穿越小江断裂的登楼山隧址区水热活动特征分析及隧道热害评估

刘文连, 利满霖, 许 模, *, 漆继红, 许汉华, 易 磊, 李 潇, 眭素刚

(1. 中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司, 云南 昆明 650051; 2. 云南省岩土工程与地质灾害重点实验室, 云南 昆明 650051; 3. 成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室, 四川 成都 610059)

0 引言

随着我国2035年基本建成交通强国、实现现代化综合交通体系的发展目标以及新时代推进西部大开发形成新格局意见的提出,大批的公路、铁路、城市轨道交通和水利工程进入规划和建设阶段,隧道和地下工程建设也迎来一个新阶段。西南艰险复杂地质山区的隧道工程在建设时需要克服极其复杂的地质、地形和气候条件,会遇到活动断裂带及富水构造带导致的隧道涌突水、高应力环境引起的硬岩岩爆和软岩大变形以及高地温产生的隧道热害等不良地质问题[1-2]。隧道热害主要指高岩温、高水温对隧道施工造成的危害。近年来,国内越来越多的隧道在建设时遭遇热害问题。我国西南地区由于地质构造背景特殊,水热活动强烈,深大活动断裂往往控制着水热活动区的分布,该区域隧道建设遭遇热害的概率大大增加,如云南建成的旧寨隧道和在建的高黎贡山隧道等[3-4]。

隧道热害评价通常分为2步: 第1步,主要通过地质分析的手段对隧道工程遭遇热害的可能性以及遭遇热害的主要段落进行判断; 若第1步已判断隧道工程遭遇热害的可能性较低,则无需进行下一步,否则,下一步将通过测温钻孔以及基于测温钻孔的隧址区地温场数值模拟分析来对隧道热害进行评价。已有学者通过第1步地质分析的手段就隧道遭遇热害的可能性进行判断,如胡政等[5]和杨冬等[6]通过地质分析对云南尼格隧道隧址区的高岩温、高水温热源进行研究。也有学者是基于第1步地质分析后,结合下一步的测温钻孔和数值模拟的应用才对隧道热害进行判断。如周安荔[7]通过地质分析对拉日铁路隧道热害可能性进行判断,认为拉日铁路隧道存在热害风险,然后基于钻孔测温数据对隧道地温场进行数值模拟,揭示隧址区地热分布规律。此外,部分学者基于前人地质分析资料,进一步运用数值模拟方法模拟隧道温度场,判断隧道热害。如赵志宏等[8]在前人对折多山隧道地质分析资料的基础上,对折多山隧道温度场进行模拟并对隧道热害进行评价。尹龙等[9]基于Birch[10]提出的地质演化历史方法以及Bodmer等[11]和Rybach等[12]的温度修正表达式,结合前人的地质分析资料,对高黎贡隧道原岩进行温度预测,并对温度场进行划分。

小江断裂带以及北延的安宁河断裂、鲜水河断裂均表现出强烈的水热活动。已有学者对鲜水河断裂的水热活动特征进行对比研究,如吕国森等[13]通过地质分析以及水文地球化学分析,对比研究了鲜水河断裂带、龙门山断裂带、安宁河断裂带的热水成因模式; 冯涛等[14]通过热水地温梯度反算法对穿越鲜水河断裂南东段分支的隧道热害进行评估,对鲜水河断裂水热活动的工程热害进行了评价研究。而对于小江断裂带,杨雷等[15]通过分析小江断裂带温泉的地球化学特征与重庆温塘峡温泉的差异,认为地质背景对热水地球化学特征有控制作用; 刘云[16]通过对小江断裂带温泉的研究,促进了云南地热资源产业化的发展; 王云[17]通过对滇东南小江断裂带等一系列断裂带上温泉的地球化学特征研究,认为具有幔源特征的温泉可作为地震监测预报的观测对象。前人对于小江断裂带的研究主要集中在地热成因以及地热资源利用方面,与实际工程建设相结合的相关研究甚少,关于水热活动对横穿小江断裂的隧道工程热害评价的研究更是少之又少,故本文开展小江断裂隧道工程热害方面的地质分析研究,以期为类似穿越水热活动强烈的活动断裂隧道工程的热害评价提供参考。

本文以穿越小江断裂的登楼山隧道为例,判断小江水热活动带对登楼山隧道的工程热害影响。通过地质分析和水文地球化学分析相结合的方式,梳理隧址区控水控热断裂的展布特征,得到登楼山隧道进口和出口2处最有可能造成隧道热害的温泉的成因模式,同时基于温泉运移、排泄路径与隧道的空间关系,对隧道热害进行初步评价。

1 隧址区构造展布及水热活动特征

1.1 区域地质及地热地质概况

研究区地处印度洋板块和欧亚板块的碰撞变形区,位于青藏高原东南缘的川滇菱形地块之上[18-19],如图1所示。目前认为该区域是青藏高原物质向东南运移流动的重要通道[20-22]。隧址区则位于川滇菱形地块东边界的小江断裂带中段。小江断裂带初始活动为7～5 Ma[23],北起于云南巧家附近,向南经东川延伸至建水以南,整体呈近南北走向,为一条强烈活动的左旋走滑断裂。该断裂带分为北、中、南3段,其中北段位于巧家至东川之间;中段由东川至华宁,又分为东、西2支,宏观上呈现辫状;南段位于华宁至红河断裂之间[24-27]。

图片参考文献[32],有修改。

隧址区地处滇藏地热带,因其位于青藏高原物质东南流通道上,受多次强烈构造活动影响和控制[28],大地热流背景值高,呈北高南低的规律[29]。鲜水河断裂至小江断裂一带,水热活动强烈,高温热水沿断裂带出露,表明鲜水河断裂至小江断裂一带水热活动受断裂带控制。小江断裂带中段的次级断裂极其发育,中段的东、西2支断裂间形成错综复杂的网格状构造[30],均为地下热水沟通热源和运移储存提供了良好的先天条件。地下热水的循环演化受到构造体系的约束[31],故隧址区内的水热活动分布规律主要受小江断裂带控制。小江断裂带东部地区温泉出露较少,温泉整体分布形迹与小江断裂带近南北向的展布趋势相似,在断裂带中段以沿东、西2支近南北走向的分支断裂分散出露为特点,沿东川、寻甸、宜良、澄江、华宁一线均有温泉出露,表明该区内热水的热源和运移严格受到小江断裂构造控制,形成了较滇西水温低、流量大的滇东中低温水热活动区,如图1所示。

1.2 隧址区地质及地表热显示分布特征

隧址区位于小江断裂带中段的东支西侧,由于地处滇东地区昆明系山字形构造的东翼和南北向小江断裂带的复合部位,且该区地壳经历了多期构造运动,地质构造十分复杂,褶皱、断裂构造发育,地层破碎、残缺不连续[32],但从构造形态和展布特征上分析,仍然具有一定的规律。隧址区构造展布及热水分布如图2所示。隧址区内虽断裂数量较多,纵横交错,初看呈现无规律散布的状态,但前人根据断裂走向特征对区内断裂统计后发现,区内规模最大的断裂组为隶属于小江断裂带中段东支断裂体系的南北向断裂组[33]。因此,区内虽分布有近北东向和东西向断裂,但断裂总体以南北向为优势方向,呈束状展布。

图片参考文献[34-35],有修改。

该隧道全长10 957 m,最大埋深约838 m,隧道围岩以震旦系上统(Zbd、Zbdn),寒武系下统(1l、1c、1q),泥盆系上统(D3)、石炭系中下统(C1dw、C1ds、C2w)、三叠系(T1、T2)地层为主,其中相对含水岩组为Zbd、Zbdn、1l、D3、C1dw、C1ds、C2w。现场调查了隧址区内的7处热水出露点,从热水出露位置的平面展布情况分析,热水主要沿近于南北向的小江断裂带分散出露于山涧沟谷之中,表明南北向断裂带为区内主要的控热控水构造,如图2所示。隧址区内温泉的出露温度均低于50 ℃,温泉主要出露于震旦系灯影组(Zbdn)、寒武系鱼户村组下段(1ya)、志留系玉龙寺组(S3y)和泥盆系曲靖组(D2q)地层中,地层岩性以白云岩、灰岩和灰质泥岩为主。

1.3 隧址区水文地球化学特征

1.3.1 水化学类型分析

隧址区水样水化学测试数据如表1所示。由图3所示的piper三线图可知,隧址区除通红甸温泉的水化学类型为HCO3·SO4-Ca·Na型,其余温泉的水化学类型均为HCO3-Ca·Mg型,与地表水和浅层岩溶地下水的水化学类型相似,表明隧址区内的温泉补给和径流主要在广泛分布的强富水性可溶岩地层中进行。隧址区温泉水中,通红甸温泉的溶解固体总量(TDS)相对较高,其他温泉TDS普遍较低,与地表水以及浅层冷水的TDS属于相同数量级,表明热水在运移过程中受到浅层冷水的混合作用。

图3 隧址区附近热水piper三线图

1.3.2 热储温度及循环深度

隧址区温泉的Na-K-Mg平衡图解如图4所示。隧址区温泉均属于不平衡水,而热水处于平衡状态是使用阳离子温标计算热储温度的前提[36],故无法使用阳离子温标对其热储温度进行估算。由于水中SiO2受其他离子干扰小,沉淀速度慢[37],因此使用SiO2温标对隧址区热泉的热储温度进行估算是合理的。

图4 隧址区温泉的Na-K-Mg平衡图解

隧址区热水SiO2质量浓度ρ与温度关系如图5所示。通过热泉SiO2质量浓度与温度的关系,确定热泉的主要受控SiO2矿物,为各个温泉选取合适的SiO2温标,再结合隧址区测温钻孔SK12的温-深曲线计算的隧址区地温梯度(见图6),使用式(1)得出各个热泉的循环深度(见表2)。

表2 隧址区热水氢氧同位素组分及热储信息

图5 隧址区热水的SiO2质量浓度ρ与温度关系图

图6 钻孔SK12温-深曲线图

H=(t-t0)/g+H0。

(1)

式中:H0为常温层厚度,根据测温钻孔可知约为160 m;t0为常温层温度,取当地年平均气温,约为20 ℃;t为热储温度,℃;g为隧址区地温梯度,根据测温钻孔温-深曲线取2.8 ℃/100 m。

1.3.3 温泉氢氧同位素分析

通过对隧址区温泉氢氧同位素测试结果(见表2),结合我国大气降雨线公式(见式(2))[38]和云贵地区大气降雨线公式(见式(3))[39],得到δD-δ18O关系图(见图7)。从图7中可以看出,隧址区热水的主要补给来源均为大气降雨入渗补给。但图中热水整体18O正漂移程度较轻,即热水在运移过程中与围岩发生了程度较轻的水岩反应。此外,利用我国西南地区δD值的高程效应(见式(4))[40],得到隧址区热水的补给高程在2 085～2 465 m(见表2),根据补给高程推断隧址区热水补给区域主要为隧址区北侧志留系、石炭系和二叠系的灰岩地层。

图7 隧址区热水点δD-δ18O关系图

δD=7.9δ18O+8.2 。

(2)

δD=8.83δ18O+20.3 。

(3)

δD=-0.026h-30.2 。

(4)

式中h为补给高程, m。

综合隧址区热水水文地球化学和氢氧同位素的分析可知,补给高程处的大气降雨沿可溶岩入渗补给后作为隧址区热水的主要补给来源,在相对含水岩组中沿南北向通道运移和排泄。根据热水补给区和排泄区呈南北向的平面线形分布特点,再次表明隧址区内南北向优势断裂组为隧址区主要的控水控热断裂。

2 水热活动对隧址区的影响分析

2.1 隧址区控水控热断裂概况

隧址区内地表热显示分布位置主要沿南北向分支断裂分布于河流或沟谷两侧,受各南北向分支断裂控制,如葫芦冲温泉、象鼻温泉、龙潭营温泉、通红甸温泉分别出露于F9-白玉冲断层,F8-白沙沟断层、F5-杨柳井断层和雨革甸—磨面断层附近。隧址区内地表热显示及其控制断裂整体呈南北向分布于隧址区的东、西两侧,隧道工程夹于东、西两侧地表热显示及其控水控热断裂之间,大体上与控水控热断裂在空间上无交集。

隧址区内热水出露点距离登楼山隧道较近,水热活动导致隧道遭遇热害风险的可能性大大增加。通过对隧址区内的断裂展布规律、热水出露特点以及水文地球化学分析可知,隧址区内的优势断裂组受南北向小江断裂带控制,呈近南北向展布。因此,区内热水是受南北向优势断裂控制、运移方向主要为南北向的断裂循环型热水。通过水化学特征分析可知,隧址区内热水循环深度约为2 000 m。登楼山隧道与隧址区内优势断裂走向近于垂直,象鼻温泉和龙潭营温泉均距离隧道较近,有较大可能造成隧道热害。因此,基于上述对隧址区内优势断裂展布方向的总结,对2处温泉的控制断裂进行细致地梳理,最后判断热水循环演化过程是否可能导致登楼山隧道遭遇热害风险。

2.2 隧道进出口温泉成因分析

结合前文对隧址区地热地质结构以及温泉水文地球化学特征的分析,推断位于隧址区北侧葫芦冲一带的二叠系可溶岩地层为象鼻温泉接受大气降水补给的补给区,南北向白玉冲断层为其主要运移通道。南北向白玉冲断层沟通二叠系、石炭系以及泥盆系可溶岩地层,降雨在葫芦冲入渗后沿该断层走向在可溶岩地层中向南运移,并在运移过程不断被大地热流加热。同时,上覆的三叠系相对隔水岩组与新近系地层可以形成良好的盖层条件,最终在龙洞河的断裂破碎带上溢,形成象鼻温泉,隧道出入口象鼻温泉循环演化机制见图8,隧址区热水补、径、排平面见图9。

图8 隧道出口象鼻温泉循环演化机制示意图

图9 隧址区热水补、径、排平面图

对于隧道入口南侧的龙潭营温泉,根据地热地质结构及其水文地球化学特征,推断其接受大气降雨入渗补给的区域为华宁县大水井岩南侧的石炭系和二叠系的可溶岩地层,以南北向的杨柳井断层为其主要运移通道,如图8所示。降雨入渗后,水头差使得地下水沿近东西向断裂运移至南北向杨柳井断层,随后向南顺着杨柳井断层向深部运移,并在向南运移的过程中逐渐被加热增温,最终在支断裂交汇处的裂隙密集带上溢至地表形成龙潭营温泉,如图10所示。

图10 隧道入口龙潭营温泉循环演化机制示意图

2.3 热水成因对隧道热害的影响评价

根据上述登楼山隧道进出口两侧象鼻温泉和龙潭营温泉的循环演化机制可知,2处温泉的地下热水径流方向主要受到区域南北走向断裂构造控制,其控水控热断裂的走向与登楼山隧道近于垂直,且在空间上与隧道线无交集,热水运移地层与隧道穿越地层不同,使得热水运移路径与隧道也无交集,如图11所示。因此,距离隧道较近位置虽存在水热活动,但在南北向断裂控制下,热水运移路径与隧道线无交集,控热构造对隧道高温热害影响较小。

图11 登楼山隧道轴线穿越区与热水排泄路径关系剖面图

登楼山隧道轴线穿越区与热水排泄路径关系剖面如图11所示。隧道穿越多条次级断裂,隧道穿越的次级断裂无热水出露,但从隧址区出露于其他断裂的热水水化学特征可知,次级断裂发育深度有限,热水没有表现出深部物质混入的特点,水化学类型与浅层水相近。但由于隧道部分段落埋深较大,且所处区域大地热流值偏高,在埋深较大位置也可能存在热害。根据隧道穿越的次级断裂附近的测温钻孔SK12计算出隧址区地温梯度,推测隧道在埋深大于450 m的位置温度大于28 ℃,可能存在轻微热害(28 ℃

3 结论与讨论

1) 隧址区内优势断裂主要为近南北向的展布,区内热水主要受近南北向优势断裂控制。

2)隧址区内热水水化学类型与浅层水相似,热水主要由浅层冷水沿近南北向断裂运移过程受大地热流加热形成。

3)登楼山隧道虽穿越水热活动频繁的小江断裂带,但由于控热控水断裂并未与隧道相交,且热水运移地层与隧道穿越地层不同,故隧道进出口位置遭受热害的可能性较小。

4)根据测温钻孔推算登楼山隧道在埋深大于450 m的位置可能存在轻微热害(28 ℃

通过地质分析与热水水化学分析相结合的方式,能够初步判断隧址区附近地表热显示对工程建设的影响程度,辅以测温钻孔等其他资料能够更进一步对隧道工程的热害程度进行评估,为后期采取针对性热害防护措施提供参考。