地热隧道对拉日铁路选线的影响研究

周安荔

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

地热隧道对拉日铁路选线的影响研究

周安荔

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

通过对拉日铁路高地热分布特征、地热形成原因、高温隧道热害对工程的影响分析，利用地热研究理论，建立计算模型，采用数值模拟技术对隧道地温场进行模拟分析，揭示隧址区地热分布规律，提出可供线路通过的地温异常区相对低温通道，并以拉日铁路吉沃西嘎隧道高地热预测和线路方案选择为例予以说明。总结高海拔地热地区选线思路及原则，为类似地区工程的设计和建设提供借鉴。

拉日铁路；地热分析；地热隧道；线路方案

1 概述

新建拉萨至日喀则铁路地处青藏高原西南部，行经西藏自治区的拉萨市和日喀则地区，是西藏自治区铁路网中承东启西的一条重要干线铁路，对促进铁路沿线地区及西藏口岸经济发展、增强民族团结、巩固国防具有重要意义。线路全长253 km，2010年10月开工，2014年8月开通运营。

拉萨至日喀则铁路解决了高强度地热活动区、高寒缺氧、高海拔风沙等3项世界性难题，其中高地热活动区所引发的隧道内的高温热害问题，是影响本项目建设方案的关键因素之一。

拉萨至日喀则铁路通过区属于喜马拉雅地热带的一部分，位于那曲—当雄(羊八井) —尼木水热活动带的南部。拉日铁路正面以隧道群方式穿透40 km地热带核心地段，属国内首次。

通过拉日铁路雅鲁藏布江地热区选线的研究，总结高海拔地热地区选线思路及原则，为类似地区工程的设计提供借鉴。

2 高温隧道热害

近年来，我国铁路建设高速发展，路网布局逐步完善，长大、深埋、地质复杂、边远山区、特殊地区的隧道工程越来越多。高温地热隧道相继在拉日铁路、吐库二线、向莆铁路、玉蒙铁路、蒙河铁路、大瑞铁路等项目出现[4]。隧道地热病害已逐渐成为一大难题，隧道热害不仅影响工程的施工进度和投资，甚至还决定线路方案的可行性，地热对隧道工程的不利影响主要表现如下：

(1)作业人员生理不适可能引发疾病，主要表现为体温调节发生障碍，导致代谢紊乱，生理异常，甚至导致疾病，严重威胁到施工人员的健康和安全；

(2)洞室内的高温高湿，恶化作业环境，导致机械设备的工作条件恶化、效率降低、故障增多；

(3)影响施工及建筑材料的选取和混凝土的耐久性；

(4)产生的附加温度应力还可能引起衬砌开裂，严重影响隧道的稳定性和安全性，并加大运营期间的养护强度。

鉴于高温热害对隧道工程的危害，有必要对热害隧道及铁路选线进行深入研究。

3 拉日铁路地热分析

3.1 拉日铁路地热分布特征

根据地表地热分布状况、区域地热研究成果及勘探测温资料，拉日线地热分布特征如下。

(1)地热分布主要受断裂构造控制，尤其是受区域性深大断裂控制。

(2)区域性深大断裂与次级断裂交汇附近，地热异常明显。如吉沃希嘎隧道洞身高温段就位于几条断层的交汇部位。

(3)雅江峡谷区隧道地热以低温-中高温带为主。

3.2 拉日铁路地热形成原因

拉日铁路位于喜马拉雅地热带，该地热带是我国大陆上地热最强烈的地热带之一，是地球地幔和地壳运动的产物。地热与隧道埋深、地层岩性、地质构造及地下水活动等因素有关。

拉日铁路雅鲁藏布江峡谷区正好位于雅鲁藏布江缝合带与当雄—羊八井—尼木-多庆措地热活动带的交汇部位，当雄—羊八井—尼木-多庆措地热活动带是藏南最为活跃的水热显示区。雅鲁藏布江峡谷附近下部的熔融岩浆埋深浅，是地热的主要来源；峡谷区区域性深大断裂构造发育，如F1、F1-1、F4-1(尼木断裂)、F4-2等，为地热的形成提供了良好的储存、运移空间，热水一方面通过断层溢出地表形成温(热)泉，另一方面通过热传导、热辐射的作用，导致岩体温度升高，从而形成高岩温，是雅鲁藏布江两岸地热发育的主要原因。拉日铁路地热区地质构造见图1。

图1 拉日铁路地热区地质构造

3.3 地热研究理论

(1)地热场空间分布规律研究

①根据测温钻孔实测数据，建立测温钻孔-温度曲线，应用最小二乘法对曲线进行拟合，建立各钻孔深度-温度曲线回归方程，并应用该方程对钻孔地面以下高程的地温进行预测。

②以地热调查、物探、钻探、实验测试成果为依据，应用格里克插值法，对区域地热进行数值模拟和分布规律进行研究。

(2)隧道地热场有限元数值模拟

①根据线路平、纵断面以及工程地质资料，对地热隧道建立地质模型，尔后建立有限元热分析计算模型，通过获取相关参数，对隧道进行地热空间分布规律研究，并绘制等值线图。

②应用隧道地热场数值模拟结果，结合区域地热场分布规律，提出可供线路通过的地热异常区相对低温通道，据此对线路方案进行选择和优化。

4 拉日铁路吉沃西嘎隧道高地热预测案例

4.1 测温钻孔-温度曲线

为查明地下不同深度的温度分布及热流值，根据线路平纵断面资料，在隧道位置布设适量的钻孔测量研究区内的地温，且同一钻孔进行多次测温并取其平均值，依此绘制各钻孔的深度-温度曲线，从测温钻孔-温度曲线能够反应出钻孔所测的实际岩温。

4.2 钻孔测温曲线的拟合及预测

由于各种因素制约，钻孔的数量和深度达不要求时，就需要对钻孔底面以下的地温进行预测。

(1)对孔底以下30 m以内的深度-温度曲线呈线性变化，可用地温梯度预测方法，地温梯度计算公式为

T=T0+H·G

式中T——预测温度，℃；

T0——对应H的实测温度，℃；

G——地温梯度，℃/100 m；

H——相对深度，m。

(2)对孔底以下30 m以内深度-温度曲线呈非线性变化的地温预测，需采用曲线拟合的最小二乘法，建立钻孔深度-温度曲线回归方程进行预测。

如对可吉沃西嘎隧道钻孔底面以下的地温进行预测。RZ-1钻孔的回归方程为

y=-0.002x3+0.0178x2+0.4116x+13.077，

该方法预测地温和实际地温误差小于5%，可见该方法预测孔底以下岩温正确。

4.3 采用数值模拟技术对隧道地温场进行模拟分析

根据钻孔实测及预测数据，应用克里格插值法对线路轨底和高程平面的地热进行数值模拟分析。图2为研究区域地温场等值线图，从图2可以看出：线路从色麦村隧道，先通过一段低温区后，在吉沃西嘎隧道进入地温异常区，附近最高地温在57 ℃以上，之后线路轨底地温逐渐降低，在吉沃西嘎隧道出口处降至20 ℃以下，之后通过均为低温区。

图2 研究区地温预测等值线

通过以上分析可以得出隧道轨底大致的温度，吉沃西嘎最高温度达到57 ℃。

另外，通过高程地热场等值模拟，分析区域地热场随深度的变化规律。通过分析，该区域地热呈以下特征：区域地热随深度的增加而增大；地热分布规律大致呈中部高，两端低。

4.4 计算模型建立

通过对拉日铁路吉沃西嘎隧道的场地工程地质条件、地层岩性、地质构造特征等综合分析，在获得了隧道岩体热分析的基本认识基础上，建立隧道岩体的地质模型并由此建立计算模型，采用Ansys有限元软件，对吉沃西嘎隧道岩温分布情况进行热分析和数值模拟，从而作出隧道的地温场等值线图，为低温通道的选取和高温热害评价提供依据。

根据隧道地温场的数值模型的尺寸，在隧道竖向采用1∶1，横向1∶10建模，对隧道内不同材料类型进行网格划分，网格划分采用四边形网格，长度为5 m。并选取相应材料的导热系数λ参数和和上、下边界的温度荷载温度等数据。

吉沃西嘎隧道取3 740～3 880 m的范围建模，共划分了3 223个节点，2 807个单元，其地质模型、网格划分见图3、图4。

图3 吉沃西嘎隧道地温场模拟地质模型

图4 吉沃西嘎隧道地温场有限元网格划分

4.5 吉沃西嘎隧道地温场数值模拟分析

根据以上数值计算模型，将测温孔数据作为验证条件，隧道地温场数值模拟等值线见图5。 隧道不同里程处的地温线见图6。

图5 吉沃西嘎隧道地温场模拟等值线云图

图6 吉沃西嘎隧道沿走向地温曲线

从图5可以看出，等值线从高温区处向外呈扩散状，隧道经过处所遇到的最高温度为57.64 ℃，所在里程为IIIDK118+732附近，属于异常高温区域。

从该隧道区域的整体情况分析，隧道区域内部地温的分布大致随深度增加而升高。地温等值线的形状主要受底部温度和坡体地形影响较大。

5 吉沃希嘎隧道线路方案选择案例

拉日铁路通过地热区的吉沃希嘠等8座隧道已顺利完成施工，并交付运营。地热区隧道的实施方案在原设计方案研究阶段的基础上进行了优化，下面以吉沃希嘎隧道为例予以说明。方案示意见图7。

(1)隧道地热分析

通过对吉沃希嘎隧道地热分析，该隧道存在地热问题。根据区域地热场预测，该隧道长3 985 m，大致在1 780 m范围内存在地温异常。

此段范围隧道中心线距离雅鲁藏布江左侧岩体坡面约250 m，由于此处雅江两岸岩体高陡。以50 m为基本单位，分别对线路靠近雅江左移50、100、150、200 m进行地热场数值模拟，以计算出相对地温通道的最佳线位，其研究结果见图8。

由图8可以看出，线位向左侧优化100 m后，隧道所经过的最高温度从原来42.5 ℃降为36.35 ℃，下降了6.15 ℃，可见优化后的线位对降低隧道地温有很好的效果。根据这一研究结论，确定了线位尽量靠近雅江。

另外，从地热场模拟云图分析可以看出，适当抬高线路高程，减小隧道埋深亦可有效降低隧道地热，以线路左移100 m为例，高程每抬高5 m，隧道地热变化曲线如图9所示。

图9 地热随高程变化曲线

可见，线路靠近雅江，同时抬高线路高程可有效减小地热对隧道的影响。

(2)线路方案优化

该段线路走行于雅江峡谷区，工程地质条件复杂，崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害频发。线路若左移大于200 m，则会造成线路以明洞或偏压隧道工程通过，可能导致隧道施工受地质灾害风险加大、隧道结构整体稳定性降低、隧道养护工作加大等问题。故该段线路应结合不良工程地质、地热及线路技术条件进行综合比选。

①原方案

该隧道走行于雅江北岸，远离靠近公路的滑坡及岩堆，线路走向与雅江基本平行，距江边约500 m。该方案线路短顺，绕避了不良地质，技术条件较好，但高地热问题严重。

②优化后方案

此段线路方案结合地热及不良地质等控制因素，优化后的线路方案尽量靠近雅江边，线路靠近雅江在原方案线位外移大约130 m，结合不良地质分布、线路高程等因素进行综合优化，优化后的线路平、纵断面经施工及运营的实践，证明优化后的方案经济合理。

6 峡谷区地热段选线思路和原则

6.1 选线的普遍性规律

寻求线路通过相对低的地热通道，以绕避地热异常区，减少地热对隧道的不利影响，线路方案原则以控制地热为重点，按隧道相关规范，隧道内温度控制在28 ℃以内，并绕避滑坡、泥石流等地质灾害。线路尽量靠近河(沟)谷，隧道适当靠近坡面，以降低线路附近岩体温度，在控制沟谷或可能出现地热的断层附近分别以浅埋隧道、明洞或明线等工程措施通过，缩短横通道的长度，以便于对地热进行处理。

6.2 地热区选线设计原则

拉日铁路雅江峡谷区的选线，具有典型的高原峡谷区地热铁路选线的特点。由于通过的区域海拔高、河谷深、地质异常复杂，特别是分布有地热活动带，具有独特的地热、地质特征，使线路方案具有特殊的考虑因素。通过对拉日铁路地热隧道不同的地质、地热条件的分析研究，合理确定了地热隧道线路方案的选线原则及线路基本方案。

(1)线路尽量绕避河谷两岸的滑坡、错落、泥石流、岩堆、危岩落石、断层等不良地质区，特别是要绕避地热发育地段。当线路必须通过规模较大的地热地质体时，应选择地热边缘、构造简单、地热强度弱的地段。

(2)线路尽量与地热分布带大角度相交，以最短距离通过。要特别注意：避免通过有温泉出露或古温泉地段。

(3)线路尽量靠近河谷，在控制沟谷或可能出现地热的断层附近采取浅埋隧道方案，缩短横通道的长度；同时尽量拔高线路高程，减少隧道埋深，降低线路附近的岩体温度，以便于对地热及时进行处理。

7 结论

(1) 根据线路平、纵断面以及工程地质资料，依据地热研究理论，对地热隧道提出可供线路通过的地温异常区相对低温通道，据此确定线路方案。

(2)高强度地热活动所引发的隧道内高岩温会导致隧道内的高温热害问题，会直接影响隧道工程的施工安全、效率、进程和投资。总结拉日铁路的经验，线路应尽量绕避地热发育地段，优先采用明线方案；当线路必须通过规模较大的地热地质体时，应选择地热边缘地带、构造简单、地热强度弱的地段。可以选择傍山隧道方案、浅埋隧道方案等，最大限度减小隧道的埋置深度，从岩温相对较低的表层通过，同时线位应有利于横通道位置选择，缩短横通道的长度，为施工增加工作面及加强通风降温创造条件，以便于对地热进行处理。

(3) 通过对地热分布规律等研究结果，分析拉日铁路雅鲁藏布江地热区选线的成功经验，总结了高海拔地热地区选线思路，为类似地区类似工程的设计及建设提供了可靠依据。

[1] 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．

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[3] 中铁第一勘察设计院集团有限公司.高海拔地热地区选线关键影响因素研究报告[R].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2014.

[4] 佟伟，章铭陶，等.西藏地热[M].北京：科学出版社，1981.

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[9] 刘争平.铁路工程地热勘察关键技术研究[J].铁道标准设计，2014，58(S1)：1-4.

[10]杨新亮.铁路工程地热勘察关键技术研究[J].铁道标准设计，2014，58(7)：107-111.

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Study on the Influence of Geothermal Tunnel on Route Selection of Lhasa-Shigatse Railway

ZHOU An-li

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd.， Xi’an 710043， China)

Through the analysis of highland heat distribution， geothermal formation causes and the adverse effects of high temperature heat tunnel on the engineering of the Lhasa-Shigatse Railway， the calculation mode established with geothermal research theory and numerical simulation are employed to simulate and analyze tunnel geothermal field and reveal the pattern of geothermal distribution in the tunnel area. As a result， a relatively low temperature channel is proposed to pass through areas with abnormal ground temperature， which is justified by the practice in route selection of Jiwoxi GA tunnel on Lhasa-Shigatse railway. This paper summarizes the concept and principles of route selection in high altitude geothermal areas， which provides

for the design and construction in similar areas．

Lhasa-Shigatse Railway; Geothermal analysis; Geothermal tunnel; Route scheme

2015-02-04；

2015-02-16

中铁第一勘察设计院集团有限公司科研项目(院科12-20)

周安荔(1966—)，男，高级工程师，1991年毕业于上海铁道学院铁道工程专业，工学学士，E-mail： xyczal@163.com。

1004-2954(2015)10-0001-05

U212.32

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.001