隧道地热发育特征分析及地温预测

刘志明

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉430063)

随着高速公路、铁路建设持续往山区推进，深埋长大隧道的数量日益增加，隧道高地温热害问题越来越突出。穿越阿尔卑斯山的辛普伦(Simplon)铁路隧道，施工过程中遭遇高温热水涌出，长达3 km的洞段地温在50℃左右。勒奇堡(Lotschberg)和圣歌达(Gotthard)铁路隧道最高地温超过40℃。成昆线埃岱1号和2号隧道、莲池隧道、白石岩1号隧道等多个隧道洞内温度达到35～40℃。秦岭Ⅰ线隧道埋深1 000～1 600 m的地段隧道内温度达31～42.1℃。川藏铁路所经地区属地中海—喜马拉雅地热带，其中约15个隧道判定存在高温热害问题，拉林铁路桑珠岭隧道开挖时最高岩温达86℃[1]。高地温热害问题不仅导致施工作业环境恶化，高温地热水的瞬时涌出甚至可能造成施工人员生命财产损失，已成为山区深埋长隧道重点关注的灾害类型之一[2]。高温热害不仅直接影响工程方案的可行性，还影响着隧道工程的施工安全、效率、进度和投资，给勘察、设计及施工带来极大挑战[3-5]。高地温的产生成因主要包括地下水、断裂构造、岩浆岩侵入、近期火山活动、放射性和地震活动等条件，通过对青藏高原共和盆地地热资源成因开展分析，确认该区域地热主要受加厚地壳放射和盆地下方局部热异常共同作用所致[6-7]。张英等[8]根据地热的赋存方式研究，确认充足的水源补给和断裂发育是隆起山地水热型地热系统形成的主控因素，埋藏较好的高渗透性储层及较好的盖层，是干热型地热系统形成的主控因素。针对地热水化学研究方面，BO等[9]通过建立地下水渗流对热贯通影响的分析模型，确认地热地下水流的渗流状态和传热规律。KOMATSU等[10]通过对冈山州热水和冷泉水开展化学组成及同位素对比研究，确认该段地下水由大气降水入渗花岗岩层形成。CHEN等[11]通过对地热水开展包含氢氧同位素分析等方法确定热水类型及演化机理。胡政等[12]利用同位素分析法、微量元素分析法、放射性元素分析法等对隧址区的热水来源及演变过程、热源成因进行研究。赵佳怡等[13]通过水化学分析和氢氧同位素方法对四川巴塘地热田开展地下热水演化分析。针对地温热储温度研究方面，YANG等[14]利用地温标尺法对区域深部热储温度进行评价；单玄龙等[15]通过地球化学温标法开展长白山地热系统热储温度研究。刘明亮等[16]通过Ca-Mg温标和石英温标法计算雄安新区地温热储温度。FOURNIER[17]通过化学地温计法进行地热系统研究。针对隧道地温预测研究方面，罗锋等[18]沿隧道走向从地温、地温梯度及隧道埋深对隧道地温影响进行分区分析。王生仁等[19]基于地表恒温层温度、深度和地温梯度变化的地温计算公式预测川藏铁路拉月隧道热害地段。徐世光等[6]论述了大地热流的测试原理和地温梯度的确定方法。关于隧道工程穿越地温异常区域的研究较多，但由于深埋隧道地温赋存及发育特征各异，各区段差异性难以清晰表述。本文结合瑞金至梅州铁路穿越三百山隧道工程，通过水文地质勘探测试、水化学测试、地球化学温标研究等方法，研究隧道地热特征及隧道分区分段地温预测评估。

1 地质概况

1.1 区域概况

拟建新建铁路瑞金至梅州铁路三百山隧道入口位于江西省赣州市安远县，出口位于江西省赣州市寻乌县。隧道起讫里程DK123+757.00～DK133+944.00，全长10 187.00 m，隧道穿越区最高标高1 144.0 m，最低标高399.4 m，相对高差约745 m，隧道最大埋深约700 m(DK130+000附近)，属深埋长大隧道。

三百山地处赣、粤、闽3省交界处，属武夷山脉东段北坡余脉交错地带，是长江水系之赣江与珠江水系之东江两水系的分水岭。三百山在构造上位于南岭东西向构造带与武夷山北东向构造带的交接复合部位，构造复杂且岩浆活动强烈。

水文地质调查资料显示，区域地热资源丰富，见图1，临近区域共分布热泉16处，温度26～86℃，其中离隧道最近的虎岗温泉位于隧道西侧约10 km，泉水中热水水温约35～50℃；钻孔溢出热水水温较高在65℃左右。虎岗温泉西南侧约15 km左右为新塘地热区，热水温度对比虎岗温泉水温偏低约15～20℃。因此，隧道区存在形成高地温异常的地质背景条件，加之隧道里程长、埋深大，未来施工面临高地温热害的风险高。

图1 温泉和热水孔分布图Fig.1 Distribution map of hot springs and hot water holes

1.2 地质构造

隧址区整体在三百山火山盆地中穿越，受区内多期次的构造运动以及岩浆活动、火山活动的共同影响，测区火山作用主要经历“沉积−喷发−溢流”旋回，隧址区范围自下而上形成火山岩与火山沉积岩三元地质结构。

隧址区地处华南褶皱系之武夷隆起带，于加里东旋回和燕山旋回期发生多次构造运动，导致隧址区地质构造发育，构造形迹以断裂构造为主，断层以压性、压扭性断层为主，高角度产出，断裂构造具有一定储水空间和导水径流通道作用，隧道节理裂隙密集带岩芯照片见图2。钻探揭示及物探揭示断层，附近电阻率呈低阻，产于J3ch1b凝灰岩夹凝灰质砂岩、J3ch1a凝灰熔岩夹熔结角砾岩地层中，于地表里程DK129+010与线路相交，交角约99°，倾向小里程方向，视倾角约87°。受构造影响，节理裂隙发育，岩体较破碎，洞身围岩稳定性较差。地下水主要为基岩裂隙水和构造裂隙水，较发育，富水性较好。

图2 岩芯照片Fig.2 Photograph of core

1.3 地热特征

评估区周边主要呈现5处地热带，其中黄屋村-孔田地热带位于三百山越岭段坡脚缓坡段，距离线路最近，黄屋村−孔田热水带沿北东东向断裂构造展布，该构造贯穿线路通过段落。如图1所示，黄屋村-孔田热水带由3处热泉(新塘村温泉、新田温泉和虎岗温泉)和4个热水孔组成，水温32℃～78℃，热泉总流量8.704 L/s。

从三百山隧道所处的构造部位分析，三百山地区中生代以来火山和岩浆活动强烈，深部岩浆热源距离地表相对较近，为地热水的形成提供了有利的热源条件；而燕山运动和新构造运动作用下，北北东向和东西向构造的活动形成的张性断裂和构造裂隙带，为地下水深循环和深部热源上升提供了通道；上述条件的组合，为该地区地下热水系统的形成提供了有利的地质条件。

2 现场测试

2.1 地下热水化学特征

研究系统采集了隧道不同类型地下水的样品，现场采集照片见图3。开展常量、微量组分与氢氧同位素分析测试，根据地下水的补给、径流、排泄特征，本次研究设计采集的水样分为：大气降水、地表水体、地下水样(泉点、钻孔地下水)，共采集水样54组。阴离子组分采用离子色谱仪测定，阳离子组分采用ICP-AES谱仪测定，氢氧同位素组分测试，氢同位素采用锌反应法，氧同位素测定采用氧—二氧化碳平衡法，测定仪器为MAT253同位素质谱仪。

图3 水样采集现场照片Fig.3 Water sample collection

分析表明，地热水水化学类型以SO4·HCO3-K+Na型为主，HCO3-K+Na和HCO3·SO4-K+Na型为次。矿化度达1～4.46 g/L的有9处，其余均小于1 g/L。地热水普遍含有氟、氯、镁、铀等多种微量元素。一般都有逸气现象，据4处热泉资料，估算气体量为226.5～1 081.8 mL/S，气体成分中，因为有利二氧化碳含量较高，故称碳酸气。有6处游离二氧化碳含量大于250 mg/L。

2.2 地温梯度测试

地温测试采用QL40-OCEAN井温井液电阻率探管和MATRIX数字采集仪，现场采集照片见图4。曲线数据记录以电脑存储，在资料处理前对各曲线进行预处理，如曲线的倒序、记录点对齐、曲线平滑、深度修正、异常点剔除等。再利用智能测井软件进行数值计算，选择利用的曲线合并，根据曲线计算结果，结合钻探资料进行测井资料的综合解释、数据统计。地温梯度结果见图5，通过开展深孔勘探及孔内井温测量得出，除钻孔浅表测量区段受浅层风化裂隙水影响，导致浅层(80 m以内)随深度增加井温降低的情况发生，总体上井温体现了随着深度的增大而递增的特点。

图5 地温随钻孔深度变化曲线Fig.5 Curves of ground temperature change with borehole depth

根据井温测量结果计算了各钻孔处的地温梯度，隧道区的地温梯度在1.65～2.34℃/100 m内变化，平均地温梯度为2.06℃/100 m，总体上并没有明显的地热异常，见表1。根据规程[20]洞身段温度测试显示：Jz-Ⅲ2101-深130840A号、Jz-Ⅲ2101-深130840A-1号、Jz-III2101-深129585号钻孔所在区域判定为低高温带(Ⅰ)。

表1 钻孔井温测试结果Table 1 Drill hole temperature test results

对井温测试结果开展进一步分析，Jz-Ⅲ2101-深130840A号孔钻孔在埋深10～270 m段地温梯度为1.77℃/100 m；深度280～310 m穿越破碎带时，地温梯度达到了7.66℃/100 m，埋深310 m处揭露断层破碎带后，温度出现明显升高；地温梯度穿过该破碎带后地温梯度又趋于正常，310～520 m处地温梯度为1.52℃/100 m，地温数据出现显著不连续反映。

2.3 地温梯度差异分析

结合Jz-Ⅲ2101-深130840A号孔的井温测试结果及勘探资料对比分析，钻孔在埋深310 m处揭露断层破碎带前后，测试温度出现明显升高，穿过该破碎带后地温梯度又趋于正常，呈现明显阶跃现象(见表2)。结合该钻孔抽水试验成果分析，该破碎带的导水性和储水性均较强，井温和地温梯度的突变表明该断层破碎带导通了来自深部的热源，是控制区域上地下水流动和热扩散的重要构造通道[9]。

表2 Jz-Ⅲ2101-深130840A号孔井温梯度分段计算结果Table 2 Sectional calculation results of well temperature gradient in borehole Jz-Ⅲ2101-深130840A

结合黄屋村−孔田地热带之虎岗地温区勘察孔的测温资料进行分析，随着深度的增加，孔内水温和孔口水温均呈现缓慢升高趋势，在揭穿导水导热断裂构造后，均表现突变规律，与隧道区Jz-Ⅲ2101-深130840A号孔所揭示的井温变化规律一致，说明区内深大断裂构造是主要的导热通道，控制着深部热源的扩散。

通过上述测试对比分析，说明隧址区共发育9组断裂破碎带，而仅Jz-Ⅲ2101-深130840A号钻孔揭露构造破碎带赋存地下水显示地热特征异常，说明区域地热特征差异较大。

3 隧道地热发育特征

3.1 地球化学温度标尺

在利用地热温标前，开展对溶液-矿物的平衡状态开展判断，以评价地热系统中的水岩平衡状态，主要采取以下2种方法：参考温度法和Na-KMg三角图解法。

3.1.1 Na-K-Mg三角图解法

通过对地热水水化学组成成分测试结果分析，相关结果反馈在Na-K-Mg的平衡图中，见图6。从图6可以看出，区域地热水都位于图幅的下部，说明区域温泉地热水均属于“未成熟水”，即与有关碱性长石矿物的水一岩反应未达到完全平衡，溶解作用仍在进行，故阳离子方法不适宜用作热储计算方法。

图6 Na-K-Mg平衡三角图Fig.6 Equilibrium triangle

3.1.2 参考温度法

从图7可以发现区域温泉中SiO2含量的数据点均接近玉髓溶解曲线而远离石英曲线，说明玉髓可能是起平衡作用的主要矿物，区域热储温度可以采用二氧化硅温标方法进行计算。

图7 区域温泉水样SiO2与温度关系Fig.7 Relationship between SiO2 and temperature

3.2 热储温度估算

参照二氧化硅温标方法开展热储温度估算，热水中SiO2是由热水溶解石英所形成，这部分热水在其达到取样点时仅存在传导冷却，没有沸腾、蒸汽损失，根据式(1)进行计算[21]，计算结果见表3。

表3 Si O2温标热储温度计算结果表Table 3 Calculation results of Si O2 temperature scale heat storage temperature

式中：t为热储温度，℃；CSiO2为二氧化硅在水样中的浓度，mg/L。

根据计算结果，虎岗温泉区虎岗温泉和新塘尾温泉地下热水的热储温度在90～99℃之间，属于中低温对流型地热系统。

3.3 热水循环深度

利用热储温度和通过钻孔资料得到的地温资料，对区域地热的热储深度进行估算，对地下热水的循环深度根据式(2)进行计算[22]。

式中：S为热水循环深度，m；t为热储温度，℃；T0为恒温带温度，取年平均温度加2℃，为20.6℃；G0为地温梯度，℃/m，采用地温梯度11.3℃/100 m；D0为恒温带深度，30 m。

热水循环深度计算结果如表4所示，由于该区域地热主要为带状热储类型，断层为主要的储热构造，所以在计算过程中不宜使用区域平均地温梯度进行计算。

表4 温泉热水热储深度计算结果Table 4 Calculation results of hot spring hot water storage depth

按照地热水自下而上传递交换热能，地热梯度逐级递减特点，参照4号钻孔揭露断层破碎带高程约为635 m，该段落测温温度为32℃，对应虎岗温泉标高为320 m，出露温度为67℃，计算地温梯度约为11.3℃/100 m。按照断层地温梯度为11.3℃/100 m进行计算，区域温泉热水的热储循环深度为950～1 050 m之间，与区域水文地质条件基本相符。

4 地温预测及处理措施

根据《铁路工程不良地质勘察规程》[20]，对三百山隧道在开采过程中可能面临的隧道热害问题进行分区评价，分区的主要依据为钻孔测温数据成果对隧道穿越的不同地层地温梯度进行计算，按照地温梯度变化的差异和隧道埋深的变化对隧道地温评价的单元进行划分，分区结果和处理措施见表5。

洞身最高预测温度达56℃，属Ⅱ2级热害；按照平均地温梯度开展预测，洞身最高预测温度约39℃，属Ⅱ1级热害，两者最高温差计算预测结果相差接近27°，同时地温热害段落预测差异大，对后期工程实施遗留重大安全隐患，应加强施工期超前地质预报工作，采取加强通风降温、人工制冷降温、注浆封堵、限量排放等措施热害防治措施，降低工程风险。

图8 深层地热循环模式示意图Fig.8 Schematic diagram of deep geothermal circulation mode

5 结论

1)三百山隧道存在深大断裂导通深层热源以形成地下水深循环加热对流的情况，构成局部地温异常。预测显示：隧道洞身以Ⅰ级轻微热害为主，长度占隧道全长的52%；导热破碎带段存在Ⅱ级中等热害问题，占隧道全长的10%。

2)根据地热赋存条件对隧道开展分区分段预报，针对地温梯度异常区段采取地球化学温标法确定热储温度及热源深度，相关结果与测试结果较吻合，预测地温结果最高达56.5℃。

3)地热水水化学类型以SO4·HCO3-K+Na型为主，矿化度达4.46 g/L，地热水普遍含有氟、氯、镁、铀等多种微量元素。

4)施工过程中需采取相应的热害防治措施，针对不同隧道热害类型以及隧道里程深度差异需要对隧道热害防治措施进行治理。