隧道地?zé)岚l(fā)育特征分析及地溫預(yù)測

劉志明

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢430063)

隨著高速公路、鐵路建設(shè)持續(xù)往山區(qū)推進(jìn)，深埋長大隧道的數(shù)量日益增加，隧道高地溫?zé)岷栴}越來越突出。穿越阿爾卑斯山的辛普倫(Simplon)鐵路隧道，施工過程中遭遇高溫?zé)崴砍觯L達(dá)3 km的洞段地溫在50℃左右。勒奇堡(Lotschberg)和圣歌達(dá)(Gotthard)鐵路隧道最高地溫超過40℃。成昆線埃岱1號(hào)和2號(hào)隧道、蓮池隧道、白石巖1號(hào)隧道等多個(gè)隧道洞內(nèi)溫度達(dá)到35～40℃。秦嶺Ⅰ線隧道埋深1 000～1 600 m的地段隧道內(nèi)溫度達(dá)31～42.1℃。川藏鐵路所經(jīng)地區(qū)屬地中海—喜馬拉雅地?zé)釒?，其中約15個(gè)隧道判定存在高溫?zé)岷栴}，拉林鐵路桑珠嶺隧道開挖時(shí)最高巖溫達(dá)86℃[1]。高地溫?zé)岷栴}不僅導(dǎo)致施工作業(yè)環(huán)境惡化，高溫地?zé)崴乃矔r(shí)涌出甚至可能造成施工人員生命財(cái)產(chǎn)損失，已成為山區(qū)深埋長隧道重點(diǎn)關(guān)注的災(zāi)害類型之一[2]。高溫?zé)岷Σ粌H直接影響工程方案的可行性，還影響著隧道工程的施工安全、效率、進(jìn)度和投資，給勘察、設(shè)計(jì)及施工帶來極大挑戰(zhàn)[3-5]。高地溫的產(chǎn)生成因主要包括地下水、斷裂構(gòu)造、巖漿巖侵入、近期火山活動(dòng)、放射性和地震活動(dòng)等條件，通過對(duì)青藏高原共和盆地地?zé)豳Y源成因開展分析，確認(rèn)該區(qū)域地?zé)嶂饕芗雍竦貧し派浜团璧叵路骄植繜岙惓９餐饔盟耓6-7]。張英等[8]根據(jù)地?zé)岬馁x存方式研究，確認(rèn)充足的水源補(bǔ)給和斷裂發(fā)育是隆起山地水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)形成的主控因素，埋藏較好的高滲透性儲(chǔ)層及較好的蓋層，是干熱型地?zé)嵯到y(tǒng)形成的主控因素。針對(duì)地?zé)崴瘜W(xué)研究方面，BO等[9]通過建立地下水滲流對(duì)熱貫通影響的分析模型，確認(rèn)地?zé)岬叵滤鞯臐B流狀態(tài)和傳熱規(guī)律。KOMATSU等[10]通過對(duì)岡山州熱水和冷泉水開展化學(xué)組成及同位素對(duì)比研究，確認(rèn)該段地下水由大氣降水入滲花崗巖層形成。CHEN等[11]通過對(duì)地?zé)崴_展包含氫氧同位素分析等方法確定熱水類型及演化機(jī)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對(duì)隧址區(qū)的熱水來源及演變過程、熱源成因進(jìn)行研究。趙佳怡等[13]通過水化學(xué)分析和氫氧同位素方法對(duì)四川巴塘地?zé)崽镩_展地下熱水演化分析。針對(duì)地溫?zé)醿?chǔ)溫度研究方面，YANG等[14]利用地溫標(biāo)尺法對(duì)區(qū)域深部熱儲(chǔ)溫度進(jìn)行評(píng)價(jià)；單玄龍等[15]通過地球化學(xué)溫標(biāo)法開展長白山地?zé)嵯到y(tǒng)熱儲(chǔ)溫度研究。劉明亮等[16]通過Ca-Mg溫標(biāo)和石英溫標(biāo)法計(jì)算雄安新區(qū)地溫?zé)醿?chǔ)溫度。FOURNIER[17]通過化學(xué)地溫計(jì)法進(jìn)行地?zé)嵯到y(tǒng)研究。針對(duì)隧道地溫預(yù)測研究方面，羅鋒等[18]沿隧道走向從地溫、地溫梯度及隧道埋深對(duì)隧道地溫影響進(jìn)行分區(qū)分析。王生仁等[19]基于地表恒溫層溫度、深度和地溫梯度變化的地溫計(jì)算公式預(yù)測川藏鐵路拉月隧道熱害地段。徐世光等[6]論述了大地?zé)崃鞯臏y試原理和地溫梯度的確定方法。關(guān)于隧道工程穿越地溫異常區(qū)域的研究較多，但由于深埋隧道地溫賦存及發(fā)育特征各異，各區(qū)段差異性難以清晰表述。本文結(jié)合瑞金至梅州鐵路穿越三百山隧道工程，通過水文地質(zhì)勘探測試、水化學(xué)測試、地球化學(xué)溫標(biāo)研究等方法，研究隧道地?zé)崽卣骷八淼婪謪^(qū)分段地溫預(yù)測評(píng)估。

1 地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域概況

擬建新建鐵路瑞金至梅州鐵路三百山隧道入口位于江西省贛州市安遠(yuǎn)縣，出口位于江西省贛州市尋烏縣。隧道起訖里程DK123+757.00～DK133+944.00，全長10 187.00 m，隧道穿越區(qū)最高標(biāo)高1 144.0 m，最低標(biāo)高399.4 m，相對(duì)高差約745 m，隧道最大埋深約700 m(DK130+000附近)，屬深埋長大隧道。

三百山地處贛、粵、閩3省交界處，屬武夷山脈東段北坡余脈交錯(cuò)地帶，是長江水系之贛江與珠江水系之東江兩水系的分水嶺。三百山在構(gòu)造上位于南嶺東西向構(gòu)造帶與武夷山北東向構(gòu)造帶的交接復(fù)合部位，構(gòu)造復(fù)雜且?guī)r漿活動(dòng)強(qiáng)烈。

水文地質(zhì)調(diào)查資料顯示，區(qū)域地?zé)豳Y源豐富，見圖1，臨近區(qū)域共分布熱泉16處，溫度26～86℃，其中離隧道最近的虎崗溫泉位于隧道西側(cè)約10 km，泉水中熱水水溫約35～50℃；鉆孔溢出熱水水溫較高在65℃左右?；彍厝髂蟼?cè)約15 km左右為新塘地?zé)釁^(qū)，熱水溫度對(duì)比虎崗溫泉水溫偏低約15～20℃。因此，隧道區(qū)存在形成高地溫異常的地質(zhì)背景條件，加之隧道里程長、埋深大，未來施工面臨高地溫?zé)岷Φ娘L(fēng)險(xiǎn)高。

圖1 溫泉和熱水孔分布圖Fig.1 Distribution map of hot springs and hot water holes

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)整體在三百山火山盆地中穿越，受區(qū)內(nèi)多期次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以及巖漿活動(dòng)、火山活動(dòng)的共同影響，測區(qū)火山作用主要經(jīng)歷“沉積?噴發(fā)?溢流”旋回，隧址區(qū)范圍自下而上形成火山巖與火山沉積巖三元地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

隧址區(qū)地處華南褶皺系之武夷隆起帶，于加里東旋回和燕山旋回期發(fā)生多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，構(gòu)造形跡以斷裂構(gòu)造為主，斷層以壓性、壓扭性斷層為主，高角度產(chǎn)出，斷裂構(gòu)造具有一定儲(chǔ)水空間和導(dǎo)水徑流通道作用，隧道節(jié)理裂隙密集帶巖芯照片見圖2。鉆探揭示及物探揭示斷層，附近電阻率呈低阻，產(chǎn)于J3ch1b凝灰?guī)r夾凝灰質(zhì)砂巖、J3ch1a凝灰熔巖夾熔結(jié)角礫巖地層中，于地表里程DK129+010與線路相交，交角約99°，傾向小里程方向，視傾角約87°。受構(gòu)造影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，洞身圍巖穩(wěn)定性較差。地下水主要為基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水，較發(fā)育，富水性較好。

圖2 巖芯照片F(xiàn)ig.2 Photograph of core

1.3 地?zé)崽卣?/h3>

評(píng)估區(qū)周邊主要呈現(xiàn)5處地?zé)釒?，其中黃屋村-孔田地?zé)釒挥谌偕皆綆X段坡腳緩坡段，距離線路最近，黃屋村?孔田熱水帶沿北東東向斷裂構(gòu)造展布，該構(gòu)造貫穿線路通過段落。如圖1所示，黃屋村-孔田熱水帶由3處熱泉(新塘村溫泉、新田溫泉和虎崗溫泉)和4個(gè)熱水孔組成，水溫32℃～78℃，熱泉總流量8.704 L/s。

從三百山隧道所處的構(gòu)造部位分析，三百山地區(qū)中生代以來火山和巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，深部巖漿熱源距離地表相對(duì)較近，為地?zé)崴男纬商峁┝擞欣臒嵩礂l件；而燕山運(yùn)動(dòng)和新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下，北北東向和東西向構(gòu)造的活動(dòng)形成的張性斷裂和構(gòu)造裂隙帶，為地下水深循環(huán)和深部熱源上升提供了通道；上述條件的組合，為該地區(qū)地下熱水系統(tǒng)的形成提供了有利的地質(zhì)條件。

2 現(xiàn)場測試

2.1 地下熱水化學(xué)特征

研究系統(tǒng)采集了隧道不同類型地下水的樣品，現(xiàn)場采集照片見圖3。開展常量、微量組分與氫氧同位素分析測試，根據(jù)地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄特征，本次研究設(shè)計(jì)采集的水樣分為：大氣降水、地表水體、地下水樣(泉點(diǎn)、鉆孔地下水)，共采集水樣54組。陰離子組分采用離子色譜儀測定，陽離子組分采用ICP-AES譜儀測定，氫氧同位素組分測試，氫同位素采用鋅反應(yīng)法，氧同位素測定采用氧—二氧化碳平衡法，測定儀器為MAT253同位素質(zhì)譜儀。

圖3 水樣采集現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.3 Water sample collection

分析表明，地?zé)崴瘜W(xué)類型以SO4·HCO3-K+Na型為主，HCO3-K+Na和HCO3·SO4-K+Na型為次。礦化度達(dá)1～4.46 g/L的有9處，其余均小于1 g/L。地?zé)崴毡楹蟹⒙?、鎂、鈾等多種微量元素。一般都有逸氣現(xiàn)象，據(jù)4處熱泉資料，估算氣體量為226.5～1 081.8 mL/S，氣體成分中，因?yàn)橛欣趸己枯^高，故稱碳酸氣。有6處游離二氧化碳含量大于250 mg/L。

2.2 地溫梯度測試

地溫測試采用QL40-OCEAN井溫井液電阻率探管和MATRIX數(shù)字采集儀，現(xiàn)場采集照片見圖4。曲線數(shù)據(jù)記錄以電腦存儲(chǔ)，在資料處理前對(duì)各曲線進(jìn)行預(yù)處理，如曲線的倒序、記錄點(diǎn)對(duì)齊、曲線平滑、深度修正、異常點(diǎn)剔除等。再利用智能測井軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，選擇利用的曲線合并，根據(jù)曲線計(jì)算結(jié)果，結(jié)合鉆探資料進(jìn)行測井資料的綜合解釋、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。地溫梯度結(jié)果見圖5，通過開展深孔勘探及孔內(nèi)井溫測量得出，除鉆孔淺表測量區(qū)段受淺層風(fēng)化裂隙水影響，導(dǎo)致淺層(80 m以內(nèi))隨深度增加井溫降低的情況發(fā)生，總體上井溫體現(xiàn)了隨著深度的增大而遞增的特點(diǎn)。

圖5 地溫隨鉆孔深度變化曲線Fig.5 Curves of ground temperature change with borehole depth

根據(jù)井溫測量結(jié)果計(jì)算了各鉆孔處的地溫梯度，隧道區(qū)的地溫梯度在1.65～2.34℃/100 m內(nèi)變化，平均地溫梯度為2.06℃/100 m，總體上并沒有明顯的地?zé)岙惓?，見?。根據(jù)規(guī)程[20]洞身段溫度測試顯示：Jz-Ⅲ2101-深130840A號(hào)、Jz-Ⅲ2101-深130840A-1號(hào)、Jz-III2101-深129585號(hào)鉆孔所在區(qū)域判定為低高溫帶(Ⅰ)。

表1 鉆孔井溫測試結(jié)果Table 1 Drill hole temperature test results

對(duì)井溫測試結(jié)果開展進(jìn)一步分析，Jz-Ⅲ2101-深130840A號(hào)孔鉆孔在埋深10～270 m段地溫梯度為1.77℃/100 m；深度280～310 m穿越破碎帶時(shí)，地溫梯度達(dá)到了7.66℃/100 m，埋深310 m處揭露斷層破碎帶后，溫度出現(xiàn)明顯升高；地溫梯度穿過該破碎帶后地溫梯度又趨于正常，310～520 m處地溫梯度為1.52℃/100 m，地溫?cái)?shù)據(jù)出現(xiàn)顯著不連續(xù)反映。

2.3 地溫梯度差異分析

結(jié)合Jz-Ⅲ2101-深130840A號(hào)孔的井溫測試結(jié)果及勘探資料對(duì)比分析，鉆孔在埋深310 m處揭露斷層破碎帶前后，測試溫度出現(xiàn)明顯升高，穿過該破碎帶后地溫梯度又趨于正常，呈現(xiàn)明顯階躍現(xiàn)象(見表2)。結(jié)合該鉆孔抽水試驗(yàn)成果分析，該破碎帶的導(dǎo)水性和儲(chǔ)水性均較強(qiáng)，井溫和地溫梯度的突變表明該斷層破碎帶導(dǎo)通了來自深部的熱源，是控制區(qū)域上地下水流動(dòng)和熱擴(kuò)散的重要構(gòu)造通道[9]。

表2 Jz-Ⅲ2101-深130840A號(hào)孔井溫梯度分段計(jì)算結(jié)果Table 2 Sectional calculation results of well temperature gradient in borehole Jz-Ⅲ2101-深130840A

結(jié)合黃屋村?孔田地?zé)釒е彽販貐^(qū)勘察孔的測溫資料進(jìn)行分析，隨著深度的增加，孔內(nèi)水溫和孔口水溫均呈現(xiàn)緩慢升高趨勢，在揭穿導(dǎo)水導(dǎo)熱斷裂構(gòu)造后，均表現(xiàn)突變規(guī)律，與隧道區(qū)Jz-Ⅲ2101-深130840A號(hào)孔所揭示的井溫變化規(guī)律一致，說明區(qū)內(nèi)深大斷裂構(gòu)造是主要的導(dǎo)熱通道，控制著深部熱源的擴(kuò)散。

通過上述測試對(duì)比分析，說明隧址區(qū)共發(fā)育9組斷裂破碎帶，而僅Jz-Ⅲ2101-深130840A號(hào)鉆孔揭露構(gòu)造破碎帶賦存地下水顯示地?zé)崽卣鳟惓?，說明區(qū)域地?zé)崽卣鞑町愝^大。

3 隧道地?zé)岚l(fā)育特征

3.1 地球化學(xué)溫度標(biāo)尺

在利用地?zé)釡貥?biāo)前，開展對(duì)溶液-礦物的平衡狀態(tài)開展判斷，以評(píng)價(jià)地?zé)嵯到y(tǒng)中的水巖平衡狀態(tài)，主要采取以下2種方法：參考溫度法和Na-KMg三角圖解法。

3.1.1 Na-K-Mg三角圖解法

通過對(duì)地?zé)崴瘜W(xué)組成成分測試結(jié)果分析，相關(guān)結(jié)果反饋在Na-K-Mg的平衡圖中，見圖6。從圖6可以看出，區(qū)域地?zé)崴嘉挥趫D幅的下部，說明區(qū)域溫泉地?zé)崴鶎儆凇拔闯墒焖?，即與有關(guān)堿性長石礦物的水一巖反應(yīng)未達(dá)到完全平衡，溶解作用仍在進(jìn)行，故陽離子方法不適宜用作熱儲(chǔ)計(jì)算方法。

圖6 Na-K-Mg平衡三角圖Fig.6 Equilibrium triangle

3.1.2 參考溫度法

從圖7可以發(fā)現(xiàn)區(qū)域溫泉中SiO2含量的數(shù)據(jù)點(diǎn)均接近玉髓溶解曲線而遠(yuǎn)離石英曲線，說明玉髓可能是起平衡作用的主要礦物，區(qū)域熱儲(chǔ)溫度可以采用二氧化硅溫標(biāo)方法進(jìn)行計(jì)算。

圖7 區(qū)域溫泉水樣SiO2與溫度關(guān)系Fig.7 Relationship between SiO2 and temperature

3.2 熱儲(chǔ)溫度估算

參照二氧化硅溫標(biāo)方法開展熱儲(chǔ)溫度估算，熱水中SiO2是由熱水溶解石英所形成，這部分熱水在其達(dá)到取樣點(diǎn)時(shí)僅存在傳導(dǎo)冷卻，沒有沸騰、蒸汽損失，根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算[21]，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 Si O2溫標(biāo)熱儲(chǔ)溫度計(jì)算結(jié)果表Table 3 Calculation results of Si O2 temperature scale heat storage temperature

式中：t為熱儲(chǔ)溫度，℃；CSiO2為二氧化硅在水樣中的濃度，mg/L。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，虎崗溫泉區(qū)虎崗溫泉和新塘尾溫泉地下熱水的熱儲(chǔ)溫度在90～99℃之間，屬于中低溫對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)。

3.3 熱水循環(huán)深度

利用熱儲(chǔ)溫度和通過鉆孔資料得到的地溫資料，對(duì)區(qū)域地?zé)岬臒醿?chǔ)深度進(jìn)行估算，對(duì)地下熱水的循環(huán)深度根據(jù)式(2)進(jìn)行計(jì)算[22]。

式中：S為熱水循環(huán)深度，m；t為熱儲(chǔ)溫度，℃；T0為恒溫帶溫度，取年平均溫度加2℃，為20.6℃；G0為地溫梯度，℃/m，采用地溫梯度11.3℃/100 m；D0為恒溫帶深度，30 m。

熱水循環(huán)深度計(jì)算結(jié)果如表4所示，由于該區(qū)域地?zé)嶂饕獮閹顭醿?chǔ)類型，斷層為主要的儲(chǔ)熱構(gòu)造，所以在計(jì)算過程中不宜使用區(qū)域平均地溫梯度進(jìn)行計(jì)算。

表4 溫泉熱水熱儲(chǔ)深度計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results of hot spring hot water storage depth

按照地?zé)崴韵露蟼鬟f交換熱能，地?zé)崽荻戎鸺?jí)遞減特點(diǎn)，參照4號(hào)鉆孔揭露斷層破碎帶高程約為635 m，該段落測溫溫度為32℃，對(duì)應(yīng)虎崗溫泉標(biāo)高為320 m，出露溫度為67℃，計(jì)算地溫梯度約為11.3℃/100 m。按照斷層地溫梯度為11.3℃/100 m進(jìn)行計(jì)算，區(qū)域溫泉熱水的熱儲(chǔ)循環(huán)深度為950～1 050 m之間，與區(qū)域水文地質(zhì)條件基本相符。

4 地溫預(yù)測及處理措施

根據(jù)《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》[20]，對(duì)三百山隧道在開采過程中可能面臨的隧道熱害問題進(jìn)行分區(qū)評(píng)價(jià)，分區(qū)的主要依據(jù)為鉆孔測溫?cái)?shù)據(jù)成果對(duì)隧道穿越的不同地層地溫梯度進(jìn)行計(jì)算，按照地溫梯度變化的差異和隧道埋深的變化對(duì)隧道地溫評(píng)價(jià)的單元進(jìn)行劃分，分區(qū)結(jié)果和處理措施見表5。

洞身最高預(yù)測溫度達(dá)56℃，屬Ⅱ2級(jí)熱害；按照平均地溫梯度開展預(yù)測，洞身最高預(yù)測溫度約39℃，屬Ⅱ1級(jí)熱害，兩者最高溫差計(jì)算預(yù)測結(jié)果相差接近27°，同時(shí)地溫?zé)岷Χ温漕A(yù)測差異大，對(duì)后期工程實(shí)施遺留重大安全隱患，應(yīng)加強(qiáng)施工期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，采取加強(qiáng)通風(fēng)降溫、人工制冷降溫、注漿封堵、限量排放等措施熱害防治措施，降低工程風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 深層地?zé)嵫h(huán)模式示意圖Fig.8 Schematic diagram of deep geothermal circulation mode

5 結(jié)論

1)三百山隧道存在深大斷裂導(dǎo)通深層熱源以形成地下水深循環(huán)加熱對(duì)流的情況，構(gòu)成局部地溫異常。預(yù)測顯示：隧道洞身以Ⅰ級(jí)輕微熱害為主，長度占隧道全長的52%；導(dǎo)熱破碎帶段存在Ⅱ級(jí)中等熱害問題，占隧道全長的10%。

2)根據(jù)地?zé)豳x存條件對(duì)隧道開展分區(qū)分段預(yù)報(bào)，針對(duì)地溫梯度異常區(qū)段采取地球化學(xué)溫標(biāo)法確定熱儲(chǔ)溫度及熱源深度，相關(guān)結(jié)果與測試結(jié)果較吻合，預(yù)測地溫結(jié)果最高達(dá)56.5℃。

3)地?zé)崴瘜W(xué)類型以SO4·HCO3-K+Na型為主，礦化度達(dá)4.46 g/L，地?zé)崴毡楹蟹?、氯、鎂、鈾等多種微量元素。

4)施工過程中需采取相應(yīng)的熱害防治措施，針對(duì)不同隧道熱害類型以及隧道里程深度差異需要對(duì)隧道熱害防治措施進(jìn)行治理。