu)造背景特殊,水熱活動強(qiáng)烈,深大活動斷裂往往控制著水熱活動區(qū)的分布,該區(qū)域隧道建設(shè)遭遇熱害的概率大大增加,如云南建成的舊寨隧道和在建的高黎貢山隧道等[3-4]。

隧道熱害評價通常分為2步: 第1步,主要通過地質(zhì)分析的手段對隧道工程遭遇熱害的可能性以及遭遇熱害的主要段落進(jìn)行判斷; 若第1步已判斷隧道工程遭遇熱害的可能性較低,則無需進(jìn)行下一步,否則,下一步將通過測溫鉆孔以及基于測溫鉆孔的隧址區(qū)地溫場數(shù)值模擬分析來對隧道熱害進(jìn)行評價。已有學(xué)者通過第1步地質(zhì)分析的手段就隧道遭遇熱害的可能性進(jìn)行判斷,如胡政等[5]和楊冬等[6]通過地質(zhì)分析對云南尼格隧道隧址區(qū)的高巖溫、高水溫?zé)嵩催M(jìn)行研究。也有學(xué)者是基于第1步地質(zhì)分析后,結(jié)合下一步的測溫鉆孔和數(shù)值模擬的應(yīng)用才對隧道熱害進(jìn)行判斷。如周安荔[7]通過地質(zhì)分析對拉日鐵路隧道熱害可能性進(jìn)行判斷,認(rèn)為拉日鐵路隧道存在熱害風(fēng)險,然后基于鉆孔測溫數(shù)據(jù)對隧道地溫場進(jìn)行數(shù)值模擬,揭示隧址區(qū)地?zé)岱植家?guī)律。此外,部分學(xué)者基于前人地質(zhì)分析資料,進(jìn)一步運(yùn)用數(shù)值模擬方法模擬隧道溫度場,判斷隧道熱害。如趙志宏等[8]在前人對折多山隧道地質(zhì)分析資料的基礎(chǔ)上,對折多山隧道溫度場進(jìn)行模擬并對隧道熱害進(jìn)行評價。尹龍等[9]基于Birch[10]提出的地質(zhì)演化歷史方法以及Bodmer等[11]和Rybach等[12]的溫度修正表達(dá)式,結(jié)合前人的地質(zhì)分析資料,對高黎貢隧道原巖進(jìn)行溫度預(yù)測,并對溫度場進(jìn)行劃分。

小江斷裂帶以及北延的安寧河斷裂、鮮水河斷裂均表現(xiàn)出強(qiáng)烈的水熱活動。已有學(xué)者對鮮水河斷裂的水熱活動特征進(jìn)行對比研究,如呂國森等[13]通過地質(zhì)分析以及水文地球化學(xué)分析,對比研究了鮮水河斷裂帶、龍門山斷裂帶、安寧河斷裂帶的熱水成因模式; 馮濤等[14]通過熱水地溫梯度反算法對穿越鮮水河斷裂南東段分支的隧道熱害進(jìn)行評估,對鮮水河斷裂水熱活動的工程熱害進(jìn)行了評價研究。而對于小江斷裂帶,楊雷等[15]通過分析小江斷裂帶溫泉的地球化學(xué)特征與重慶溫塘峽溫泉的差異,認(rèn)為地質(zhì)背景對熱水地球化學(xué)特征有控制作用; 劉云[16]通過對小江斷裂帶溫泉的研究,促進(jìn)了云南地?zé)豳Y源產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展; 王云[17]通過對滇東南小江斷裂帶等一系列斷裂帶上溫泉的地球化學(xué)特征研究,認(rèn)為具有幔源特征的溫泉可作為地震監(jiān)測預(yù)報的觀測對象。前人對于小江斷裂帶的研究主要集中在地?zé)岢梢蛞约暗責(zé)豳Y源利用方面,與實際工程建設(shè)相結(jié)合的相關(guān)研究甚少,關(guān)于水熱活動對橫穿小江斷裂的隧道工程熱害評價的研究更是少之又少,故本文開展小江斷裂隧道工程熱害方面的地質(zhì)分析研究,以期為類似穿越水熱活動強(qiáng)烈的活動斷裂隧道工程的熱害評價提供參考。

本文以穿越小江斷裂的登樓山隧道為例,判斷小江水熱活動帶對登樓山隧道的工程熱害影響。通過地質(zhì)分析和水文地球化學(xué)分析相結(jié)合的方式,梳理隧址區(qū)控水控?zé)釘嗔训恼共继卣?得到登樓山隧道進(jìn)口和出口2處最有可能造成隧道熱害的溫泉的成因模式,同時基于溫泉運(yùn)移、排泄路徑與隧道的空間關(guān)系,對隧道熱害進(jìn)行初步評價。

1 隧址區(qū)構(gòu)造展布及水熱活動特征

1.1 區(qū)域地質(zhì)及地?zé)岬刭|(zhì)概況

研究區(qū)地處印度洋板塊和歐亞板塊的碰撞變形區(qū),位于青藏高原東南緣的川滇菱形地塊之上[18-19],如圖1所示。目前認(rèn)為該區(qū)域是青藏高原物質(zhì)向東南運(yùn)移流動的重要通道[20-22]。隧址區(qū)則位于川滇菱形地塊東邊界的小江斷裂帶中段。小江斷裂帶初始活動為7～5 Ma[23],北起于云南巧家附近,向南經(jīng)東川延伸至建水以南,整體呈近南北走向,為一條強(qiáng)烈活動的左旋走滑斷裂。該斷裂帶分為北、中、南3段,其中北段位于巧家至東川之間;中段由東川至華寧,又分為東、西2支,宏觀上呈現(xiàn)辮狀;南段位于華寧至紅河斷裂之間[24-27]。

圖片參考文獻(xiàn)[32],有修改。

隧址區(qū)地處滇藏地?zé)釒?因其位于青藏高原物質(zhì)東南流通道上,受多次強(qiáng)烈構(gòu)造活動影響和控制[28],大地?zé)崃鞅尘爸蹈?呈北高南低的規(guī)律[29]。鮮水河斷裂至小江斷裂一帶,水熱活動強(qiáng)烈,高溫?zé)崴財嗔褞С雎?表明鮮水河斷裂至小江斷裂一帶水熱活動受斷裂帶控制。小江斷裂帶中段的次級斷裂極其發(fā)育,中段的東、西2支斷裂間形成錯綜復(fù)雜的網(wǎng)格狀構(gòu)造[30],均為地下熱水溝通熱源和運(yùn)移儲存提供了良好的先天條件。地下熱水的循環(huán)演化受到構(gòu)造體系的約束[31],故隧址區(qū)內(nèi)的水熱活動分布規(guī)律主要受小江斷裂帶控制。小江斷裂帶東部地區(qū)溫泉出露較少,溫泉整體分布形跡與小江斷裂帶近南北向的展布趨勢相似,在斷裂帶中段以沿東、西2支近南北走向的分支斷裂分散出露為特點,沿東川、尋甸、宜良、澄江、華寧一線均有溫泉出露,表明該區(qū)內(nèi)熱水的熱源和運(yùn)移嚴(yán)格受到小江斷裂構(gòu)造控制,形成了較滇西水溫低、流量大的滇東中低溫水熱活動區(qū),如圖1所示。

1.2 隧址區(qū)地質(zhì)及地表熱顯示分布特征

隧址區(qū)位于小江斷裂帶中段的東支西側(cè),由于地處滇東地區(qū)昆明系山字形構(gòu)造的東翼和南北向小江斷裂帶的復(fù)合部位,且該區(qū)地殼經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動,地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜,褶皺、斷裂構(gòu)造發(fā)育,地層破碎、殘缺不連續(xù)[32],但從構(gòu)造形態(tài)和展布特征上分析,仍然具有一定的規(guī)律。隧址區(qū)構(gòu)造展布及熱水分布如圖2所示。隧址區(qū)內(nèi)雖斷裂數(shù)量較多,縱橫交錯,初看呈現(xiàn)無規(guī)律散布的狀態(tài),但前人根據(jù)斷裂走向特征對區(qū)內(nèi)斷裂統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn),區(qū)內(nèi)規(guī)模最大的斷裂組為隸屬于小江斷裂帶中段東支斷裂體系的南北向斷裂組[33]。因此,區(qū)內(nèi)雖分布有近北東向和東西向斷裂,但斷裂總體以南北向為優(yōu)勢方向,呈束狀展布。

圖片參考文獻(xiàn)[34-35],有修改。

該隧道全長10 957 m,最大埋深約838 m,隧道圍巖以震旦系上統(tǒng)(Zbd、Zbdn),寒武系下統(tǒng)(1l、1c、1q),泥盆系上統(tǒng)(D3)、石炭系中下統(tǒng)(C1dw、C1ds、C2w)、三疊系(T1、T2)地層為主,其中相對含水巖組為Zbd、Zbdn、1l、D3、C1dw、C1ds、C2w?，F(xiàn)場調(diào)查了隧址區(qū)內(nèi)的7處熱水出露點,從熱水出露位置的平面展布情況分析,熱水主要沿近于南北向的小江斷裂帶分散出露于山澗溝谷之中,表明南北向斷裂帶為區(qū)內(nèi)主要的控?zé)峥厮畼?gòu)造,如圖2所示。隧址區(qū)內(nèi)溫泉的出露溫度均低于50 ℃,溫泉主要出露于震旦系燈影組(Zbdn)、寒武系魚戶村組下段(1ya)、志留系玉龍寺組(S3y)和泥盆系曲靖組(D2q)地層中,地層巖性以白云巖、灰?guī)r和灰質(zhì)泥巖為主。

1.3 隧址區(qū)水文地球化學(xué)特征

1.3.1 水化學(xué)類型分析

隧址區(qū)水樣水化學(xué)測試數(shù)據(jù)如表1所示。由圖3所示的piper三線圖可知,隧址區(qū)除通紅甸溫泉的水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca·Na型,其余溫泉的水化學(xué)類型均為HCO3-Ca·Mg型,與地表水和淺層巖溶地下水的水化學(xué)類型相似,表明隧址區(qū)內(nèi)的溫泉補(bǔ)給和徑流主要在廣泛分布的強(qiáng)富水性可溶巖地層中進(jìn)行。隧址區(qū)溫泉水中,通紅甸溫泉的溶解固體總量(TDS)相對較高,其他溫泉TDS普遍較低,與地表水以及淺層冷水的TDS屬于相同數(shù)量級,表明熱水在運(yùn)移過程中受到淺層冷水的混合作用。

圖3 隧址區(qū)附近熱水piper三線圖

1.3.2 熱儲溫度及循環(huán)深度

隧址區(qū)溫泉的Na-K-Mg平衡圖解如圖4所示。隧址區(qū)溫泉均屬于不平衡水,而熱水處于平衡狀態(tài)是使用陽離子溫標(biāo)計算熱儲溫度的前提[36],故無法使用陽離子溫標(biāo)對其熱儲溫度進(jìn)行估算。由于水中SiO2受其他離子干擾小,沉淀速度慢[37],因此使用SiO2溫標(biāo)對隧址區(qū)熱泉的熱儲溫度進(jìn)行估算是合理的。

圖4 隧址區(qū)溫泉的Na-K-Mg平衡圖解

隧址區(qū)熱水SiO2質(zhì)量濃度ρ與溫度關(guān)系如圖5所示。通過熱泉SiO2質(zhì)量濃度與溫度的關(guān)系,確定熱泉的主要受控SiO2礦物,為各個溫泉選取合適的SiO2溫標(biāo),再結(jié)合隧址區(qū)測溫鉆孔SK12的溫-深曲線計算的隧址區(qū)地溫梯度(見圖6),使用式(1)得出各個熱泉的循環(huán)深度(見表2)。

表2 隧址區(qū)熱水氫氧同位素組分及熱儲信息

圖5 隧址區(qū)熱水的SiO2質(zhì)量濃度ρ與溫度關(guān)系圖

圖6 鉆孔SK12溫-深曲線圖

H=(t-t0)/g+H0。

(1)

式中:H0為常溫層厚度,根據(jù)測溫鉆孔可知約為160 m;t0為常溫層溫度,取當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?約為20 ℃;t為熱儲溫度,℃;g為隧址區(qū)地溫梯度,根據(jù)測溫鉆孔溫-深曲線取2.8 ℃/100 m。

1.3.3 溫泉?dú)溲跬凰胤治?/p>

通過對隧址區(qū)溫泉?dú)溲跬凰販y試結(jié)果(見表2),結(jié)合我國大氣降雨線公式(見式(2))[38]和云貴地區(qū)大氣降雨線公式(見式(3))[39],得到δD-δ18O關(guān)系圖(見圖7)。從圖7中可以看出,隧址區(qū)熱水的主要補(bǔ)給來源均為大氣降雨入滲補(bǔ)給。但圖中熱水整體18O正漂移程度較輕,即熱水在運(yùn)移過程中與圍巖發(fā)生了程度較輕的水巖反應(yīng)。此外,利用我國西南地區(qū)δD值的高程效應(yīng)(見式(4))[40],得到隧址區(qū)熱水的補(bǔ)給高程在2 085～2 465 m(見表2),根據(jù)補(bǔ)給高程推斷隧址區(qū)熱水補(bǔ)給區(qū)域主要為隧址區(qū)北側(cè)志留系、石炭系和二疊系的灰?guī)r地層。

圖7 隧址區(qū)熱水點δD-δ18O關(guān)系圖

δD=7.9δ18O+8.2 。

(2)

δD=8.83δ18O+20.3 。

(3)

δD=-0.026h-30.2 。

(4)

式中h為補(bǔ)給高程, m。

綜合隧址區(qū)熱水水文地球化學(xué)和氫氧同位素的分析可知,補(bǔ)給高程處的大氣降雨沿可溶巖入滲補(bǔ)給后作為隧址區(qū)熱水的主要補(bǔ)給來源,在相對含水巖組中沿南北向通道運(yùn)移和排泄。根據(jù)熱水補(bǔ)給區(qū)和排泄區(qū)呈南北向的平面線形分布特點,再次表明隧址區(qū)內(nèi)南北向優(yōu)勢斷裂組為隧址區(qū)主要的控水控?zé)釘嗔选?/p>

2 水熱活動對隧址區(qū)的影響分析

2.1 隧址區(qū)控水控?zé)釘嗔迅艣r

隧址區(qū)內(nèi)地表熱顯示分布位置主要沿南北向分支斷裂分布于河流或溝谷兩側(cè),受各南北向分支斷裂控制,如葫蘆沖溫泉、象鼻溫泉、龍?zhí)稜I溫泉、通紅甸溫泉分別出露于F9-白玉沖斷層,F8-白沙溝斷層、F5-楊柳井?dāng)鄬雍陀旮锏椤ッ鏀鄬痈浇?。隧址區(qū)內(nèi)地表熱顯示及其控制斷裂整體呈南北向分布于隧址區(qū)的東、西兩側(cè),隧道工程夾于東、西兩側(cè)地表熱顯示及其控水控?zé)釘嗔阎g,大體上與控水控?zé)釘嗔言诳臻g上無交集。

隧址區(qū)內(nèi)熱水出露點距離登樓山隧道較近,水熱活動導(dǎo)致隧道遭遇熱害風(fēng)險的可能性大大增加。通過對隧址區(qū)內(nèi)的斷裂展布規(guī)律、熱水出露特點以及水文地球化學(xué)分析可知,隧址區(qū)內(nèi)的優(yōu)勢斷裂組受南北向小江斷裂帶控制,呈近南北向展布。因此,區(qū)內(nèi)熱水是受南北向優(yōu)勢斷裂控制、運(yùn)移方向主要為南北向的斷裂循環(huán)型熱水。通過水化學(xué)特征分析可知,隧址區(qū)內(nèi)熱水循環(huán)深度約為2 000 m。登樓山隧道與隧址區(qū)內(nèi)優(yōu)勢斷裂走向近于垂直,象鼻溫泉和龍?zhí)稜I溫泉均距離隧道較近,有較大可能造成隧道熱害。因此,基于上述對隧址區(qū)內(nèi)優(yōu)勢斷裂展布方向的總結(jié),對2處溫泉的控制斷裂進(jìn)行細(xì)致地梳理,最后判斷熱水循環(huán)演化過程是否可能導(dǎo)致登樓山隧道遭遇熱害風(fēng)險。

2.2 隧道進(jìn)出口溫泉成因分析

結(jié)合前文對隧址區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)結(jié)構(gòu)以及溫泉水文地球化學(xué)特征的分析,推斷位于隧址區(qū)北側(cè)葫蘆沖一帶的二疊系可溶巖地層為象鼻溫泉接受大氣降水補(bǔ)給的補(bǔ)給區(qū),南北向白玉沖斷層為其主要運(yùn)移通道。南北向白玉沖斷層溝通二疊系、石炭系以及泥盆系可溶巖地層,降雨在葫蘆沖入滲后沿該斷層走向在可溶巖地層中向南運(yùn)移,并在運(yùn)移過程不斷被大地?zé)崃骷訜?。同時,上覆的三疊系相對隔水巖組與新近系地層可以形成良好的蓋層條件,最終在龍洞河的斷裂破碎帶上溢,形成象鼻溫泉,隧道出入口象鼻溫泉循環(huán)演化機(jī)制見圖8,隧址區(qū)熱水補(bǔ)、徑、排平面見圖9。

圖8 隧道出口象鼻溫泉循環(huán)演化機(jī)制示意圖

圖9 隧址區(qū)熱水補(bǔ)、徑、排平面圖

對于隧道入口南側(cè)的龍?zhí)稜I溫泉,根據(jù)地?zé)岬刭|(zhì)結(jié)構(gòu)及其水文地球化學(xué)特征,推斷其接受大氣降雨入滲補(bǔ)給的區(qū)域為華寧縣大水井巖南側(cè)的石炭系和二疊系的可溶巖地層,以南北向的楊柳井?dāng)鄬訛槠渲饕\(yùn)移通道,如圖8所示。降雨入滲后,水頭差使得地下水沿近東西向斷裂運(yùn)移至南北向楊柳井?dāng)鄬?隨后向南順著楊柳井?dāng)鄬酉蛏畈窟\(yùn)移,并在向南運(yùn)移的過程中逐漸被加熱增溫,最終在支斷裂交匯處的裂隙密集帶上溢至地表形成龍?zhí)稜I溫泉,如圖10所示。

圖10 隧道入口龍?zhí)稜I溫泉循環(huán)演化機(jī)制示意圖

2.3 熱水成因?qū)λ淼罒岷Φ挠绊懺u價

根據(jù)上述登樓山隧道進(jìn)出口兩側(cè)象鼻溫泉和龍?zhí)稜I溫泉的循環(huán)演化機(jī)制可知,2處溫泉的地下熱水徑流方向主要受到區(qū)域南北走向斷裂構(gòu)造控制,其控水控?zé)釘嗔训淖呦蚺c登樓山隧道近于垂直,且在空間上與隧道線無交集,熱水運(yùn)移地層與隧道穿越地層不同,使得熱水運(yùn)移路徑與隧道也無交集,如圖11所示。因此,距離隧道較近位置雖存在水熱活動,但在南北向斷裂控制下,熱水運(yùn)移路徑與隧道線無交集,控?zé)針?gòu)造對隧道高溫?zé)岷τ绊戄^小。

圖11 登樓山隧道軸線穿越區(qū)與熱水排泄路徑關(guān)系剖面圖

登樓山隧道軸線穿越區(qū)與熱水排泄路徑關(guān)系剖面如圖11所示。隧道穿越多條次級斷裂,隧道穿越的次級斷裂無熱水出露,但從隧址區(qū)出露于其他斷裂的熱水水化學(xué)特征可知,次級斷裂發(fā)育深度有限,熱水沒有表現(xiàn)出深部物質(zhì)混入的特點,水化學(xué)類型與淺層水相近。但由于隧道部分段落埋深較大,且所處區(qū)域大地?zé)崃髦灯?在埋深較大位置也可能存在熱害。根據(jù)隧道穿越的次級斷裂附近的測溫鉆孔SK12計算出隧址區(qū)地溫梯度,推測隧道在埋深大于450 m的位置溫度大于28 ℃,可能存在輕微熱害(28 ℃

3 結(jié)論與討論

1) 隧址區(qū)內(nèi)優(yōu)勢斷裂主要為近南北向的展布,區(qū)內(nèi)熱水主要受近南北向優(yōu)勢斷裂控制。

2)隧址區(qū)內(nèi)熱水水化學(xué)類型與淺層水相似,熱水主要由淺層冷水沿近南北向斷裂運(yùn)移過程受大地?zé)崃骷訜嵝纬伞?/p>

3)登樓山隧道雖穿越水熱活動頻繁的小江斷裂帶,但由于控?zé)峥厮當(dāng)嗔巡⑽磁c隧道相交,且熱水運(yùn)移地層與隧道穿越地層不同,故隧道進(jìn)出口位置遭受熱害的可能性較小。

4)根據(jù)測溫鉆孔推算登樓山隧道在埋深大于450 m的位置可能存在輕微熱害(28 ℃

通過地質(zhì)分析與熱水水化學(xué)分析相結(jié)合的方式,能夠初步判斷隧址區(qū)附近地表熱顯示對工程建設(shè)的影響程度,輔以測溫鉆孔等其他資料能夠更進(jìn)一步對隧道工程的熱害程度進(jìn)行評估,為后期采取針對性熱害防護(hù)措施提供參考。