拉日铁路吉沃希嘎隧道地热异常特征与防治措施分析

杨新亮

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

拉日铁路吉沃希嘎隧道地热异常特征与防治措施分析

杨新亮

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

地热是拉日铁路吉沃希嘎隧道施工中的主要工程地质问题，查明隧址区地热分布特征，并且制定高温热害防治措施非常重要。勘察中结合物探异常数据，布置钻孔实测地温，绘制测温曲线，揭示了隧址区地热分布规律；通过钻孔测温数据和地温梯度值对隧道地热异常区地温分级和预测。同时在分析区域地热地质背景的基拙上，较为详细地评价了地热成因及高温热害对隧道建设的影响，并给出了相应的防治措施。

铁路隧道；高原地热隧道；地温分级预测；热害防治

目前,地热问题已是隧道工程、采矿工程及其他地下工程常见的地质灾害问题,成为制约以上各项工程施工和运营的瓶颈。国内在隧道高地温方面,虽然系统的工作还没开展起来,但是随着隧道工程的快速发展,高地温作为隧道地质灾害问题之一,越来越多地受到人们的关注,并取得了一系列研究成果。但研究地热在高原隧洞内分布特征及应对高温热害的措施较少,因此,在分析吉沃希嘎隧道地质特征和断裂构造的基础上研究隧址区地热分布特征、成因及防治措施是有积极意义的。

1 概况

拉日铁路地处青藏高原西南部,线路东起青藏铁路终点拉萨站,向南沿拉萨河而下,至曲水县后折向西溯雅鲁藏布江而上,穿越长度近90 km的雅鲁藏布江峡谷区,途经尼木县、仁布县抵达西藏西南重镇日喀则,线路全长253 km。

拉日铁路吉沃希嘎隧道为典型的高原地热隧道,位于雅鲁藏布江峡谷区左岸中高山区,山高坡陡,自然坡度40°～60°,地表植被稀疏,相对高差100 m以上。山体表层沟谷发育,切割相对较深,沟谷两岸局部基岩裸露,岩体破碎。隧道起讫里程ⅢDK117+520～ⅢDK121+494,全长3 974 m,洞身一般埋深34～75 m,最大埋深达102 m,设置1座横洞,长度110 m,与正洞相交于ⅢDK119+454。

2 工程地质特征

在充分收集利用区域地质资料的基础上,采用遥感解译、地质调绘、物探、钻探(深孔、浅孔)及测温等相结合的综合勘察方法,查明了隧址区地层岩性和地质构造［1],并发现隧道洞身部位存在地热异常现象。

2.1 地层岩性

隧道进、出口段通过地层为第四系洪积粉土、角砾土及碎石土、块石土,洞身主要为燕山期闪长岩,断层带为压碎闪长岩及断层泥砾。

2.2 地质构造

根据区域地质资料及地质调绘,隧址区断裂构造发育,洞身主要通过3条断层［2],如图1所示,各断层特征描述如下。

图1 吉沃希嘎隧道地形地质平面

(1)F4-3断层:与洞身相交于进口～ⅢDK118+ 050,断层产状N32°W/78～88°S,为压扭性断层,破碎带宽度为320～400 m,物质为断层泥砾及压碎闪长岩。在雅鲁藏布江右岸断层通过处,山体坡面不完整,为不稳定斜坡,深切冲沟沟岸两侧坡面破碎；在雅鲁藏布江左岸G318国道边山坡坡面陡坎下明显可见断层破碎带物质,青灰色为主,夹有锈黄、灰绿色,主要由断层角砾组成,含有少量压碎岩及断层泥砾,断层西界为闪长岩,东界被第四系碎石类土覆盖,迹象不明显。

(2)f2-6断层:与洞身相交于ⅢDK118+610～ⅢDK118+663,断层产状N25°E/70°S,为逆冲性断层,破碎带宽度约为100 m,物质为压碎闪长岩和少量断层泥砾。在雅鲁藏布江左岸断层东侧发育一错落体,洞身范围内表层被第四系地层覆盖,迹象不明显。

(3)f1-1断层:与洞身相交于ⅢDK120+950～ⅢDK121+340,断层产状N19°W/20～30°S,为压扭性断层,破碎带宽度为300～380 m,物质为断层泥砾及压碎闪长岩。该断层在航片上形迹明显。在雅鲁藏布江左岸G318国道边山坡坡面陡坎下,断层西界为闪长岩,东界被第四系地层覆盖,迹象不明显。

2.3 地热异常［3]

勘察阶段,物探揭示隧址区ⅢDK117+700～ⅢDK120+400段闪长岩视电阻率多为100～500 Ω·m,为了验证低电阻率区岩体完整程度,初测时在Ⅲ118+ 112右189.4 m布置D1Z-545深孔钻探,钻进过程中,在孔深37 m处开始有热气冒出,手放在孔口感觉温暖,不烫手,此种气体为无色、无味、不燃气体,终孔后经测试显示该孔最高温度为54℃,隧道洞身位置温度为45℃；为此在ⅢDK118+276右204.5 m布置D1Z-546深钻孔进一步核查,终孔后经测试该孔最高温度为57.7℃,隧道洞身位置温度为43℃。两孔的地温值均高于28℃,且钻孔中未见水,因此隧址区地热异常表现形式为缺少水分的干热岩石型［4]。由此分析:隧址区岩体裂隙较发育,地热在裂隙中流通,引起地温上升,岩体温度高成为影响岩性视电阻率较低的主要原因。

3 地热分布特征和规律

针对该隧道洞身通过地热异常区,高地温对隧道施工和运营会造成一定的影响,为了查明地下不同深度地温值变化规律,在地热异常段布置完成了17个勘探测温孔,其中孔深大于l00 m的深孔4个,其余为浅孔,孔深70～90 m,同时在每个钻孔采用热敏电阻仪进行了为期1个月的测温工作。为保证数据的准确,在测温中大多数钻孔均在同一月份里进行了4次测量,具体而言,钻孔成孔时测温1次,在成孔后7 d、15 d、30 d时各测温1次,共计测温4次。同一孔中,在同一深度每次测温2遍,当2遍测温数据值相差较大时,再补测1遍。每个测温孔在隧道洞身部位测温点间距2.5～5 m,其余部分测温点间距5～10 m,测温钻孔一览见表1。

表1 测温钻孔一览

选取F4-3断层带中BD3Z-85钻孔和f2-6断层带附近BD3Z-90钻孔测温数据,分别绘制深度―温度曲线,不同深度同一个测温周期绘制成一条曲线,各孔绘制形成4条曲线,如图2、图3所示。

图2 BD3Z-85（ⅢDK117+750左8 m)测温曲线

图3 BD3Z-90（ⅢDK118+750左8 m)测温曲线

从图2、图3可以得出如下结论。

(1)地温异常区深度―温度曲线呈线性变化,即在测温范围内温度随着深度的增加基本呈线性增长。由钻孔BD3Z-85和BD3Z-90实测地温数据和测温曲线,分别拟合出线性方程为T=15+0.442h、T=20+ 0.534h。

(2)每个深度不同周期测温值略有变化,而求出平均值就能很好地反应钻孔所测的实际地温,并在一定程度上能够消除由于外界因素干扰而产生的误差。

(3)地温梯度值与深度-温度线性斜率一致。具体而言:地温梯度Gradt(℃/m)的确定,是按孔内测量的原始数据剔除异常数据后,按4次测温的加权平均值进行如下运算

式中,¯T为某一深度温度的加权平均值；ΔH为深度的增加值。

运用公式(1)可以计算出17个测温钻孔的地温梯度,各钻孔地温梯度如表1所示,其中BD3Z-85和BD3Z-90的地温梯度值分别为44.2℃/100 m、53.4℃/100 m,与上述(1)中的线性方程斜率(按百米换算后)一致。

4 地温分级预测

4.1 地温值预测

隧址区线路方案优化时会引起路肩高程的变化,而有些钻孔的孔底高程达不到比选线路路肩高程,为了预测钻孔孔底以下的地温值,依据深度-温度曲线呈线性变化的规律,采用地温梯度预测法计算温度值［7]

式中 T′―――预测的温度,℃；

T―――已知深度的实测温度,℃；

ΔH―――相对深度,m；

Gradt―――地温梯度,℃/100 m。

实际上公式(2)与深度-温度线性方程一致,运用该公式可以求出深度-温度曲线呈线性变化的钻孔孔底以下30 m内各深度的温度值,为此,求出17个钻孔在贯通方案吉沃希嘎隧道洞身部位的温度值。

4.2 地热异常区分级预测

综上所述，在主观因素方面，影响牙龈组织颜色改变的因素主要有年龄、皮肤颜色、性别、皮下动脉的充盈情况、色素的沉着等[24]；在环境因素方面，影响牙龈组织颜色改变的因素主要有刷牙次数、饮用咖啡、吸烟以及修复体等[25]。其中对于环境因素影响牙龈组织颜色的相关研究较少。

吉沃希嘎隧道洞身岩性主要为闪长岩,洞身有3条断层及数条节理密集带通过,勘察阶段测温孔共计17孔,测温资料显示,地温分布规律大致是吉沃西嘎隧道进口端温度高,然后进入地温异常区,最高地温在50℃以上,之后线路路肩地温逐渐降低,在隧道出口处降至20℃以下,除出口端外,洞身段地温异常,属典型的高原地热隧道。结合隧址区17个测温钻孔洞身部位温度实测值或预测值,分析该隧道ⅢDK117+ 520～ⅢDK120+370段,隧道路肩部位的地温(岩温)值在28～60℃之间,考虑测温数据的局限性、地温梯度变化的急剧性等,因此,不排除局部地段地温(岩温)值高于60℃的可能性。鉴于目前铁路隧道洞身地温分级标准尚无规范规定,参照表2［8],吉沃希嘎隧道地热异常区分级预测结果见表3。

表2 拉日铁路隧道洞身地温带分级

表3 吉沃希嘎隧道地热分级预测

综合评价,该隧道地热以低温-中高温带为主。

5 地热成因分析

5.1 区域地热地质背景

吉沃希嘎隧道位于拉日铁路雅鲁藏布江峡谷区色麦-仁布段,处于雅鲁藏布江缝合带,并近垂直穿过那曲―当雄(羊八井)―尼木―多庆错高地温活动带的南部［5],隧址区断裂构造发育,新构造活动强烈,这些纵横交错的构造断裂系统,为地下热流体提供了储存空间,也为深部热源向上传输热量和地下热流体的循环提供了一定的运移通道,直接控制了地热显示区的形成。因此,隧址区地热分布主要受断裂构造控制,且隧道洞身高温段一般位于岩体破碎、裂隙发育的断裂破碎带附近。

5.2 空间上地热异常区形成与断裂构造带关系密切［6]

由吉沃希嘎隧道地温分布特征可知:线路在经过该隧道时遇到地温异常区,该区域下部存在局部热储层,这与隧址区分布的3条断层(f1-1、f2-6和F4-3)密不可分。据测温钻孔资料显示,f1-1断层小里程端BD3Z-91钻孔路肩高程地温值在39℃以上,而大里程端BD3Z-95钻孔路肩高程地温值仅为18℃,由小里程至大里程方向,在f1-1断层两侧隧道地温由39℃以上迅速降至20℃以下,因断层走向近南北向,该地温异常区在线路附近的地温自东向西迅速降低,综上所述推测f1-1断裂为一条隔热断裂；另外,隧址区最高地温出现在断裂构造f2-6和F4-3附近,由此推测这2条断裂为导热断裂,并提供了地表和深部热源的沟通渠道,也可能是沿断裂发育的带状热储层。

因此,断裂对地热的控制作用显著,隧址区地温异常段线位选择应尽可能远离热储层的中心区域及导热断裂f2-6和F4-3,并尽量在f1-1断裂的上盘通过,以保证线路能够顺利通过高地温异常区。

5.3 岩性上地热形成往往与岩浆岩伴生

隧道洞身和雅鲁藏布江南北两岸岩性为燕山-喜山期闪长岩、花岗闪长岩,这些浅成侵入体的一部分沿张性为主的活动构造带中的滑脱层作超浅成上侵,从而形成构造诱发热的条件,是隧址区地热发育的另一个原因,因此,地热往往与燕山-喜山期闪长岩和花岗岩伴生,较其它岩体密切。

6 高温热害防治措施

地热是吉沃希嘎隧道施工中的主要地质问题,对隧道的施工、结构及后续运营安全均有一定的影响。一方面地热的存在将恶化施工环境,增加施工难度；另一方面高地温产生的附加温度应力可能引起衬砌开裂［9],对结构的安全及耐久性不利；另外,地热的存在对铁路隧道的安全运营也有一定的影响。借鉴国内外高温隧道施工有关降温措施,针对吉沃希嘎隧道地热分布范围、特征及地热异常区地温带分级情况,对适合该隧道高温热害防治措施分析如下。

(1)设计中充分考虑地热问题

选择耐高温的材料,对机具、人员充分考虑防热措施,并重视混凝土的耐久性问题；考虑高原缺氧、洞内通风的局限性,优化设计方案,使施工尽量采用机械化作业,最大限度地减少人工作业。

(2)施工中加强超前地质预报

由于地热成因及分布的复杂性,受勘察手段及地形条件的限制,勘察期间很难完全准确预测高温热害分布,因此,在施工中要加强超前地质预报和动态监测,通过超前水平钻孔或加深炮孔,并在孔内测温,预测前方是否有热水、热气,以确保施工安全,同时为地热防治提供依据。

(3)通风降温［10]

增加风量可以大大降低空气的含热量,是一种有效的降温措施。通过通风进行热交换,降低掌子面温度,确保施工正常进行,施工中若遇高岩温,可增设横洞或在横洞口、正洞口设置大风量通风设备,向工作面送风,以改善隧道内的作业环境。

(4)人工制冷降温［11-12]

当采用加强通风仍不能有效降低温度,可采取人工制冷降温,按制冷机的容量和设置位置大致分为2种,一种为独立移动式制冷机,在各工作面实施局部制冷；另一种为大型制冷机安装在隧道外的集中固定式制冷,即通过制冷机在隧道口冷却进风的直接制冷方式以及制冷机的冷水用送水管送往工作面附近与移动式热交换器配套,组成局部冷却的分散制冷方式。

(5)合理的开拓方式降温

开拓方式不同,送风线路长度不同,则风流到达工作面的风温也不同。一般情况下,分区式开拓可以大大缩短送风线路长度,从而降低送风流到达工作面前的温升。

因此,针对隧址区地热分段分级预测结果,不同地温带采取不同的措施,常温带不需加强降温措施；低温带(I)应加强通风降温措施,中高温带(Ⅱ1、Ⅱ2)采取通风降温及人工制冷降温等2种以上措施,并注意采用合理的开拓方式。

7 结语

(1)隧址区地处喜马拉雅地热带,位于印度板块俯冲至欧亚大陆之下的板块缝合带。地热活动与新生代岩浆岩的伴生,为现代地热活动提供了热源并构成热储的通道,而自早第三纪始,持续不断的板块构造运动使隧址区地热活动较为活跃。

(2)隧址区测温钻孔深度-温度曲线大致呈线性变化,地温随着深度增大而明显升高,通过对路肩高程附近钻孔测温数据分析,吉沃西嘎隧道洞身地温异常区最高温度可达50℃以上。

(3)施工期间,应继续布置测温钻孔及平洞勘探,研究隧址区断裂对地下热流及地热场控制特征,并加深物探工作,进一步研究物探低阻段与地温异常段之间的关系。

(4)由于高原地热隧道在我国并不多见,因此,建议对高原地热隧道在衬砌结构及衬砌支护材料等方面开展相关专题研究,以保证隧道衬砌结构和运营安全。

［1] 中华人民共和国铁道部.TB 10012―2007铁路工程地质勘察规范［S].北京:中国铁道出版社,2007.

［2] 中铁第一勘察设计院集团有限公司.吉沃希嘎隧道工程地质勘察报告［R].西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司,2010.

［3] 中铁第一勘察设计院集团有限公司.新建铁路拉萨至日喀则铁路初步设计地质篇［R].西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司,2010.

［4] 沈玲玲.高黎贡山地区地热异常特征及对隧道建设影响的初步研究［D].成都:成都理工大学,2007.

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［7] 宋凯.西藏沃卡温泉形成条件及对隧道工程影响研究［D].成都:成都理工大学,2011.

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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

杨新亮(1979―),男,高级工程师,2002年毕业于西南交通大学,工学学士,E-mail:2401782441@qq.com。