青藏高原地溫時空分布及某重大線性工程深部高地溫風險分析*

張 寧 張文哲 李郎平 蘭恒星

(①長安大學地質(zhì)工程與測繪學院，西安 710054，中國)(②中國科學院地理科學與資源研究所，資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 100101，中國)

0 引 言

青藏高原是在印度板塊與歐亞板塊發(fā)生陸-陸碰撞和陸內(nèi)俯沖過程中，由縫合帶分隔的多個微陸塊所構(gòu)成，大多數(shù)研究者認為青藏高原是由5條縫合帶分隔的5個地塊組成(Tapponnier et al.，2001；Royden et al.，2008)。在青藏高原縫合帶上，斷裂帶分布較多，地下熱源沿著斷裂帶向上漫出，產(chǎn)生局部熱源，使得該地區(qū)的地溫分布特征與演化規(guī)律具有很強的地域性和特殊性，地熱災害頻繁(多吉，2003；陳紅漢等，2013)。

新建某交通線路作為青藏高原一條重要線性工程，自東向西穿過4個一級構(gòu)造單元(揚子陸塊區(qū)、羌塘-三江造山系、班公湖-雙湖-怒江-昌寧對接帶、岡底斯-喜馬拉雅造山系)和12個二級構(gòu)造單元，不可避免地穿越地溫異常帶，加之沿線隧道深埋大、長度長等特征，將不同程度上受到地熱災害的威脅。已建成的吉沃西嘎隧道、桑珠嶺隧道等隧道的最高地溫分別達到了57℃與89℃(楊新亮，2014)，對施工安全及進度產(chǎn)生了嚴重影響。

當前，對于類似某交通線路這種線性工程的高地溫災害有了不少研究。如陳尚橋等(1995)通過對深埋隧洞地溫場的數(shù)值模擬研究表明地形、巖性及地質(zhì)構(gòu)造對地溫場的影響顯著；Wilhelm et al.(2003)對瑞士圣哥達基線隧道高地溫風險進行了預測并與施工揭示地溫進行了對比分析；趙國斌等(2015)分析了喀喇昆侖山區(qū)引水發(fā)電洞高地溫現(xiàn)象，并對其成因進行了探討。此外，在高地溫影響因素研究方面的研究表明：地溫及地溫梯度特征與地球內(nèi)部熱過程、構(gòu)造作用、氣候變化及地層巖性等因素密切相關(guān)(Gruber et al.，2007; Isaksen et al.，2007; Throop et al.，2012; 劉廣岳等，2016)。然而，上述研究大多集中在地溫分布的影響因素及高地溫對工程的影響，而在高地溫風險分析方面研究較少。據(jù)初步統(tǒng)計，在建某交通線路中面臨高地溫危害的隧道達到了數(shù)十座，對隧道的安全施工產(chǎn)生了巨大的挑戰(zhàn)，因此高地溫風險是規(guī)劃某交通線路深埋長隧道不可避免的一個突出的問題。

然而，青藏高原復雜的地質(zhì)構(gòu)造條件，使得該地區(qū)的地溫的分布特征與演化規(guī)律具有很強的地域性和特殊性，需要深入理解其時空分布特征和規(guī)律，進而對某交通線路深埋長大隧道面臨的高地溫定量風險的總體情況有一定的清晰把握。因此，本文首先對青藏高原近地表地溫場分布時空規(guī)律及成因進行總體梳理和總結(jié)，得到了某交通線路沿線的近地表地溫分布的總體特征。在此基礎(chǔ)上，使用地溫梯度法對在建某交通線路的兩座典型深埋長大隧道，即折多山隧道和拉月隧道的高地溫風險進行定量分析，得到了隧道全線各個部分的高地溫風險分布情況和特征；最后通過與多個國內(nèi)外工程地質(zhì)背景類似的典型隧道的高地溫風險進行對比，探討了某交通線路高地溫風險的可能成因并對高地溫風險的可控性進行了分析。該研究可以為規(guī)劃建設(shè)的某交通線路的高地溫風險科學防控提供相關(guān)的科學依據(jù)。

1 青藏高原地溫場分布時空規(guī)律及成因

1.1 青藏高原地溫場分布時空規(guī)律

近地表溫度是研究地下熱源狀況變化的重要指標(秦艷慧等，2015)，對于探明地下熱源空間分布具有指導意義(賀金鑫等，2018)。因此，本文收集和整理了青藏高原藏西部(獅泉河)、中部(日喀則、拉薩)和東部(昌都)4個具有代表性的氣象站數(shù)據(jù)(圖1)來反映青藏高原的地溫分布規(guī)律。其中：氣象站數(shù)據(jù)為1971～2011年之間每10年的當年地表20cm處的平均地溫監(jiān)測值和2013年地表20cm處的平均地溫監(jiān)測值，地溫和地溫梯度時空變化的總體統(tǒng)計結(jié)果如圖2所示。距地表20cm處的近地表地溫位于地層溫度的變溫帶，受氣溫變化的影響較大，但近地表地溫作為氣溫和地下熱源的共同作用，在一定范圍內(nèi)，由于日平均氣溫差異不大，地表溫度的差異分布在一定程度上能夠反映地下熱源的時空變化。

圖1 氣象站分布位置圖(底圖來源：陳紅漢等(2013))

由圖2可知，近地表溫度在過去的近50年內(nèi)整體呈現(xiàn)上升趨勢，且東部的升溫速率大于中西部地區(qū)的升溫速率。通過古地溫梯度及當今地溫梯度對比，可發(fā)現(xiàn)措勤盆地的古地溫梯度為2.07℃/100m左右，為中-新生代平均古地溫梯度，現(xiàn)今地溫梯度為3.4℃/100m左右；崗巴-定日盆地的古地溫梯度為3℃/100m左右，為中-新生代平均古地溫梯度，現(xiàn)今地溫梯度為6.5℃/100m左右；昌都盆地及拉薩盆地的古地溫梯度為2.02～3℃/100左右，為中-新生代平均古地溫梯度，現(xiàn)今地溫梯度為6～6.5℃/100m左右(Decelles et al.，2007; 陳紅漢等，2013)。

圖2 據(jù)地表20cm處年平均地溫及地溫梯度變化

因此，青藏高原近地表地溫場的總體時空規(guī)律為：從空間變化上，由北向南，從措勤盆地到崗巴-定日盆地，由西往東，從措勤盆地到拉薩盆地、昌都盆地其地溫及地溫梯度呈增高趨勢；在時間變化上，各個區(qū)域的現(xiàn)今地溫梯度都較古地溫梯度較高，地表20cm處地溫近50年來也呈增高趨勢。

表2 國內(nèi)外隧道(洞)高地溫情況

1.2 青藏高原近地表地溫場分布成因分析

青藏高原近地表地溫場的這種時空分布規(guī)律有淺部和深度兩個層次的原因。對淺部而言，隨著氣溫的升高，地溫也隨之升高。其他研究學者觀測到20世紀90年代之后青藏高原地區(qū)凍土深度明顯變薄的結(jié)論也可支持溫度總體上升的現(xiàn)象(周刊社等，2015；劉廣岳等，2016; 吳青柏等，2021)；對深部而言，高地溫異常與地球內(nèi)部構(gòu)造作用密切相關(guān)(Tang et al.，2017; Tian et al.，2018; 王云等，2018)。自漸新世以來，隨著青藏高原不斷隆升，受構(gòu)造作用的影響，地溫梯度呈現(xiàn)普遍增高趨勢，直至新近紀至第四紀的青藏高原隆升階段青藏高原地區(qū)的地溫梯度依然呈不均勻上升(陳紅漢等，2013)。此外，當前青藏高原地區(qū)地殼增厚而地幔減薄，這種特殊的殼-幔結(jié)構(gòu)演變除了導致高原隆升之外，還使得區(qū)內(nèi)地溫場產(chǎn)生局部的地熱異常(Kosarev et al.，1999；Kind et al.，2002)，使得青藏高原東部的地溫高于其他區(qū)域。

2 某交通線路隧道高地溫風險分析

2.1 隧道高地溫風險分析

目前評價隧道地溫分布的常用方法有類比法、地溫梯度法、鉆孔測量法及水文地球化學法等方法。其中類比法是將地質(zhì)環(huán)境相類似的工程進行類比分析，很難得到定量的評價結(jié)果。水文地球化學法是從地下水的水溫、離子成分及濃度等條件來反推隧道地溫情況，對于地下水通流區(qū)較窄或地下水不豐富的地區(qū)則不適用(陳尚橋等，1995)。而地溫梯度法因具有計算簡便，參數(shù)獲取較為準確等優(yōu)點，在實際工程的高地溫風險評價分析中應(yīng)用廣泛，例如，嚴健等(2019)使用鉆孔實測地溫反演出某交通線路桑珠嶺隧道的地溫梯度，再使用地溫梯度法對隧道整體的高地溫風險做出評價分析，取得了良好的效果。

綜上考慮，本文選用地溫梯度法對某交通線路沿線的高地溫風險進行宏觀評估，得到某交通線路及鄰近區(qū)域全線地溫空間分布。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查的鉆孔地溫測試與監(jiān)測獲取的現(xiàn)場數(shù)據(jù)對地溫梯度值進行修正，進一步細化分析某交通線路兩座典型隧道折多山隧道及拉月隧道的高地溫風險。

地溫梯度法的計算公式見式(1)：

T=T0+(D0/100)×(G0+G1)

(1)

式中：T為鐵路隧道沿線近地表地溫值(℃)；T0為地表近似恒溫層地溫值(℃)；D0為隧道埋深(m)；G0為地溫梯度(℃/100m)，埋深每增加100m，地溫增加值(℃)；G1為受地溫影響的地溫梯度增量(℃/100m)。

根據(jù)可研階段鉆孔地溫測試與初步分析計算表明：未受地熱影響地段的地溫梯度普遍偏小，建議取值為2.5～2.7℃/100m，而在隧道沿線一些斷裂帶處或受地溫影響的地段的鉆孔實測地溫數(shù)據(jù)表明，地溫梯度平均值略微增加，地溫梯度約為3.0℃/100m。

由于工程上缺少恒溫層溫度數(shù)據(jù)，通常采用地表溫度作為地表近似恒溫層溫度(劉曉燕等，2007)。圖3為在建某交通線路雅安至林芝段沿線日均地表近似恒溫層溫度分布曲線圖，為減小誤差，分別在每公里處取得一個近地表地溫值，再將此溫度值與其相近的14個近地表溫度值取平均值，將此平均值作為該公里段落的地表溫度值。同時計算出每公里段落近地表溫度值的標準差，將平均值加(減)標準差，如圖3中的陰影部分。從圖中可看出沿線的地表恒溫溫度值T0在-3～20℃之間，除雅安附近近地表溫度較高及多吉附近近地表溫度較低處于零下外，其余段落的地表近似恒溫層溫度T0均在0～14℃的范圍內(nèi)。

圖3 某交通線路沿線日均地表近似溫度分布圖(數(shù)據(jù)來自USGS地溫數(shù)據(jù))

基于上述方法，在不考慮受地溫影響的地溫梯度增量的基礎(chǔ)上，得到了某交通線路沿線地溫空間分布圖，如圖4所示。由圖可知，由于受復雜板塊構(gòu)造的影響，某交通線路的隧道工程穿過多個深大斷裂和復雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)塊，導致了某交通線路沿線的地溫空間分布表現(xiàn)出復雜的分異性，存在眾多地熱異常的情況，從而導致了某交通線路面臨眾多的高溫災害風險。

圖4 某交通線路沿線地溫空間分布圖

然而，由于地表近似恒溫層溫度數(shù)據(jù)精度的影響，局部區(qū)域的地溫異常值可能被忽略，因此需要結(jié)合已有的現(xiàn)場調(diào)查溫泉分布規(guī)律和鉆孔地溫資料，對地溫梯度進行修正。在此基礎(chǔ)上，分別以折多山隧道、拉月隧道這兩座典型隧道為例，對高地溫風險定量評價進一步細化。同時，根據(jù)TB-10012-2019《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》，將高地溫風險分為4級：隧道地溫≤28℃視為無地熱危害；28～37℃視為輕微熱害；37～50℃視為中等熱害；>50℃視為嚴重地熱危害。高地溫風險定量評價結(jié)果與分級，如圖5～圖6所示。

圖5 折多山隧道高地溫風險分布圖

圖6 拉月隧道高地溫風險分布圖

由圖5可知，從整體上看，折多山沿線地溫分布與埋深具有很好的一致性，盡管根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查資料，折多塘斷裂和玉龍希斷裂附件發(fā)現(xiàn)局部熱泉，隧道穿越斷層附近的地溫梯度存在增加趨勢，但最高地溫位于埋深最大的位置。因此，折多山隧道的最高地溫形成的原因為高埋深所致，在隧道里程CK286左右隧道埋置深度達到了1200多米，屬于深埋隧道。根據(jù)各等級高地溫風險的長度統(tǒng)計數(shù)據(jù)(圖7a)，折多山隧道熱害中等及以上段落長約2.4km，占全長11.5%，最高地溫42.3℃。

由圖6可知，從整體上看，拉月隧道沿線高地溫分布規(guī)律并不與埋深變化一致。最高地溫出現(xiàn)的CK1191附近，最大埋深為約1300m。然而，根據(jù)隧址附近鉆孔揭示，發(fā)現(xiàn)了受斷裂F51控制的溫泉。因此，此段落隧道的高地溫主要是由斷裂控制。在CK1185附近，埋深達到了近2400m，根據(jù)初步野外地質(zhì)調(diào)查，未發(fā)現(xiàn)溫泉出漏，因此，此段落隧道埋深對高地溫形成的影響最大。此外，拉月隧道附近分布多個溫泉，溫泉位置與特征如表1所示。拉月溫泉、長青溫泉均位于線路南側(cè)2～3km附近，溫泉溫度38～95℃，存在地熱異常，導致了隧道相應(yīng)位置高地溫風險增加。綜上所述，斷裂控制的溫泉分布及隧道高埋深使得拉月隧道的高地溫問題尤其突出。此外，根據(jù)各等級高地溫風險的長度統(tǒng)計數(shù)據(jù)(圖7b)，拉月隧道熱害中等及以上段落長11.1km，占全長35.6%，最高地溫54.7℃，比折多山隧道中等及以上段落的長度長8.6km，其主要的原因也是拉月隧道附近地熱異常所致。

表1 拉月隧道附近溫泉特征表

圖7 隧道高地溫風險等級占比

2.2 隧道高地溫風險分析方法的局限性

本研究采用的溫度梯度法在實際工程應(yīng)用中具有參數(shù)少，計算簡便等優(yōu)勢，但在精準預測隧道高地溫風險時也具有一定的不確定性，主要包括以下兩個方面。

2.2.1 地表近似恒溫層溫度的不確定性

在隧道工程施工前，通常會鉆孔提取地質(zhì)資料并測定地層的恒溫層溫度和深度，然后基于溫度梯度法反演隧道地溫分布情況。然而，某交通線路穿越眾多高山峽谷，地勢起伏大，河流切割深，相對高差大，在可行性研究階段，鉆孔測溫得到恒溫層深度和溫度資料相對較少，難以獲取準確的恒溫層溫度和深度用于隧道高地溫風險預測。在資料相對缺少時，工程上通常采用當?shù)啬昃鶜鉁貋泶婧銣貙訙囟?，劉曉燕?2007)從能量守恒的角度出發(fā)，證明了恒溫層的溫度等于年均氣溫，給出了年平均氣溫代替恒溫層溫度的合理性。然而，該研究只考慮了大氣對地溫的影響，忽略了地球內(nèi)部熱源的作用。因此，該方法難以適用對于地熱資源相對豐富的地區(qū)。地表溫度作為大氣和地下熱源的共同結(jié)果，在一定程度上可以反映地下熱源的影響情況，因此，本文采用地表溫度代替恒溫層溫度，可以彌補氣溫代替恒溫層溫度忽略了內(nèi)部熱源的缺點，減少誤差。然而，該方法忽略了恒溫層深度的影響，也將在一定程度上加大了隧道高地溫風險預測的不確定性。目前地表溫度和恒溫層溫度的相關(guān)關(guān)系研究較少，今后需進一步加強研究，以減少恒溫層溫度預測的不確定性。

2.2.2 地溫梯度法的不確定性

地殼淺部溫度分布受地表溫度變化和地下穩(wěn)態(tài)熱流的共同作用且作為穩(wěn)態(tài)溫度場的瞬時擾動被記錄下來(劉佳等，2013)，如圖8所示。地溫梯度法則是通過地表的瞬時溫度反演深部的溫度場，然而，從巖土體熱傳導來講，如果不考慮凍融作用，熱量從地表傳導到地下100m需要100年左右時間，傳導到500m需要1000年左右。因此計算500m處的地溫需要知道1000年前的地表溫度，計算1000m深度以下的地溫則需要上萬年前的地表溫度?，F(xiàn)有研究表明，最近5個世紀全球地表溫度的變化范圍為0.89～1.07℃(Pollack et al.，2003)，而上萬年的地表溫度變化范圍將會更大。本文采用當前地表溫度反演深部地溫，忽略了當前地表溫度與歷史地表溫度的差異，增加了隧道高地溫風險的不確定性，相關(guān)的不確定性可在后續(xù)進一步研究。

圖8 影響地溫的主要因素及不平衡氣候流H與地熱流qb的比較(劉佳等，2013)

3 隧道高地溫風險成因及可控性分析

3.1 隧道高地溫風險成因

一般來講，隧道的地溫分布主要受地表恒溫層溫度、隧道埋深及地溫梯度控制?？傮w上，隨著埋深的增大，高地溫風險會加大。表2總結(jié)了國內(nèi)外典型高地溫隧道資料，包括隧道埋深，地溫，斷裂活動、巖性等數(shù)據(jù)?？梢园l(fā)現(xiàn)，隧道的埋深大小并不是高地溫形成的唯一因素。例如位于法國與意大利的里昂—都靈隧道與勃朗峰公路隧道，其最大埋深達到了2000多米，最高地溫40℃左右，而拉日線甫當隧道與吉沃希嘎隧道最大埋深為100～250m，最大地溫達到了50℃以上。同樣，拉林線桑珠嶺隧道最大埋深1350m，而最高地溫達到了近90℃。國外的里昂—都靈隧道與勃朗峰公路隧道所處的構(gòu)造環(huán)境相對較為穩(wěn)定(王楚嬌，2013)，而拉日線甫當隧道與吉沃希嘎隧道、拉林線桑珠嶺隧道由于處于活動斷裂構(gòu)造區(qū)，地熱活動強烈，例如桑珠嶺隧道穿越沃卡地塹東緣斷裂帶(嚴健等，2019)；吉沃希嘎隧道則受雅魯藏布江縫合帶的影響。由此可見，除埋深外，隧道高地溫風險與地球構(gòu)造作用、內(nèi)部熱過程等因素密切相關(guān)。因此，雖然埋深是某交通線路的長大埋深隧道高地溫問題出現(xiàn)的主要影響因素，但是構(gòu)造活動引起的地熱異常是某交通線路高地溫風險問題的關(guān)鍵因素，在某交通線路工程的深部高地溫風險防控方面尤其需要引起重視。

3.2 隧道高地溫可控性分析

某交通線路典型隧道高地溫風險可控性分析可通過工程地質(zhì)類比的方式進行分析。工程地質(zhì)類比法屬于定性評價的一種，它的實質(zhì)是將已有的隧道高地溫風險進行總結(jié)歸納后，應(yīng)用到地質(zhì)條件相似的隧道高地溫風險的評價研究中，是一種經(jīng)驗方法，應(yīng)用廣泛。本文通過隧道的巖性、斷裂帶、埋深等基本特征來確定類比對象，然后以最高地溫評價拉月隧道和折多山隧道的高地溫風險可控性。在表2的基礎(chǔ)上，繪制國內(nèi)外隧道高地溫對比圖，如圖9a所示。由圖可知，當前有9條已建成隧道的最高地溫值大于折多山隧道的最高地溫值，有7條已建成隧道的最高地溫大于拉月隧道的最高地溫值。其中：桑珠嶺隧道、高黎貢山隧道，日本的安房公路隧道的巖性基本為花崗巖、片麻巖，砂巖等，且均受導熱斷裂帶的影響，這與拉月隧道，折多山隧道的工程地質(zhì)條件極為相似，因此可作為類比對象。由表2可知，3條類比隧道的埋深均小于拉月隧道與折多山隧道埋深，但桑珠嶺隧道、高黎貢山隧道、日本安房隧道的最高地溫值分別為：89℃、60℃、75.5℃，均高于拉月隧道54.7℃和折多山隧道的42.3℃。此外，3條類比隧道通過合理的防控措施，均已克服高地溫風險并順利建成，因此可判定拉月隧道和折多山隧道的高地溫風險在合理的工程措施下總體上是可控的。

圖9 國內(nèi)外隧道高地溫風險對比

4 結(jié) 論

青藏高原復雜的地質(zhì)構(gòu)造條件，使得該地區(qū)的地溫的分布特征與演化規(guī)律具有很強的地域性和特殊性，地熱災害頻繁。高地溫風險是規(guī)劃某交通線路深埋長隧道不可避免的一個突出的問題。本文在對青藏高原地溫場分布時空規(guī)律及成因進行總體梳理總結(jié)的基礎(chǔ)上，對某交通線路典型深埋隧道高地溫風險及可控性進行了分析，并對其成因進行了探討，得到如下主要結(jié)論：

(1)青藏高原近地表地溫場分布在時空上表現(xiàn)出顯著的分異性，總體上表現(xiàn)為：空間上，由北向南，從措勤盆地到崗巴—定日盆地，由西往東，從措勤盆地到拉薩盆地、昌都盆地其近地表地溫呈增高趨勢；時間上，各個區(qū)域的現(xiàn)今地溫梯度都較古地溫梯度較高，地表20cm處地溫近50年來也呈增高趨勢。地溫梯度變化與青藏高原地區(qū)地球內(nèi)部熱過程、構(gòu)造作用等因素密切相關(guān)，地熱異常多受由板塊運動形成的斷裂所控制。

(2)對某交通線路的折多山隧道、拉月隧道等典型深埋長大隧道的高地溫風險進行了定量評價，得到隧道各部分的高地溫風險分布特征及規(guī)律。對高風險區(qū)段進行了統(tǒng)計：折多山隧道熱害高風險區(qū)占全長11.5%，最高地溫42.3℃；拉月隧道占全長35.6%，最高地溫54.7℃，其分布和穿越的縫合帶、斷層帶密切相關(guān)。拉月隧道的高地溫風險較大，應(yīng)加強對高地溫危害的防控。

(3)某交通線路隧道高地溫風險成因分析表明，深部高地溫風險受多種因素綜合作用，除埋深因素外，地質(zhì)構(gòu)造引起的熱流異常是引起高地溫風險的關(guān)鍵因素，在規(guī)劃建設(shè)某交通線路過程中需加強科學綜合防控。

(4)通過對比工程地質(zhì)背景類似的國內(nèi)外工程實例，對某交通線路典型深埋長大隧道高地溫風險進行可控性分析，結(jié)果表明：多個高地溫風險大于拉月隧道的隧道均已建設(shè)成功。因此，某交通線路面臨的深部高地溫風險在合理的工程防控措施下總體可控。