地热田区地热特征分析及对铁路隧道影响研究

李 鹏 程

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北 武汉　430000)

1　工程概况

新建铁路梅州至潮汕铁路始于广东省东部梅州市梅县区南口镇，止于广东省揭阳市沙溪镇厦深客运专线潮汕站，线路正线全长121.548 km。拟建丰顺隧道进口位于梅州市丰顺县建桥镇下坪塘村，出口位于梅州市丰顺县东联镇虎局村。隧道里程为：DK47+765～DK62+153，全长14 388 m，最大埋深830.5 m，内轨设计标高174.629 m～69.087 m。

2　地质概况

2.1　地形地貌

低山丘陵区植被发育，自然坡度25°～40°，沟谷多呈“V”字型或“U”字型，最高点位于丰田嶂西侧的韩山，主峰海拔+1 042.9 m，丰顺隧道正好从韩山主峰下方穿过。丰顺隧道全长14 388 m，最大埋深830.5 m，隧址区山高林密，草木茂盛，自然坡度较陡，沟底狭窄，多顺直，隧道中部国道G206附近谷地较开阔，多辟为农田。

2.2　地层岩性

地表地层主要为第四系全新统粉质黏土，洞身地层主要为侏罗系上统安质凝灰熔岩、凝灰岩、英安斑岩、流纹斑岩等杂质砂岩，燕山期花岗岩。

2.3　地质构造

隧址区在大地构造上处于粤东隆起带，位于东西向佛冈—丰良深断裂带、北东向莲花山深断裂带与北西向榕江大断裂带的交汇部位，受上述构造叠加影响，区内构造活动强烈，其中以北东向构造最为发育，次为北西向和东西向。隧道线路在里程DK50+560,DK56+620,DK61+380附近，分别穿越了建桥断层、丰良断层、汤西断层，三条断层均为北东向，属于新华夏系构造体系之莲花山断裂带的次级断层，其性质为压性。另外根据物探推断，在隧址区发现有20条小断层，整体走向以北东为主，次为东西向，倾向南或南东。

桐子洋复式向斜，以桐子洋——走马岗为中心轴线，呈北东50°左右方向展布，向斜核部位于韩山。北西翼岩层产状35°，南东翼岩层产状稍陡，40°～65°左右褶皱被区内北东走向断层切割，呈断块展露，受褶皱构造影响，节理裂隙发育，岩体破碎。

2.4　水文地质

隧道区地下水类型包括第四系松散岩类孔隙潜水、基岩裂隙水。孔隙潜水主要分布于隧道通过区的沟谷中，含水层为第四系残积黏性土，由于含水层厚度不厚，水量很小。基岩裂隙水含水层岩性主要为英安斑岩、流纹斑岩及花岗岩，地表风化带节理、裂隙发育，岩石整体较破碎，含水性中等～弱；弱风化～未风化的基岩较完整，赋水性弱。隧址区构造及节理裂隙较发育，构造裂隙带富水性和导水性相对较好，但北东向断裂和东西向断裂均以压性为主，丰水性和导水性较差。

2.5　地热地质

2.5.1地热流体的形成机理

隧址区地热田形成机制可概括为：区内大气降雨入渗及围岩网状裂隙水直接或间接补给带状构造裂隙水后，构造裂隙水在水头压力及其他因素的共同作用下，沿断裂破碎带往下运移，在深部接受热能传递，地下水温度不断升高，并不断溶解围岩中的SiO2，F等矿物质，在热动力与水动力作用下产生垂直对流运动，密度低的热流体沿着北西向断裂破碎带尤其是断层交汇部位向上运移，在运移中温度较高的热流体部分热量在围岩中散失，同时可能会有浅层冷水的混入，从而使热流体温度自下而上逐渐变低。地热流体沿地下通道上升，并在地势较低、覆盖层较薄或裂隙裸露处涌出地表形成温泉。

2.5.2热储特征及其埋藏条件

隧址区地热流体主要受断层控制，次为受岩性控制。北东向断裂为隧址区的主要控热构造，东西向为次要控热构造，北西向断裂为隧址区主要的导水导热构造。隧址区地热田以对流传导热为主，热储类型为带状裂隙型热储，为承压型地热。

2.5.3地热田边界条件

隧址区地热田平面上呈现出北西向展布的长条状、不规则的浑圆状、斜“S”状，热储的边界条件受到地层、构造和岩浆岩共同控制。

3　热流体化学特征

3.1　地热流体化学组分特征

通过对隧址区地热田热矿温泉水和钻孔水进行取样，实验室化学分析结果表明：区内温泉水中阳离子以Na+为主，含量85.6 mg/L～77.7mg/L，次为Ca2+,K+，含量分别为2.47 mg/L～17.1 mg/L,3.97 mg/L～6.91 mg/L，Mg2+含量微；而隧道钻孔地下水阳离子以Ca2+为主，其次为K+。各地热田及钻孔水中阳离子对比如图1所示。从温泉水与孔内水化学成分差异性巨大可知二者来源不同。

3.2　同位素地球化学

3.2.1同位素特征

氢同位素(δD)和氧同位素(δ18O)是判断地下水来源的天然示踪剂，为了研究隧址区地热水及钻孔冷水的补给源，研究工作在邓屋、丰良等四个地热田及隧道DK45+760,DK57+300处两个钻孔中采取水样进行氢氧同位素分析，其分析结果见表1。由表1可知，地热流体氢同位素(δD)变化范围-48.1‰～-45.5‰，氧同位素(δ18O)变化范围-7.4‰～-6.9‰；钻孔地下冷水氢同位素(δD)变化范围-45.9‰～-42.7‰，氧同位素(δ18O)变化范围-7.0‰～-6.7‰。氢同位素变化幅度-5.4‰，氧同位素变化幅度-0.7‰，其变化幅度均不大。

表1　氢氧同位素分析结果表

‰

3.2.2水来源判别

氢同位素(δD)和氧同位素(δ18O)是判断地下水来源的天然示踪剂，为了研究隧址区地热水及钻孔冷水的补给源，将分析数据投影到δD-δ18O图上(见图2)，图2中斜线为大气降水线方程，隧址区地热水及钻孔内冷水均落在大气降水线附近，这说明温泉水与钻孔内冷水一样，均来源于大气降水。

3.2.3补给区温度及补给高程

隧址区地热田地热水来源于大气降水补给，而大气降水的同位素补给一般具有高程效应，即是在地形起伏较大的地区，大气降水中的氢同位素(δD)和氧同位素(δ18O)随着地面高程的增加而逐渐降低。利用中国大气降雨高程效应公式、大气降雨氧同位素(δ18O)、氢同位素(δD)与平均气温的关系公式可计算出补给区温度及补给高程。公式如下：

δD=-0.02H-27；

δ18O=(0.521±0.014)t-(14.96±0.21)；

δD=3t-92。

其中，H为补给高程，m；t为补给区温度。

通过计算结果可知，补给区平均温度为15.19 ℃，补给区高程为787 m～1 056 m，平均965 m，地热水补给高程较钻孔冷水略高。

4　地热与隧道影响分析

4.1　隧道地温预测

勘察工作在丰顺隧道及其附近的云山隧道共施工8个深孔，并进行了钻孔全孔测温工作，根据测温数据计算得每个钻孔的地温梯度值，具体测温数据见表2。

表2　钻孔地温梯度值　℃/100 m

根据地温梯度理论计算公式，预测工程最大埋深地温值。计算公式如下：

T=t+(H-h)·gγ。

其中，T为H深度处隧道原岩温度，℃；H为隧道最大埋藏深度830.5 m；h为常温带距地面厚度，一般取30 m；gγ为隧址区地温梯度，取钻探实测平均值1.28 ℃/100 m；t为地区恒温层温度(多年平均气温21.4 ℃)。

预测隧道埋深最大处地温值为T=21.4+(830.5-30)×1.28/100=31.75 ℃，隧道DK47+765～DK51+100，DK53+600～DK62+153段温度小于28 ℃，无热害；DK51+100～DK53+600段温度28 ℃～≤31.65 ℃，热害轻微。

4.2　地热流体对隧道建设影响分析

4.2.1隧道线路与温泉分布的空间关系

距隧道路线最近的地热田为北斗地热田，分布于线路DK58+500～DK62+153段南西侧，最近处直距约5 km，北东侧丰良地热田据隧道线路直距约9.5 km，就平面分布情况看，地热田出露区距隧道选址区较远。

在垂直方向上，隧址区地热田出露标高在+7 m～+98 m之间，其中丰良温泉出露标高较高，为+92 m～+98 m，其附近的铁路隧道内轨设计标高+170 m；北斗温泉出露标高+30 m～+40 m，附近的铁路隧道内轨设计标高+69 m～+113 m，其余温泉标高在+7 m～+25 m。从纵向分布情况看，铁路隧道内轨设计标高均高于其附近出露的温泉标高。

4.2.2地热对拟选线路影响分析

1)标高条件。隧址区地热田主要受构造控制，其热储为带状热储，地热流体是从上往下深循环的对流系统，隧道路线设计标高高于附近温泉出露标高，之间也无沟通断层，因此，地热对拟选线路无影响。

2)岩性条件。隧址区及地热田区岩性主要为陆相火山喷发的流纹岩、英安岩、安山岩及燕山期侵入的花岗岩。在无构造裂隙发育的地段，地下水主要以网脉状风化带裂隙水为主，风化带以下岩石相对完整，密实，导水性和导热性较差，为构造带裂隙水及地热水的相对隔水层，不利于地热流体的连通。

3)构造条件。隧道线路穿越的区域断层有北东向建桥断层、丰良断层、汤西断层，该组北东向断层为区域性控热断层，虽与北西向导水导热的汾水断层、坑子口断层相连通，但北东向断层为强烈挤压的逆断层，其含水性及导水性较差。隧址区温泉大都出露于北东向与北西向、或东西向与北西向断层的交汇部位，而隧道线路附近均未见有三个方向的断层交汇。因此，隧道线路无地热流体存在的构造条件。

综上所述，从隧道线路内轨设计标高、岩性条件、构造条件分析说明，地热流体对拟选线路基本无影响。

5　结语

地热虽对隧道围岩影响不大，但过高的温度会对隧道衬砌结构安全产生重要影响，并影响日后施工及运营，所以查明地热成因、分布状况、具体温度值等对隧道选线及设计工作至关重要。应采用综合方法对地热开展选线及勘察工作，对高地温危害区段，设计施工时应采用相应降温、排水及通风系统，并备好必要的排水、通风设备，做好高地温施工预案，对隧道内地下水加强监测(水温、水量)，施工期间开展地温超前地质预报工作。

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