梅汕鐵路豐順地熱田的工程地質(zhì)特性及工程對策分析研究

摘要 該文以梅汕鐵路豐順隧道為例，詳細研究了豐順地熱田的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造，對熱儲特征和水化學(xué)特征進行細致分析，研究揭示地熱田地下水與隧道深孔地下水在成分和特性上的差異，以及地下熱水的特殊性，并結(jié)合豐順隧道所處的區(qū)域地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件，進一步探討了項目選線的合理方法，并提出了相應(yīng)的工程對策，以確保隧道建設(shè)的順利進行和安全性。

關(guān)鍵詞 梅汕鐵路；豐順隧道；地熱；工程對策

中圖分類號 TU452、[TU46+1] 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）01-0097-03

0 引言

豐順地熱田作為梅汕鐵路沿線的一個重要地質(zhì)單元，其獨特的工程地質(zhì)特性對于鐵路工程的設(shè)計與施工提出了特殊要求。深入研究梅汕鐵路豐順地熱田的工程地質(zhì)特性，對于確保鐵路工程的安全、穩(wěn)定和高效建設(shè)具有重要意義。該文旨在通過對豐順地熱田的工程地質(zhì)特性進行分析，探討鐵路工程在該地區(qū)的建設(shè)對策，為類似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

梅汕鐵路位于廣東省東北地區(qū)，北起梅州市，途經(jīng)梅州市豐順縣、揭陽市，南至潮州市，正線全長

122.412 km。最長隧道為豐順隧道，全長14.388 km。隧道設(shè)計起訖里程：DK47+765～DK62+153，全長14 388 m，最大埋深830.5 m，內(nèi)軌頂面設(shè)計高程69.087～174.629 m。

2 地質(zhì)概況

2.1 地形地貌

研究區(qū)域位于粵東低山丘陵區(qū)，區(qū)內(nèi)地貌類型以低山丘陵為主，次為沿榕江北河及其支流河谷兩岸發(fā)育的沖洪積平原，低山丘陵區(qū)植被發(fā)育，自然坡度25°～40°，溝谷多呈“V”字形或“U”字形。

2.2 地層巖性

區(qū)域內(nèi)出露地層由老到新有侏羅系、白堊系和第四系。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

該區(qū)在大地構(gòu)造上處于粵東隆起帶，位于東西向佛岡－豐良深斷裂帶、北東向蓮花山深斷裂帶與北西向榕江大斷裂帶的交會部位，區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動強烈，其中以北東向構(gòu)造最為發(fā)育，次為北西向和東西向。

2.4 水文地質(zhì)

根據(jù)地下水的形成條件及賦存介質(zhì)，區(qū)內(nèi)地下水可分為松散巖類孔隙水、紅層裂隙水、層狀基巖裂隙水、塊狀基巖裂隙水四種地下水類型。

2.5 地熱田分布情況

梅汕鐵路區(qū)內(nèi)第二大的谷地為豐良河兩側(cè)的沖積階地，呈東西向展布于建橋鎮(zhèn)－豐良鎮(zhèn)一帶，地勢西高東低，豐良地熱田分布于該谷地內(nèi)[1]。

3 基于豐順地熱田的水化學(xué)分析及熱儲深部溫度推算

3.1 水化學(xué)特征分析

該研究共收集地熱田地下水分析數(shù)據(jù)9組；同時，為便于對照分析，還采集了梅汕鐵路云山隧道（DK45+760處）、豐順隧道（DK57+300處）深孔鉆孔內(nèi)地下水水樣分析數(shù)據(jù)2組。

各類地下水由于其形成條件和所處的環(huán)境不盡相同，水化學(xué)組分亦有明顯差異，經(jīng)分析，主要化學(xué)特征如下。

（1）地下水溫度

地熱田地下水溫度范圍49℃～92℃，屬于低溫地熱資源（溫熱水～熱水）～中溫地熱資源；隧道深孔地下水溫度范圍23℃～26℃，屬于冷水～溫水。

（2）地下水pH值

地熱田地下水pH值為6.5～7.5，屬酸性～中性～弱堿性水；隧道深孔地下水pH值為7.15～9.12，屬堿性水。

（3）地下水礦化度

地熱田地下水礦化度為0.364～0.579 g/L，隧道深孔地下水礦化度為0.059～0.426 g/L，均屬于淡水，其中地熱田中地下水的礦化度比隧道深孔中地下水的礦化度要高 ；一般隨水溫的升高而增加，其中豐良地熱田礦化度最高。

（4）水中陽離子含量

地熱田地下水中陽離子以Na+為主，含量77.7～170 mg/L，其次為Ca2+、K+，Mg2+含量最少；隧道鉆孔地下水中陽離子以Ca2+為主，其次為Na+、Mg2+，K+含量最少。

隧道深孔地下水中，Na+含量較低，為4.08～

22.54 mg/L，平均含量為13.31 mg/L，僅為地熱田地下水中的1/20～1/8。

地熱田地下水中陽離子的含量整體上明顯都高于隧道深孔地下水中陽離子的含量；并且陽離子含量組合比例也不相同，地熱田地下水中：Na+＞Ca2+＞K+＞Mg2+，隧道深孔地下水中：Ca2+＞Na+＞Mg2+＞K+。

（5）水中陰離子含量

地熱田地下水中陰離子以HCO3-為主，含量149～254 mg/L，次為Cl-、SO42-；隧道深孔地下水中陰離子以HCO3-為主，含量29.29～153.76 mg/L，次為SO42-、Cl-。整體上，地熱田地下水中的HCO3-含量還是高于隧道深孔地下水中的HCO3-含量。同樣，陰離子含量組合比例也不相同，地熱田地下水中：HCO3-＞Cl-＞SO42-，隧道深孔地下水中：HCO3-＞SO42-＞Cl-。

由分析對比可知，地熱田地下水與隧道深孔地下水除在pH值上差異不大外，無論是水溫、礦化度，還是陰陽離子含量、組合比例，均存在較大的差異。地下熱水與普通地下水一樣，溶解有各種各樣的化學(xué)組分，通常均具有溶濾作用、混合作用和離子交換吸附作用等，將兩者組分之間差異進行對比，可以反映地下熱水的特殊性[2]。

3.2 熱儲深部溫度推算

確定熱儲溫度的方法有直接測量法和計算法兩種。

直接測量法是指根據(jù)鉆井揭露或穿透熱儲層，使用熱敏感電阻等井溫儀直接測量，然后利用頂、底板溫度的平均值作為熱儲的溫度。

計算法中應(yīng)用最廣泛的是地球化學(xué)溫標法，通常利用各種定量地球化學(xué)溫標來計算深部熱儲的溫度[3]，最常用的定量地球化學(xué)溫標有：SiO2溫標、K-Mg溫標、Na-K溫標和Na-K-Ca溫標，其計算公式如下：

（1）SiO2地熱溫標公式（適用溫度范圍0℃～250℃）：

（1）

（2）鉀鎂地熱溫標公式（適用于中低溫地熱田）：

（2）

（3）鈉鉀地熱溫標公式（不適用pH值遠小于7的酸性水）：

（3）

（4）在富含鈣的水中，鈉鉀溫標顯示異常高結(jié)果，可用鈉鉀鈣溫標計算，鈉鉀鈣熱溫標公式（適用溫度范圍4℃～340℃）：

（4）

式中：C1￣￣水中SiO2質(zhì)量濃度（mg/L）；C2￣￣水中K＋的質(zhì)量濃度（mg/L）；C3￣￣水中Mg2+的質(zhì)量濃度

（mg/L）；C4￣￣水中Na+的質(zhì)量濃度（mg/L）；C5￣￣水中Ca2+的質(zhì)量濃度（mg/L）；β￣￣校正系數(shù)，若t＜100℃或+2.06＞0，β取4/3，若t＞100℃或+2.06＜0，β取1/3；t￣￣估算的熱儲溫度（℃）。

采用以上四種公式計算的熱儲深部溫度結(jié)果如表1所示：

由表1可知，地熱田地下熱水深部熱儲溫度采用SiO2溫標公式估算的結(jié)果與四種溫標公式估算結(jié)果的平均值最為接近，故采用SiO2溫標公式估算結(jié)果代表各地熱田地下熱水深部熱儲的溫度。

假設(shè)隧道鉆孔地下水深部溫度也存在上述邏輯公式關(guān)系，不同的是，采用鉀鎂溫標公式估算的隧道深孔地下水深部溫度與四種溫標公式估算結(jié)果的平均值最為接近，為47.03℃～49.36℃，可見地熱田地下熱水與隧道深孔地下水在受熱循環(huán)機理上存在著本質(zhì)的差別，隧道深孔地下水并沒有典型的深部強烈熱源加熱。

4 地熱田工程地質(zhì)選線及工程對策

4.1 地熱田工程地質(zhì)選線原則

4.1.1 繞避

（1）繞避高地溫異常區(qū)

在高地溫異常區(qū)修建隧道，特別是深埋特長隧道，洞內(nèi)高溫將會惡化施工環(huán)境，使人員在隧道內(nèi)無法正常作業(yè)，而且會導(dǎo)致常溫條件下的隧道襯砌結(jié)構(gòu)、建筑材料及施工工藝不適用于高地溫異常區(qū)的隧道工程，對隧道結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性造成極大威脅。

因此，項目在前期選線時，應(yīng)詳細收集沿途地溫、地熱相關(guān)資料，調(diào)查清楚高地溫異常區(qū)及其分布范圍，線路選線時，應(yīng)進行繞避。

同時，為加強對地熱資源的保護，實現(xiàn)資源的可持續(xù)利用，為避免對地熱資源的壓覆，項目選線原則上至少應(yīng)繞避地熱田1 km以上的最近距離。

梅汕鐵路在建橋站至豐順東站地質(zhì)選線前，詳細收集了線路周圍10 km范圍內(nèi)地熱田的分布情況，進行了仔細的勘察，并采集地熱田水樣進行了化驗分析，現(xiàn)場施工實踐表明，該段線位選擇均繞避了高地溫異常區(qū)。

（2）繞避斷裂構(gòu)造交匯部位

在斷裂破碎帶或兩組不同方向斷裂的交匯部位，可形成斷裂帶型對流地熱田。豐順6處地熱田均發(fā)育于北東向與北西向、東西向構(gòu)造交匯處，在兩個不同方向的斷裂交匯處，容易發(fā)育斷裂型對流地熱田。

梅汕鐵路出畬江站后一路沿東偏南方向（線路走向約148°）向前延伸，以豐順隧道的形式穿越蓮花山脈的韓山，該段線路走向基本上只與北東向新華夏系構(gòu)造大角度相交，與北西向韓江－榕江斷裂相距5 km，線路繞避了北東向構(gòu)造與北西向構(gòu)造交匯處，從而也避免該段線路遇到斷裂帶型對流地熱田的可能。

4.1.2 優(yōu)化縱斷面及工程類型設(shè)置

當線路方案必須穿越高地溫異常區(qū)時，宜優(yōu)化線路縱斷面，梅汕高速公路、廣梅汕鐵路均鄰近豐順地熱田，但無論是高速公路，還是廣梅汕鐵路，在從北斗至豐順約14 km長的線路范圍內(nèi)，以隧道形式通過的地段分別約為0.8 km（1處）、0.7 km（3處），其余地段均以路基和橋梁的形式通過，橋路比高達94%～95%，較好地規(guī)避了高地溫所帶來的熱害影響，降低了其施工、運營風(fēng)險，同時也節(jié)約了工程投資。

4.2 工程對策

4.2.1 加強輔助坑道選址設(shè)計

地熱隧道應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場地形地質(zhì)條件，盡量選取合適位置設(shè)置輔助坑道，有條件時應(yīng)優(yōu)先設(shè)置順坡橫洞，一方面橫洞可以解決施工工期問題，另一方面若正洞遇熱水時，可作為排泄通道及時將熱水排出；另外，條件具備時，輔助坑道應(yīng)布置在水庫、河流附近，正洞開挖遇地下熱水時可以及時將地表冷水抽至洞內(nèi)，以降低洞內(nèi)熱水的溫度。

4.2.2 加強施工通風(fēng)、隔熱、降溫等措施

通風(fēng)：涉及地熱的隧道常規(guī)處理措施為加強施工通風(fēng)，施工中若遇高地溫，可在洞口設(shè)置大風(fēng)量通風(fēng)設(shè)備，向工作面送風(fēng)，以保證洞內(nèi)足夠的新鮮空氣，同時通過冷熱空氣的交換降低環(huán)境溫度，從而改善洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境，保障作業(yè)人員身體健康及機械設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。

隔熱：隧道內(nèi)的熱源主要是高溫的圍巖散熱或熱水散熱，在圍巖壁上涂覆絕熱材料如硬脂聚氨酯泡沫塑料，以降低隧道壁面與空氣熱傳導(dǎo)系數(shù)，從而減少高溫圍巖對空氣的放熱量，同時還可以防止隧道襯砌混凝土的溫度應(yīng)力升高。

制冷降溫：當采用加強通風(fēng)、隔絕熱源等措施仍不能有效降低洞內(nèi)溫度時，就需要采用人工制冷降溫；如獨立移動式制冷機或大型制冷機安裝在隧道外固定式制冷等，或在高溫隧道作業(yè)面附近大量放置冰塊降溫。

4.2.3 加強超前地質(zhì)預(yù)報工作

由于地熱成因及分布的復(fù)雜性，勘察期間很難準確預(yù)測高溫地熱的分布，因此，在施工中應(yīng)加強超前地質(zhì)預(yù)報和動態(tài)監(jiān)測，以確保施工安全，并為地熱防治提供依據(jù)；施工階段應(yīng)采用多種技術(shù)方法進行綜合超前地質(zhì)預(yù)報，如地質(zhì)素描、超前水平鉆、巖體（地下水）溫度量測等[4]。

5 結(jié)語

該文以梅汕鐵路豐順隧道附近10 km范圍內(nèi)的地熱田為研究對象，在深入了解豐順地熱田區(qū)域地質(zhì)背景及水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，根據(jù)地熱田熱水水樣的化驗資料，研究地熱田熱水化學(xué)特征，對地熱田熱儲進行了系統(tǒng)性的分析。此外，還深入分析了地熱區(qū)的工程地質(zhì)選線原則及工程對策，旨在確保鐵路建設(shè)的安全與穩(wěn)定性，同時最大化地利用地熱資源。

參考文獻

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[2]王云.滇東南地熱流體地球化學(xué)特征研究[D].北京：中國地震局地球物理研究所， 2021.

[3]王瑞娟.地球化學(xué)溫標方法在地熱資源評價中的應(yīng)

用[J].中國資源綜合利用， 2017（9）：130-131.

[4]雷俊峰.拉日鐵路吉沃希嘎隧道地熱影響分析及工程對策[J].鐵道建筑， 2013（9）：31-33.

收稿日期：2024-06-12

作者簡介：周曉曦（1993—），女，碩士，工程師，研究方向：路基設(shè)計、地質(zhì)勘察。