引入盾構(gòu)技術(shù)開發(fā)利用深層地?zé)崮?/h1>
2019-09-10 07:22:44張英群張延夕
城市地質(zhì) 2019年2期
張英群 張延夕
摘? 要：探索分析引入盾構(gòu)技術(shù)直接開發(fā)利用基礎(chǔ)地?zé)崮艿目尚行?。地?zé)崽荻燃暗責(zé)豳Y源的分布特點(diǎn)揭示，只要有足夠的深度就能獲得足夠的地溫。傳統(tǒng)的地?zé)峥辈楹偷責(zé)衢_發(fā)技術(shù)受到多種因素制約，使地?zé)豳Y源的開發(fā)利用受到了極大的限制，引入盾構(gòu)技術(shù)開發(fā)利用深部基礎(chǔ)地?zé)豳Y源，將是一種顛覆性和革命性的地?zé)衢_發(fā)技術(shù)。本文通過(guò)分析地?zé)豳Y源的分布特征，結(jié)合盾構(gòu)技術(shù)的特點(diǎn)，探索一種廣泛利用基礎(chǔ)地?zé)崮艿募夹g(shù)、方法和可能性。
關(guān)鍵詞：深層地?zé)?干熱巖;清潔能源;盾構(gòu)技術(shù);地?zé)衢_發(fā)利用
中圖分類號(hào)：P314? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1007-1903（2019）02-0012-06
Abstract： This paper mainly studies the feasibility of development and utilization of basic geothermal energy by shield tunneling technology. According to the geothermal gradient and distribution characteristics of geothermal resources， it reveals that enough geothermal energy can be obtained as long as enough depth. Traditional geothermal exploration and development technology is restricted by many factors， limiting the development and utilization of geothermal resources. It will be a revolutionary technology for introducing shield technology to develop and utilize deep geothermal resources. This paper attempts to study the possibility of wide utilization of basic geothermal energy on the basis of distribution characteristics of geothermal resources， the technical characteristics and application status of shield tunneling.
Keywords： Deep geothermal energy;Hot dry rock;Green energy;Shield tunneling technology;Development and utilization of geothermal energy
0 引言
地?zé)崮軄?lái)源于地球深部熔融的巖漿及放射物質(zhì)的衰變。地核的溫度近6000℃，地殼底部的溫度達(dá)1000℃。地表常溫層以下，約15km范圍內(nèi)，地溫隨深度增加而增高。地?zé)崞骄鰷芈始s為3℃/100m。不同地區(qū)地?zé)嵩鰷芈视胁町?，接近平均增溫率的稱正常地溫區(qū)，高于或低于平均增溫率的地區(qū)稱地?zé)岙惓^(qū)。
地?zé)岙惓^(qū)是傳統(tǒng)研究、開發(fā)地?zé)豳Y源的主要對(duì)象（3500m以淺的地下熱水、干熱巖和淺層地?zé)崮埽５責(zé)豳Y源根據(jù)開發(fā)利用現(xiàn)狀及深度特點(diǎn)可分為淺層地?zé)崮?、中深層地?zé)崮芎蜕畈扛蔁釒r。淺層地?zé)崮苈癫厣疃纫话爿^淺，在0～200m之間，溫度略高于當(dāng)?shù)爻貛囟然虍?dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?，屬于低溫地?zé)豳Y源，熱能的利用一般是通過(guò)熱泵換熱技術(shù)的間接利用方式。中深層地?zé)崮苈癫卦?00～3500m深度，屬于中低溫地?zé)豳Y源，溫度在25℃～150℃，儲(chǔ)存形式有地下熱水和干熱巖兩種，可直接利用或發(fā)電。深部干熱巖埋藏在3500～10000m深度，屬于高溫地?zé)豳Y源，分布極其廣泛，溫度往往高于150℃，一般用于發(fā)電，也可直接利用。
淺層地?zé)崮軓V泛分布，但由于熱能較低，開發(fā)利用限于城鎮(zhèn)居民區(qū)，主要用于城鎮(zhèn)居民生活供熱和制冷。中深層地?zé)崮?，目前以利用地?zé)崴疄橹鳎饕糜阢逶?、供熱采暖和溫室種植與養(yǎng)殖，由于高溫地?zé)岙惓^(qū)分布的局限，用于地?zé)岚l(fā)電的有限;平原地區(qū)雖然資源分布很普遍，但回灌問(wèn)題未能很好解決，造成地?zé)崴黄毡橄陆?，地?zé)嵛菜腥芙庵罅康牡V物質(zhì)和鹽分冷卻后析出，造成環(huán)境污染，破壞了原有的地下水平衡系統(tǒng)等。深部干熱巖廣泛分布于地殼表層，3500～10000m的深度，幾乎不受地域的限制，包括人類集聚區(qū)的大中城市，特別是沿海地區(qū)?；旧峡梢哉f(shuō)，只要深度足夠大，就可以獲得足夠高的地?zé)崮?。換句話說(shuō)如果利用這個(gè)層位的地?zé)豳Y源幾乎無(wú)需詳細(xì)勘查，只需初步調(diào)查，不屬極高的地?zé)嶝?fù)異常區(qū)和構(gòu)造活動(dòng)帶，即可直接開采利用。
據(jù)報(bào)道，我國(guó)深部3～10km地?zé)豳Y源基數(shù)折合標(biāo)準(zhǔn)煤860萬(wàn)億噸，美國(guó)折合標(biāo)準(zhǔn)煤482萬(wàn)億噸（不包括黃石地區(qū)）;但我國(guó)地?zé)崮馨l(fā)電僅為26.6MW，美國(guó)為3595.5MW（相差135倍）。在地?zé)崮苜Y源探測(cè)技術(shù)方面，世界平均干熱巖探測(cè)與開發(fā)深度均超過(guò)5km，我國(guó)剛剛起步，開發(fā)利用幾乎空白。
1 深部地?zé)崮荛_發(fā)利用面臨的主要困難
就目前的垂直鉆探技術(shù)而言，由于勘查和成井深度限制，一般的勘查鉆探均在3500m左右，我國(guó)正在實(shí)施深地科學(xué)鉆探才6300m（溫度已達(dá)250℃）;成井開發(fā)鉆探為2535m，多為“1”字形直筒地?zé)衢_采井。
具體困難在于，傳統(tǒng)的鉆探設(shè)備由于其工藝為先鉆孔后成井，鉆至一定深度后，普遍存在縮經(jīng)、坍塌、掉塊、漏漿、鉆桿的機(jī)械強(qiáng)度和動(dòng)力傳輸?shù)葐?wèn)題，在成井方面，目前仍無(wú)法突破深度限制。
2 引入盾構(gòu)技術(shù)直接開發(fā)利用深層地?zé)崮艿目尚行苑治?/p>
盾構(gòu)施工技術(shù)是集掘進(jìn)、支護(hù)、出渣等施工工序于一體的連續(xù)隧洞掘進(jìn)作業(yè)技術(shù)，是高度系統(tǒng)集成，一次成型的連續(xù)化、系統(tǒng)化作業(yè)施工;具有掘進(jìn)速度快、環(huán)保、高效等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)鉆爆法掘進(jìn)難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜地質(zhì)條件及深埋長(zhǎng)隧洞施工。將盾構(gòu)技術(shù)引入深層地溫能的開發(fā)利用已是當(dāng)務(wù)之急，其意義深遠(yuǎn)，將對(duì)未來(lái)的城市供熱、供電產(chǎn)生顛覆性和革命性變革。目前從理論和技術(shù)上已無(wú)懸念，只是在方法設(shè)計(jì)上還無(wú)人問(wèn)津。
盾構(gòu)機(jī)（TBM）已逐漸成為我國(guó)市區(qū)地鐵、鐵路隧道、引水隧洞等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要設(shè)備，但該技術(shù)設(shè)備在地?zé)衢_發(fā)利用，地下空間探測(cè)等深地工程領(lǐng)域的成功應(yīng)用仍處于空白，研究現(xiàn)代的礦井建設(shè)技術(shù)、提高地?zé)岬荣Y源利用效率是當(dāng)前清潔能源和資源開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域的重大課題。
2.1 盾構(gòu)（全斷面掘進(jìn)）法施工技術(shù)的現(xiàn)狀和特點(diǎn)
（1）應(yīng)用現(xiàn)狀。盾構(gòu)技術(shù)已在地鐵、公路和鐵路交通工程、水利工程、煤礦斜井掘進(jìn)等方面取得了廣泛的利用，已毋庸置疑。
（2）特點(diǎn)。①采用盾構(gòu)技術(shù)進(jìn)行地下隧洞暗挖施工，不存在傳統(tǒng)鉆探面臨的困難，也不受地面交通、河道、中低層建筑、氣候等條件的影響，能較經(jīng)濟(jì)合理地保證隧道安全施工。②盾構(gòu)施工的掘進(jìn)、出渣、支護(hù)、襯砌拼裝成井、防水隔熱、運(yùn)輸、通風(fēng)、排水等工序可一次成型，還可實(shí)行自動(dòng)化、智能化和施工遠(yuǎn)程控制信息化等;掘進(jìn)速度較快，施工勞動(dòng)強(qiáng)度較低，且更適合長(zhǎng)距離、大斷面、高埋深的地下管廊、隧洞施工。③不同類型的盾構(gòu)設(shè)備可滿足各類軟、硬巖石，黏土、沙土、卵礫石層的掘進(jìn)襯砌要求，其適應(yīng)性詳見表1。④地面人文，自然景觀可免受干擾和破壞，周圍環(huán)境不受盾構(gòu)施工干擾，適合在居住較密集的城市及周邊建設(shè)施工，具有經(jīng)濟(jì)、高效、安全等方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
2.2 可行性分析
根據(jù)現(xiàn)有工程隧洞與資源探采隧洞的特點(diǎn)和區(qū)別，如果將盾構(gòu)施工技術(shù)引入深部資源探采掘進(jìn)工程，對(duì)盾構(gòu)機(jī)和盾構(gòu)施工將在以下方面提出特殊要求，即大坡度、耐高溫、長(zhǎng)距離，高埋深等。
（1）坡度角問(wèn)題
目前國(guó)內(nèi)外還沒有垂直盾構(gòu)施工設(shè)備，那么已實(shí)現(xiàn)的最大坡度施工如何呢？據(jù)有關(guān)專業(yè)文獻(xiàn)報(bào)道（表2），2010年瑞士的linmern輸水隧洞，使用敞開式TBM盾構(gòu)機(jī)，直徑5.2m，隧道長(zhǎng)1050m，圍巖為硬質(zhì)巖石，隧洞的上坡坡度為40°;2009年俄羅斯圣彼得堡自動(dòng)扶梯井施工使用的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，直徑10.69m，斜井長(zhǎng)120m，隧洞下坡坡度為30°;2004年印度的parbatiII級(jí)水電工程斜井，使用雙護(hù)盾TBM，直徑3.5m，隧洞長(zhǎng)1546m，圍巖為綠泥石片巖、千枚巖，隧洞坡度上下均為30°;20年后的今天，盾構(gòu)技術(shù)及盾構(gòu)機(jī)已得到了充分的發(fā)展和改進(jìn)，相信其坡度適應(yīng)能力更強(qiáng)，雖未有垂直盾構(gòu)機(jī)的開發(fā)研制，但大角度的施工應(yīng)不是問(wèn)題。
（2）溫度問(wèn)題
2012年葛洲壩集團(tuán)第一公司建成的新疆布侖口公格爾水電站，引水隧洞長(zhǎng)4111m，地層為石英片言、綠泥石片巖，最高溫度143℃，平均90℃以上，洞內(nèi)空氣溫度>75℃。剛剛貫通的川藏鐵路拉-林段桑珠嶺隧洞隧道全長(zhǎng)16.449km，最高巖溫達(dá)89.9℃。
（3）長(zhǎng)度問(wèn)題
2002年建成的大型調(diào)水工程，萬(wàn)家寨引黃一期工程隧洞長(zhǎng)度超過(guò)192km，單洞長(zhǎng)度達(dá)42.6km，大部分處于覆蓋深，地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)域，該工程先后使用了6臺(tái)雙護(hù)盾全斷面掘進(jìn)機(jī)，其中5臺(tái)為美國(guó)羅賓斯公司制造，1臺(tái)為法國(guó)NFM公司制造。1994年貫通的英吉利海峽隧洞長(zhǎng)51km，直徑7.6m。2015年穿越瑞士阿爾卑斯山的圣哥達(dá)隧洞長(zhǎng)56.3km，是目前世界最長(zhǎng)的海底隧道。
（4）深度問(wèn)題
2011年四川雅礱錦屏二級(jí)水電站引水隧洞，最大埋深2525m。巴基斯坦最大隧洞埋深1900m。2014年8月2日，人民日?qǐng)?bào)報(bào)道，世界最深的地下實(shí)驗(yàn)室4000m3，后擴(kuò)容到12萬(wàn)m3，垂直巖石覆蓋深度2400m，在這樣的地下實(shí)驗(yàn)室能夠盡可能的被屏蔽高能宇宙線，以便測(cè)量暗物質(zhì)。2015年12月，內(nèi)蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗，神東補(bǔ)連塔煤礦2號(hào)副井順利貫通，標(biāo)志著我國(guó)采用盾構(gòu)（TBM）施工技術(shù)及裝備已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。該副井坡角為6°，長(zhǎng)6314m，填補(bǔ)了我國(guó)盾構(gòu)技術(shù)在長(zhǎng)距離大坡度煤礦斜井建設(shè)領(lǐng)域的空白。從以上事實(shí)和現(xiàn)狀分析，將盾構(gòu)技術(shù)引入深部資源勘查開發(fā)的硐探掘進(jìn)施工已不存在理論上和重大技術(shù)、裝備問(wèn)題。
在不遠(yuǎn)的將來(lái)，隨著盾構(gòu)施工技術(shù)的提高和盾構(gòu)設(shè)備的適應(yīng)能力改進(jìn)，其自動(dòng)化程度，科學(xué)化程度和管理控制程度將得到充分的發(fā)展。盾構(gòu)技術(shù)將在深地勘查和開發(fā)，特別在城市等人口聚集區(qū)開發(fā)利用基礎(chǔ)地?zé)岱矫鎸⑷〉猛黄菩院透锩缘陌l(fā)展。
3 開發(fā)利用方案
3.1 “U”型井方案
采用盾構(gòu)掘進(jìn)施工“U”型地?zé)衢_采井，然后由一端注入冷水，深部吸收地?zé)岷髲牧硪欢伺懦龈邷責(zé)崴?，與供熱系統(tǒng)相連，往返循環(huán)利用地?zé)崮?，將?shí)現(xiàn)高效、清潔、環(huán)保，持續(xù)的能源供給。同時(shí)可結(jié)合深部地應(yīng)力檢測(cè)工程，為地震檢測(cè)預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
（1）井筒
采用圖1的設(shè)計(jì)方案，井筒斷面為圓形，直徑可選擇3～6m，首先選擇大角度（>30°）盾構(gòu)機(jī)，由A端開始施工，到達(dá)所需溫度后，由B端施工水平洞巷，再?gòu)腃端開始大角度，約60°爬坡向上施工，最后從D端掘出地面。AB的長(zhǎng)度可根據(jù)地?zé)嵩鰷芈屎投軜?gòu)機(jī)的耐熱能力及施工條件設(shè)計(jì)確定，根據(jù)一般的地?zé)嵩鰷芈视?jì)算，AB段長(zhǎng)度應(yīng)該在6000～8000m之間。
接近盾構(gòu)機(jī)溫度適應(yīng)極限后，選擇水平方向，在恒溫層掘進(jìn)BC段，BC段的長(zhǎng)度取決于單位時(shí)間內(nèi)，預(yù)期采集的熱量目標(biāo)值，可根據(jù)水的比熱、巖石的導(dǎo)熱系數(shù)和換熱面積及流速等計(jì)算。為提高熱交換率，該段管片設(shè)計(jì)應(yīng)采用導(dǎo)熱良好，堅(jiān)固耐溫的材料，比如鑄鐵管片。管片與巖壁之間的密封注漿材料也應(yīng)考慮導(dǎo)熱率情況。為保證充分換熱，入水口可沿切向方向注入，同時(shí)管片上澆筑有波紋，使水在BC段流動(dòng)是旋轉(zhuǎn)前進(jìn)的。CD段應(yīng)選擇大角度升出地面，一是盾構(gòu)機(jī)比下坡更能適應(yīng)高角度上坡，二是盡量縮短帶熱管道的距離，以避免不必要的由于管道長(zhǎng)而產(chǎn)生熱損。
（2）成井
在AB段，選擇適當(dāng)?shù)臏囟任恢茫筛鶕?jù)供暖系統(tǒng)的回水溫度確定計(jì)算）封井，根據(jù)取水量選擇一定直徑的鋼管通往A段，以便與供暖系統(tǒng)的回水管路相連。CD段為熱水取水管路，取水口位置應(yīng)選擇C點(diǎn)附近，水溫最高位置，CD段的管路應(yīng)選擇保溫隔熱效果良好的雙層鋼管，以盡量減少取水段的熱損。同時(shí)選擇適當(dāng)?shù)臏囟任恢梅夤叹病?/p>
（3）工作原理
用水作為熱的交換介質(zhì)，A端與供熱系統(tǒng)的回水管相連，同時(shí)高壓水泵加壓。D端與供熱系統(tǒng)的供水端管路相連，同時(shí)可二次加壓。在不改變現(xiàn)有供熱管網(wǎng)和供熱系統(tǒng)的條件下，如此地?zé)崴诜忾]系統(tǒng)內(nèi)往復(fù)循環(huán)，持續(xù)的將地?zé)豳Y源輸送到千家萬(wàn)戶和廠礦單位。夏天可利用已成熟的熱制冷系統(tǒng)給具有中央空調(diào)的建筑和設(shè)施制冷降溫。實(shí)現(xiàn)零污染，零排放，高效清潔的可再生能源。
3.2 “L”型井方案
如盾構(gòu)設(shè)備可在深部終止掘進(jìn)，并通過(guò)其后面的隧洞，分拆運(yùn)出地面，可考慮“L”型采熱井結(jié)構(gòu)方案。其工作原理與“U”型井方案基本相同，但成本應(yīng)該相對(duì)較低（圖2）。
3.3 “Q”型井方案
在“L”型井方案的基礎(chǔ)上，為增加地?zé)豳Y源的交換和采集效率，BC段改為深部水平圓環(huán)型巷道施工，即從B點(diǎn)開始施工環(huán)形巷道再回到B點(diǎn)，同時(shí)為增大交換面積，提高交換效率，充分利用地?zé)豳Y源，可考慮引入壓裂或爆裂技術(shù)，串珠狀爆裂方案等。
總之，根據(jù)各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，總能選出適合要求的井型結(jié)構(gòu)和成井方案，滿足地下資源開采利用的需求。
4 結(jié)論
深層地?zé)崮芊植紡V泛，只要有足夠的深度就可獲得足夠高的地溫和地?zé)豳Y源。采用盾構(gòu)技術(shù)，開拓斜井巷道開采地?zé)?，幾乎不受深度限制，可突破傳統(tǒng)地?zé)衢_采豎井，成井的弊端所形成的深度瓶頸。
研究先進(jìn)的礦井建設(shè)技術(shù)、提高地?zé)岬荣Y源開發(fā)效率是我國(guó)清潔能源和資源開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域的重大課題。盾構(gòu)機(jī)已成為我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要設(shè)備，但相關(guān)技術(shù)設(shè)備在地?zé)衢_發(fā)利用，地下空間探測(cè)等深地工程領(lǐng)域的應(yīng)用卻處于空白。隨著盾構(gòu)施工技術(shù)的提高和盾構(gòu)設(shè)備的進(jìn)一步完善，其在深地勘查和開發(fā)，特別在城市等人口聚集區(qū)開發(fā)利用深部地?zé)岱矫鎸⑷〉猛黄菩院透锩缘陌l(fā)展。
將盾構(gòu)技術(shù)引入深層地溫能的開發(fā)利用已是當(dāng)務(wù)之急，其意義深遠(yuǎn)，目前從理論和技術(shù)上已無(wú)懸念，急需開展該領(lǐng)域技術(shù)研究和實(shí)驗(yàn)論證工作。
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張英群 張延夕
摘? 要：探索分析引入盾構(gòu)技術(shù)直接開發(fā)利用基礎(chǔ)地?zé)崮艿目尚行?。地?zé)崽荻燃暗責(zé)豳Y源的分布特點(diǎn)揭示，只要有足夠的深度就能獲得足夠的地溫。傳統(tǒng)的地?zé)峥辈楹偷責(zé)衢_發(fā)技術(shù)受到多種因素制約，使地?zé)豳Y源的開發(fā)利用受到了極大的限制，引入盾構(gòu)技術(shù)開發(fā)利用深部基礎(chǔ)地?zé)豳Y源，將是一種顛覆性和革命性的地?zé)衢_發(fā)技術(shù)。本文通過(guò)分析地?zé)豳Y源的分布特征，結(jié)合盾構(gòu)技術(shù)的特點(diǎn)，探索一種廣泛利用基礎(chǔ)地?zé)崮艿募夹g(shù)、方法和可能性。
關(guān)鍵詞：深層地?zé)?干熱巖;清潔能源;盾構(gòu)技術(shù);地?zé)衢_發(fā)利用
中圖分類號(hào)：P314? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1007-1903（2019）02-0012-06
Abstract： This paper mainly studies the feasibility of development and utilization of basic geothermal energy by shield tunneling technology. According to the geothermal gradient and distribution characteristics of geothermal resources， it reveals that enough geothermal energy can be obtained as long as enough depth. Traditional geothermal exploration and development technology is restricted by many factors， limiting the development and utilization of geothermal resources. It will be a revolutionary technology for introducing shield technology to develop and utilize deep geothermal resources. This paper attempts to study the possibility of wide utilization of basic geothermal energy on the basis of distribution characteristics of geothermal resources， the technical characteristics and application status of shield tunneling.
Keywords： Deep geothermal energy;Hot dry rock;Green energy;Shield tunneling technology;Development and utilization of geothermal energy
0 引言
地?zé)崮軄?lái)源于地球深部熔融的巖漿及放射物質(zhì)的衰變。地核的溫度近6000℃，地殼底部的溫度達(dá)1000℃。地表常溫層以下，約15km范圍內(nèi)，地溫隨深度增加而增高。地?zé)崞骄鰷芈始s為3℃/100m。不同地區(qū)地?zé)嵩鰷芈视胁町?，接近平均增溫率的稱正常地溫區(qū)，高于或低于平均增溫率的地區(qū)稱地?zé)岙惓^(qū)。
地?zé)岙惓^(qū)是傳統(tǒng)研究、開發(fā)地?zé)豳Y源的主要對(duì)象（3500m以淺的地下熱水、干熱巖和淺層地?zé)崮埽５責(zé)豳Y源根據(jù)開發(fā)利用現(xiàn)狀及深度特點(diǎn)可分為淺層地?zé)崮?、中深層地?zé)崮芎蜕畈扛蔁釒r。淺層地?zé)崮苈癫厣疃纫话爿^淺，在0～200m之間，溫度略高于當(dāng)?shù)爻貛囟然虍?dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?，屬于低溫地?zé)豳Y源，熱能的利用一般是通過(guò)熱泵換熱技術(shù)的間接利用方式。中深層地?zé)崮苈癫卦?00～3500m深度，屬于中低溫地?zé)豳Y源，溫度在25℃～150℃，儲(chǔ)存形式有地下熱水和干熱巖兩種，可直接利用或發(fā)電。深部干熱巖埋藏在3500～10000m深度，屬于高溫地?zé)豳Y源，分布極其廣泛，溫度往往高于150℃，一般用于發(fā)電，也可直接利用。
淺層地?zé)崮軓V泛分布，但由于熱能較低，開發(fā)利用限于城鎮(zhèn)居民區(qū)，主要用于城鎮(zhèn)居民生活供熱和制冷。中深層地?zé)崮?，目前以利用地?zé)崴疄橹鳎饕糜阢逶?、供熱采暖和溫室種植與養(yǎng)殖，由于高溫地?zé)岙惓^(qū)分布的局限，用于地?zé)岚l(fā)電的有限;平原地區(qū)雖然資源分布很普遍，但回灌問(wèn)題未能很好解決，造成地?zé)崴黄毡橄陆?，地?zé)嵛菜腥芙庵罅康牡V物質(zhì)和鹽分冷卻后析出，造成環(huán)境污染，破壞了原有的地下水平衡系統(tǒng)等。深部干熱巖廣泛分布于地殼表層，3500～10000m的深度，幾乎不受地域的限制，包括人類集聚區(qū)的大中城市，特別是沿海地區(qū)?；旧峡梢哉f(shuō)，只要深度足夠大，就可以獲得足夠高的地?zé)崮?。換句話說(shuō)如果利用這個(gè)層位的地?zé)豳Y源幾乎無(wú)需詳細(xì)勘查，只需初步調(diào)查，不屬極高的地?zé)嶝?fù)異常區(qū)和構(gòu)造活動(dòng)帶，即可直接開采利用。
據(jù)報(bào)道，我國(guó)深部3～10km地?zé)豳Y源基數(shù)折合標(biāo)準(zhǔn)煤860萬(wàn)億噸，美國(guó)折合標(biāo)準(zhǔn)煤482萬(wàn)億噸（不包括黃石地區(qū)）;但我國(guó)地?zé)崮馨l(fā)電僅為26.6MW，美國(guó)為3595.5MW（相差135倍）。在地?zé)崮苜Y源探測(cè)技術(shù)方面，世界平均干熱巖探測(cè)與開發(fā)深度均超過(guò)5km，我國(guó)剛剛起步，開發(fā)利用幾乎空白。
1 深部地?zé)崮荛_發(fā)利用面臨的主要困難
就目前的垂直鉆探技術(shù)而言，由于勘查和成井深度限制，一般的勘查鉆探均在3500m左右，我國(guó)正在實(shí)施深地科學(xué)鉆探才6300m（溫度已達(dá)250℃）;成井開發(fā)鉆探為2535m，多為“1”字形直筒地?zé)衢_采井。
具體困難在于，傳統(tǒng)的鉆探設(shè)備由于其工藝為先鉆孔后成井，鉆至一定深度后，普遍存在縮經(jīng)、坍塌、掉塊、漏漿、鉆桿的機(jī)械強(qiáng)度和動(dòng)力傳輸?shù)葐?wèn)題，在成井方面，目前仍無(wú)法突破深度限制。
2 引入盾構(gòu)技術(shù)直接開發(fā)利用深層地?zé)崮艿目尚行苑治?/p>
盾構(gòu)施工技術(shù)是集掘進(jìn)、支護(hù)、出渣等施工工序于一體的連續(xù)隧洞掘進(jìn)作業(yè)技術(shù)，是高度系統(tǒng)集成，一次成型的連續(xù)化、系統(tǒng)化作業(yè)施工;具有掘進(jìn)速度快、環(huán)保、高效等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)鉆爆法掘進(jìn)難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜地質(zhì)條件及深埋長(zhǎng)隧洞施工。將盾構(gòu)技術(shù)引入深層地溫能的開發(fā)利用已是當(dāng)務(wù)之急，其意義深遠(yuǎn)，將對(duì)未來(lái)的城市供熱、供電產(chǎn)生顛覆性和革命性變革。目前從理論和技術(shù)上已無(wú)懸念，只是在方法設(shè)計(jì)上還無(wú)人問(wèn)津。
盾構(gòu)機(jī)（TBM）已逐漸成為我國(guó)市區(qū)地鐵、鐵路隧道、引水隧洞等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要設(shè)備，但該技術(shù)設(shè)備在地?zé)衢_發(fā)利用，地下空間探測(cè)等深地工程領(lǐng)域的成功應(yīng)用仍處于空白，研究現(xiàn)代的礦井建設(shè)技術(shù)、提高地?zé)岬荣Y源利用效率是當(dāng)前清潔能源和資源開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域的重大課題。
2.1 盾構(gòu)（全斷面掘進(jìn)）法施工技術(shù)的現(xiàn)狀和特點(diǎn)
（1）應(yīng)用現(xiàn)狀。盾構(gòu)技術(shù)已在地鐵、公路和鐵路交通工程、水利工程、煤礦斜井掘進(jìn)等方面取得了廣泛的利用，已毋庸置疑。
（2）特點(diǎn)。①采用盾構(gòu)技術(shù)進(jìn)行地下隧洞暗挖施工，不存在傳統(tǒng)鉆探面臨的困難，也不受地面交通、河道、中低層建筑、氣候等條件的影響，能較經(jīng)濟(jì)合理地保證隧道安全施工。②盾構(gòu)施工的掘進(jìn)、出渣、支護(hù)、襯砌拼裝成井、防水隔熱、運(yùn)輸、通風(fēng)、排水等工序可一次成型，還可實(shí)行自動(dòng)化、智能化和施工遠(yuǎn)程控制信息化等;掘進(jìn)速度較快，施工勞動(dòng)強(qiáng)度較低，且更適合長(zhǎng)距離、大斷面、高埋深的地下管廊、隧洞施工。③不同類型的盾構(gòu)設(shè)備可滿足各類軟、硬巖石，黏土、沙土、卵礫石層的掘進(jìn)襯砌要求，其適應(yīng)性詳見表1。④地面人文，自然景觀可免受干擾和破壞，周圍環(huán)境不受盾構(gòu)施工干擾，適合在居住較密集的城市及周邊建設(shè)施工，具有經(jīng)濟(jì)、高效、安全等方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
2.2 可行性分析
根據(jù)現(xiàn)有工程隧洞與資源探采隧洞的特點(diǎn)和區(qū)別，如果將盾構(gòu)施工技術(shù)引入深部資源探采掘進(jìn)工程，對(duì)盾構(gòu)機(jī)和盾構(gòu)施工將在以下方面提出特殊要求，即大坡度、耐高溫、長(zhǎng)距離，高埋深等。
（1）坡度角問(wèn)題
目前國(guó)內(nèi)外還沒有垂直盾構(gòu)施工設(shè)備，那么已實(shí)現(xiàn)的最大坡度施工如何呢？據(jù)有關(guān)專業(yè)文獻(xiàn)報(bào)道（表2），2010年瑞士的linmern輸水隧洞，使用敞開式TBM盾構(gòu)機(jī)，直徑5.2m，隧道長(zhǎng)1050m，圍巖為硬質(zhì)巖石，隧洞的上坡坡度為40°;2009年俄羅斯圣彼得堡自動(dòng)扶梯井施工使用的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，直徑10.69m，斜井長(zhǎng)120m，隧洞下坡坡度為30°;2004年印度的parbatiII級(jí)水電工程斜井，使用雙護(hù)盾TBM，直徑3.5m，隧洞長(zhǎng)1546m，圍巖為綠泥石片巖、千枚巖，隧洞坡度上下均為30°;20年后的今天，盾構(gòu)技術(shù)及盾構(gòu)機(jī)已得到了充分的發(fā)展和改進(jìn)，相信其坡度適應(yīng)能力更強(qiáng)，雖未有垂直盾構(gòu)機(jī)的開發(fā)研制，但大角度的施工應(yīng)不是問(wèn)題。
（2）溫度問(wèn)題
2012年葛洲壩集團(tuán)第一公司建成的新疆布侖口公格爾水電站，引水隧洞長(zhǎng)4111m，地層為石英片言、綠泥石片巖，最高溫度143℃，平均90℃以上，洞內(nèi)空氣溫度>75℃。剛剛貫通的川藏鐵路拉-林段桑珠嶺隧洞隧道全長(zhǎng)16.449km，最高巖溫達(dá)89.9℃。
（3）長(zhǎng)度問(wèn)題
2002年建成的大型調(diào)水工程，萬(wàn)家寨引黃一期工程隧洞長(zhǎng)度超過(guò)192km，單洞長(zhǎng)度達(dá)42.6km，大部分處于覆蓋深，地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)域，該工程先后使用了6臺(tái)雙護(hù)盾全斷面掘進(jìn)機(jī)，其中5臺(tái)為美國(guó)羅賓斯公司制造，1臺(tái)為法國(guó)NFM公司制造。1994年貫通的英吉利海峽隧洞長(zhǎng)51km，直徑7.6m。2015年穿越瑞士阿爾卑斯山的圣哥達(dá)隧洞長(zhǎng)56.3km，是目前世界最長(zhǎng)的海底隧道。
（4）深度問(wèn)題
2011年四川雅礱錦屏二級(jí)水電站引水隧洞，最大埋深2525m。巴基斯坦最大隧洞埋深1900m。2014年8月2日，人民日?qǐng)?bào)報(bào)道，世界最深的地下實(shí)驗(yàn)室4000m3，后擴(kuò)容到12萬(wàn)m3，垂直巖石覆蓋深度2400m，在這樣的地下實(shí)驗(yàn)室能夠盡可能的被屏蔽高能宇宙線，以便測(cè)量暗物質(zhì)。2015年12月，內(nèi)蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗，神東補(bǔ)連塔煤礦2號(hào)副井順利貫通，標(biāo)志著我國(guó)采用盾構(gòu)（TBM）施工技術(shù)及裝備已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。該副井坡角為6°，長(zhǎng)6314m，填補(bǔ)了我國(guó)盾構(gòu)技術(shù)在長(zhǎng)距離大坡度煤礦斜井建設(shè)領(lǐng)域的空白。從以上事實(shí)和現(xiàn)狀分析，將盾構(gòu)技術(shù)引入深部資源勘查開發(fā)的硐探掘進(jìn)施工已不存在理論上和重大技術(shù)、裝備問(wèn)題。
在不遠(yuǎn)的將來(lái)，隨著盾構(gòu)施工技術(shù)的提高和盾構(gòu)設(shè)備的適應(yīng)能力改進(jìn)，其自動(dòng)化程度，科學(xué)化程度和管理控制程度將得到充分的發(fā)展。盾構(gòu)技術(shù)將在深地勘查和開發(fā)，特別在城市等人口聚集區(qū)開發(fā)利用基礎(chǔ)地?zé)岱矫鎸⑷〉猛黄菩院透锩缘陌l(fā)展。
3 開發(fā)利用方案
3.1 “U”型井方案
采用盾構(gòu)掘進(jìn)施工“U”型地?zé)衢_采井，然后由一端注入冷水，深部吸收地?zé)岷髲牧硪欢伺懦龈邷責(zé)崴?，與供熱系統(tǒng)相連，往返循環(huán)利用地?zé)崮?，將?shí)現(xiàn)高效、清潔、環(huán)保，持續(xù)的能源供給。同時(shí)可結(jié)合深部地應(yīng)力檢測(cè)工程，為地震檢測(cè)預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
（1）井筒
采用圖1的設(shè)計(jì)方案，井筒斷面為圓形，直徑可選擇3～6m，首先選擇大角度（>30°）盾構(gòu)機(jī)，由A端開始施工，到達(dá)所需溫度后，由B端施工水平洞巷，再?gòu)腃端開始大角度，約60°爬坡向上施工，最后從D端掘出地面。AB的長(zhǎng)度可根據(jù)地?zé)嵩鰷芈屎投軜?gòu)機(jī)的耐熱能力及施工條件設(shè)計(jì)確定，根據(jù)一般的地?zé)嵩鰷芈视?jì)算，AB段長(zhǎng)度應(yīng)該在6000～8000m之間。
接近盾構(gòu)機(jī)溫度適應(yīng)極限后，選擇水平方向，在恒溫層掘進(jìn)BC段，BC段的長(zhǎng)度取決于單位時(shí)間內(nèi)，預(yù)期采集的熱量目標(biāo)值，可根據(jù)水的比熱、巖石的導(dǎo)熱系數(shù)和換熱面積及流速等計(jì)算。為提高熱交換率，該段管片設(shè)計(jì)應(yīng)采用導(dǎo)熱良好，堅(jiān)固耐溫的材料，比如鑄鐵管片。管片與巖壁之間的密封注漿材料也應(yīng)考慮導(dǎo)熱率情況。為保證充分換熱，入水口可沿切向方向注入，同時(shí)管片上澆筑有波紋，使水在BC段流動(dòng)是旋轉(zhuǎn)前進(jìn)的。CD段應(yīng)選擇大角度升出地面，一是盾構(gòu)機(jī)比下坡更能適應(yīng)高角度上坡，二是盡量縮短帶熱管道的距離，以避免不必要的由于管道長(zhǎng)而產(chǎn)生熱損。
（2）成井
在AB段，選擇適當(dāng)?shù)臏囟任恢茫筛鶕?jù)供暖系統(tǒng)的回水溫度確定計(jì)算）封井，根據(jù)取水量選擇一定直徑的鋼管通往A段，以便與供暖系統(tǒng)的回水管路相連。CD段為熱水取水管路，取水口位置應(yīng)選擇C點(diǎn)附近，水溫最高位置，CD段的管路應(yīng)選擇保溫隔熱效果良好的雙層鋼管，以盡量減少取水段的熱損。同時(shí)選擇適當(dāng)?shù)臏囟任恢梅夤叹病?/p>
（3）工作原理
用水作為熱的交換介質(zhì)，A端與供熱系統(tǒng)的回水管相連，同時(shí)高壓水泵加壓。D端與供熱系統(tǒng)的供水端管路相連，同時(shí)可二次加壓。在不改變現(xiàn)有供熱管網(wǎng)和供熱系統(tǒng)的條件下，如此地?zé)崴诜忾]系統(tǒng)內(nèi)往復(fù)循環(huán)，持續(xù)的將地?zé)豳Y源輸送到千家萬(wàn)戶和廠礦單位。夏天可利用已成熟的熱制冷系統(tǒng)給具有中央空調(diào)的建筑和設(shè)施制冷降溫。實(shí)現(xiàn)零污染，零排放，高效清潔的可再生能源。
3.2 “L”型井方案
如盾構(gòu)設(shè)備可在深部終止掘進(jìn)，并通過(guò)其后面的隧洞，分拆運(yùn)出地面，可考慮“L”型采熱井結(jié)構(gòu)方案。其工作原理與“U”型井方案基本相同，但成本應(yīng)該相對(duì)較低（圖2）。
3.3 “Q”型井方案
在“L”型井方案的基礎(chǔ)上，為增加地?zé)豳Y源的交換和采集效率，BC段改為深部水平圓環(huán)型巷道施工，即從B點(diǎn)開始施工環(huán)形巷道再回到B點(diǎn)，同時(shí)為增大交換面積，提高交換效率，充分利用地?zé)豳Y源，可考慮引入壓裂或爆裂技術(shù)，串珠狀爆裂方案等。
總之，根據(jù)各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，總能選出適合要求的井型結(jié)構(gòu)和成井方案，滿足地下資源開采利用的需求。
4 結(jié)論
深層地?zé)崮芊植紡V泛，只要有足夠的深度就可獲得足夠高的地溫和地?zé)豳Y源。采用盾構(gòu)技術(shù)，開拓斜井巷道開采地?zé)?，幾乎不受深度限制，可突破傳統(tǒng)地?zé)衢_采豎井，成井的弊端所形成的深度瓶頸。
研究先進(jìn)的礦井建設(shè)技術(shù)、提高地?zé)岬荣Y源開發(fā)效率是我國(guó)清潔能源和資源開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域的重大課題。盾構(gòu)機(jī)已成為我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要設(shè)備，但相關(guān)技術(shù)設(shè)備在地?zé)衢_發(fā)利用，地下空間探測(cè)等深地工程領(lǐng)域的應(yīng)用卻處于空白。隨著盾構(gòu)施工技術(shù)的提高和盾構(gòu)設(shè)備的進(jìn)一步完善，其在深地勘查和開發(fā)，特別在城市等人口聚集區(qū)開發(fā)利用深部地?zé)岱矫鎸⑷〉猛黄菩院透锩缘陌l(fā)展。
將盾構(gòu)技術(shù)引入深層地溫能的開發(fā)利用已是當(dāng)務(wù)之急，其意義深遠(yuǎn)，目前從理論和技術(shù)上已無(wú)懸念，急需開展該領(lǐng)域技術(shù)研究和實(shí)驗(yàn)論證工作。
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