拉日铁路吉沃希嘎隧道地热异常特征与防治措施分析.docx

第 58 卷 第 7 期2014 年 7 月铁 道 标 准 设 计AILWAY STANDAD DESIGNVol 58 No 7 Jul 2014文章编号: 1004-2954( 2014) 07-0107-05拉日铁路吉沃希嘎隧道地热异常特征与防治措施分析杨新亮( 中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)摘 要: 地热是拉日铁路吉沃希嘎隧道施工中的主要工程地质问题，查明隧址区地热分布特征，并且制定高温热害 防治措施非常重要。勘察中结合物探异常数据，布置钻孔实测地温，绘制测温曲线，揭示了隧址区地热分布规律; 通过钻孔测温数据和地温梯度值对隧道地热异常区地温分级和预测。同时在分析区域地热地质背景的基础上，较 为详细地评价了地热成因及高温热害对隧道建设的影响，并给出了相应的防治措施。关键词: 铁路隧道; 高原地热隧道; 地温分级预测; 热害防治中图分类号: U452. 1 + 1 文献标识码: A DOI: 10 13238 / j issn 10042954 2014 07 025esearch on Geothermal Anomaly Characteristics and Control Measures for Jiwoxiga Tunnel on Lasa-Shigatse ailwayYANG Xin-liang( China ailway First Survey and Design Institute Group Co ，Ltd ，Xian 710043，China)Abstract: Geothermal anomaly is the major engineering geological problem in the construction of Jiwoxiga Tunnel on Lasa-Shigatse ailway Therefore，it is very important to find out the geothermal energy distribution characteristics for the tunnel site and develop some relevant measures for controlling the heat damage For this reason，in this research，the boreholes was arranged to detect the ground temperature on site in combination with the abnormal data obtained by geophysical prospecting; the temperature curve was drawn out; and the geothermal energy distribution characteristics in the tunnel site was revealed Furthermore，this research carried out classification and forecast on the ground temperature of the geothermal anomaly area for the tunnel site based on the borehole temperature measurement data and the geothermal gradient values In addition，after analysis on the geological condition of the geothermal anomaly area，this research assessed in detail the root cause of the geothermal anomaly，researched the influence of the heat damage on the tunnel construction，and finally proposed the relevant prevention and control measuresKey words: railway tunnel; tunnel in geothermal area of plateau; ground temperature classification and forecast; heat damage prevention and control目前，地热问题已是隧道工程、采矿工程及其他地 下工程常见的地质灾害问题，成为制约以上各项工程 施工和运营的瓶颈。国内在隧道高地温方面，虽然系 统的工作还没开展起来，但是随着隧道工程的快速发 展，高地温作为隧道地质灾害问题之一，越来越多地受 到人们的关注，并取得了一系列研究成果。但研究地 热在高原隧洞内分布特征及应对高温热害的措施较收稿日期: 2013-10-21; 修回日期: 2013-11-04作者简介: 杨新亮( 1979) ，男，高级工程师，2002 年毕业于西南交通 大学，工学学士，E-mail: 2401782441 qq com。少，因此，在分析吉沃希嘎隧道地质特征和断裂构造的 基础上研究隧址区地热分布特征、成因及防治措施是 有积极意义的。1 概况拉日铁路地处青藏高原西南部，线路东起青藏铁 路终点拉萨站，向南沿拉萨河而下，至曲水县后折向西 溯雅鲁藏布江而上，穿越长度近 90 km 的雅鲁藏布江 峡谷区，途经尼木县、仁布县抵达西藏西南重镇日喀 则，线路全长 253 km。108铁 道 标 准 设 计第 58 卷拉日铁路吉沃希嘎隧道为典型的高原地热隧道， 位于雅鲁藏布江峡谷区左岸中高山区，山高坡陡，自然 坡度 40 60，地表植被稀疏，相对高差 100 m 以上。 山体表层沟谷发育，切割相对较深，沟谷两岸局部基岩 裸露，岩 体破碎。隧道起讫里程 DK117 + 520 DK121 +494，全长 3 974 m，洞身一般埋深 34 75 m，最 大埋深达 102 m，设置 1 座横洞，长度 110 m，与正洞相 交于DK119 +454。2工程地质特征在充分收集利用区域地质资料的基础上，采用遥感解译、地质调绘、物探、钻探( 深孔、浅孔) 及测温等 相结合的综合勘察方法，查明了隧址区地层岩性和地 质构造1，并发现隧道洞身部位存在地热异常现象。 2. 1地层岩性隧道进、出口段通过地层为第四系洪积粉土、角砾 土及碎石土、块石土，洞身主要为燕山期闪长岩，断层 带为压碎闪长岩及断层泥砾。2. 2地质构造根据区域地质资料及地质调绘，隧址区断裂构造 发育，洞身主要通过 3 条断层2，如图 1 所示，各断层 特征描述如下。图 1 吉沃希嘎隧道地形地质平面( 1 ) F43 断层: 与洞身相交于进口 DK118 + 050，断层产状 N32W /78 88 S，为压扭性断层，破碎 带宽度为 320 400 m，物质为断层泥砾及压碎闪长 岩。在雅鲁藏布江右岸断层通过处，山体坡面不完整， 为不稳定斜坡，深切冲沟沟岸两侧坡面破碎; 在雅鲁藏布江左岸 G318 国道边山坡坡面陡坎下明显可见断层 破碎带物质，青灰色为主，夹有锈黄、灰绿色，主要由断 层角砾组成，含有少量压碎岩及断层泥砾，断层西界为 闪长岩，东界被第四系碎石类土覆盖，迹象不明显。( 2) f26 断层: 与洞身相交于 DK118 + 610 DK118 +663，断层产状 N25E /70S，为逆冲性断层，破 碎带宽度约为 100 m，物质为压碎闪长岩和少量断层 泥砾。在雅鲁藏布江左岸断层东侧发育一错落体，洞身范围内表层被第四系地层覆盖，迹象不明显。( 3) f11 断层: 与洞身相交于 DK120 + 950 DK121+340，断层产状 N19 W /20 30 S，为压扭性断 层，破碎带宽度为 300 380 m，物质为断层泥砾及压 碎闪长岩。该断层在航片上形迹明显。在雅鲁藏布江左岸 G318 国道边山坡坡面陡坎下，断层西界为闪长 岩，东界被第四系地层覆盖，迹象不明显。2. 3地热异常3勘察阶段，物 探 揭 示 隧 址 区 DK117 + 700 DK120 +400 段闪长岩视电阻率多为 100 500 m， 为了验证低电阻率区岩体完整程度，初测时在118 + 112 右 189. 4 m 布置 D1Z545 深孔钻探，钻进过程中， 在孔深 37 m 处开始有热气冒出，手放在孔口感觉温 暖，不烫手，此种气体为无色、无味、不燃气体，终孔后 经测试显示该孔最高温度为 54 ，隧道洞身位置温度 为 45 ; 为此在DK118 +276 右 204. 5 m 布置 D1Z 546 深钻孔进一步核查，终孔后经测试该孔最高温度 为 57. 7 ，隧道洞身位置温度为 43 。两孔的地温 值均高于 28 ，且钻孔中未见水，因此隧址区地热异 常表现形式为缺少水分的干热岩石型4。由此分析: 隧址区岩体裂隙较发育，地热在裂隙中流通，引起地温 上升，岩体温度高成为影响岩性视电阻率较低的主要 原因。3地热分布特征和规律针对该隧道洞身通过地热异常区，高地温对隧道第 7 期杨新亮拉日铁路吉沃希嘎隧道地热异常特征与防治措施分析109施工和运营会造成一定的影响，为了查明地下不同深 度地温值变化规律，在地热异常段布置完成了 17 个勘 探测温孔，其中孔深大于 l00 m 的深孔 4 个，其余为浅 孔，孔深 70 90 m，同时在每个钻孔采用热敏电阻仪 进行了为期 1 个月的测温工作。为保证数据的准确， 在测温中大多数钻孔均在同一月份里进行了 4 次测量，具体 而言，钻 孔成孔时测温 1 次，在 成孔后 7 d、 15 d、30 d 时各测温 1 次，共计测温 4 次。同一孔中， 在同一深度每次测温 2 遍，当 2 遍测温数据值相差较 大时，再补测 1 遍。每个测温孔在隧道洞身部位测温 点间距 2. 5 5 m，其余部分测温点间距 5 10 m，测温 钻孔一览见表 1。总编号钻孔位置表 1 测温钻孔一览孔内最高地温梯度在隧道洞身里程偏移 / m温度 / / ( /100 m)位置温度 / BDZ435DK117 +4181053758. 372. 852. 150. 420 21. 5BDZ436DK117 +500943772. 37152. 946. 421 22. 7BDZ437DK117 +7341153818. 482. 455. 350. 842. 7 43. 5BD3Z85DK117 +75083825. 476. 545. 044. 244. 7 45BD3Z86DK117 +85083848. 1105. 248. 452. 144. 5 44. 9D1Z546DK118 +276204. 53836. 5110. 157. 748. 0( 70 m 以上)41. 5( 70 m 以下)42. 5 43BD3Z88DK118 +400403832. 880. 346. 032. 828. 6 30. 5BD3Z89DK118 +56083804. 772. 837. 548. 736. 1 37. 5JWZ1DK118 +7072123856. 5110. 565. 436. 941. 7 42. 9BD3Z90DK118 +75083813. 573. 657. 253. 445. 3 48BD3Z91DK119 +48083821. 670. 847. 542. 539. 6 41. 6BDZ437 1DK119 +7451293753. 070. 646. 035. 949. 6 50BD3Z93DK120 +63083856. 388. 525. 09. 624. 1 25JWZ2DK120 +7651253907. 2150. 232. 422. 624 24. 7BD3Z94DK120 +900838678221. 611. 521 21. 6BD3Z95DK121 +240303865. 98818. 22. 218 18. 2BDZ438DK121 +517163787. 373. 413. 23. 318. 5 19孔口高程 / m终孔孔深 / m选取 F43 断层带中 BD3Z85 钻孔和 f26 断层带 附近 BD3Z90 钻孔测温数据，分别绘制深度温度曲 线，不同深度同一个测温周期绘制成一条曲线，各孔绘 制形成 4 条曲线，如图 2、图 3 所示。图 2 BD3Z85( DK117+750 左 8 m) 测温曲线图 3 BD3Z90( DK118+750 左 8 m) 测温曲线从图 2、图 3 可以得出如下结论。( 1) 地温异常区深度温度曲线呈线性变化，即 在测温范围内温度随着深度的增加基本呈线性增长。由钻孔 BD3Z85 和 BD3Z90 实测地温数据和测温曲 线，分别拟合出线性方程为 T = 15 + 0. 442h、T = 20 + 0. 534h。( 2) 每个深度不同周期测温值略有变化，而求出 平均值就能很好地反应钻孔所测的实际地温，并在一 定程度上能够消除由于外界因素干扰而产生的误差。 ( 3) 地温梯度值与深度-温度线性斜率一致。具 体而言: 地温梯度 Gradt( / m) 的确定，是按孔内测量 的原始数据剔除异常数据后，按 4 次测温的加权平均值进行如下运算Gradt = ( 珔T1 珔T2 ) / H( 1)式中，珔T 为某一深度温度的加权平均值; H 为深 度的增加值。运用公式( 1 ) 可以计算出 17 个测温钻孔的地温 梯度，各钻孔地温梯度如表 1 所示，其中 BD3Z85 和 BD3Z 90 的地温梯度值分别为 44. 2 /100 m、53. 4 /100 m，与上述( 1) 中的线性方程斜率( 按百米 换算后) 一致。( 4) 根据对测温资料的计算分析，大气影响深度110铁 道 标 准 设 计第 58 卷在 8 18 m。吉沃西嘎隧道在大气影响深度以下，垂 直地温梯度最大值为 53. 4 /100 m，最 小值为 2. 2 /100 m，平均值为 13. 6 /100 m。4地温分级预测4. 1地温值预测隧址区线路方案优化时会引起路肩高程的变化， 而有些钻孔的孔底高程达不到比选线路路肩高程，为 了预测钻孔孔底以下的地温值，依据深度-温度曲线呈 线性变化的规律，采用地温梯度预测法计算温度值7T = T + HGradt( 2)式中T预测的温度， ; T已知深度的实测温度， ; H相对深度，m;Gradt地温梯度， /100 m。实际上公式( 2 ) 与深度-温度线性方程一致，运用 该公式可以求出深度-温度曲线呈线性变化的钻孔孔3 条断层及数条节理密集带通过，勘察阶段测温孔共 计 17 孔，测温资料显示，地温分布规律大致是吉沃西 嘎隧道进口端温度高，然后进入地温异常区，最高地温 在 50 以上，之后线路路肩地温逐渐降低，在隧道出 口处降至 20 以下，除出口端外，洞身段地温异常，属 典型的高原地热隧道。结合隧址区 17 个测温钻孔洞 身部位温度实测值或预测值，分析该隧道 DK117 + 520 DK120 +370 段，隧道路肩部位的地温( 岩温) 值在 28 60 之间，考虑测温数据的局限性、地温梯 度变化的急剧性等，因 此，不排除局部地段地温 ( 岩 温) 值高于 60 的可能性。鉴于目前铁路隧道洞身地 温分级标准尚无规范规定，参照表 28，吉沃希嘎隧道 地热异常区分级预测结果见表 3。表 2 拉日铁路隧道洞身地温带分级 序号温度 / 地温带分级 128常温带228 37低温带( )37 50中高温( 1) 带底以下 30 m 内各深度的温度值，为此，求出 17 个钻孔337 6050 60中高温( 2) 带在贯通方案吉沃希嘎隧道洞身部位的温度值。4. 2地热异常区分级预测吉沃希嘎隧道洞身岩性主要为闪长岩，洞 身有460 80高温带( ) 580极高温带( ) 表 3 吉沃希嘎隧道地热分级预测序号起讫里程长度 / m预测轨底温度 / 地温带分级1DK117 +520 DK117 +5402028常温带2DK117 +540 DK117 +67013028 37低温带( )3DK117 +670 DK117 +91024037 45中高温带( 1)4DK117 +910 DK118 +10019050 60中高温带( 2)5DK118 +100 DK118 +52042037 45中高温带( 1)6DK118 +520 DK119 +04052050 60中高温带( 2)7DK119 +040 DK119 +33029028 37低温带( )8DK119 +330 DK119 +87054037 50中高温带( 1)9DK119 +870 DK120 +37050028 37低温带( )10DK120 +370 DK121 +494112428常温带综合评价，该隧道地热以低温中高温带为主。5地热成因分析5. 1区域地热地质背景吉沃希嘎隧道位于拉日铁路雅鲁藏布江峡谷区色 麦仁布段，处于雅鲁藏布江缝合带，并近垂直穿过那 曲当雄( 羊八井) 尼木多庆错高地温活动带的 南部5，隧址区断裂构造发育，新构造活动强烈，这些 纵横交错的构造断裂系统，为地下热流体提供了储存 空间，也为深部热源向上传输热量和地下热流体的循 环提供了一定的运移通道，直接控制了地热显示区的 形成。因此，隧址区地热分布主要受断裂构造控制，且 隧道洞身高温段一般位于岩体破碎、裂隙发育的断裂 破碎带附近。5. 2 空间上地热异 常区形成与断裂构造带关系 密切6由吉沃希嘎隧道地温分布特征可知: 线路在经过 该隧道时遇到地温异常区，该区域下部存在局部热储 层，这与隧址区分布的 3 条断层( f11 、f26 和 F43 ) 密不 可分。 据 测 温 钻 孔 资 料 显 示，f11 断 层 小 里 程 端 BD3Z91 钻孔路肩高程地温值在 39 以上，而大里 程端 BD3Z95 钻孔路肩高程地温值仅为 18 ，由小里程至大里程方向，在 f11 断层两侧隧道地温由 39 以上迅速降至 20 以下，因断层走向近南北向，该地 温异常区在线路附近的地温自东向西迅速降低，综上 所述推测 f11 断裂为一条隔热断裂; 另外，隧址区最高 地温出现在断裂构造 f26 和 F43 附近，由 此推测这 2 条断裂为导热断裂，并提供了地表和深部热源的沟第 7 期杨新亮拉日铁路吉沃希嘎隧道地热异常特征与防治措施分析111通渠道，也可能是沿断裂发育的带状热储层。 因此，断裂对地热的控制作用显著，隧址区地温异常段线位选择应尽可能远离热储层的中心区域及导热 断裂 f26 和 F43 ，并尽量在 f11 断裂的上盘通过，以保 证线路能够顺利通过高地温异常区。5. 3 岩性上地热形成往往与岩浆岩伴生隧道洞身和雅鲁藏布江南北两岸岩性为燕山喜 山期闪长岩、花岗闪长岩，这些浅成侵入体的一部分沿 张性为主的活动构造带中的滑脱层作超浅成上侵，从 而形成构造诱发热的条件，是隧址区地热发育的另一 个原因，因此，地热往往与燕山喜山期闪长岩和花岗 岩伴生，较其它岩体密切。6 高温热害防治措施地热是吉沃希嘎隧道施工中的主要地质问题，对 隧道的施工、结构及后续运营安全均有一定的影响。 一方面地热的存在将恶化施工环境，增加施工难度; 另 一方面高地温产生的附加温度应力可能引起衬砌开 裂9，对结构的安全及耐久性不利; 另外，地热的存在 对铁路隧道的安全运营也有一定的影响。借鉴国内外 高温隧道施工有关降温措施，针对吉沃希嘎隧道地热 分布范围、特征及地热异常区地温带分级情况，对适合 该隧道高温热害防治措施分析如下。( 1) 设计中充分考虑地热问题 选择耐高温的材料，对机具、人员充分考虑防热措施，并重视混凝土的耐久性问题; 考虑高原缺氧、洞内 通风的局限性，优化设计方案，使施工尽量采用机械化 作业，最大限度地减少人工作业。( 2) 施工中加强超前地质预报由于地热成因及分布的复杂性，受勘察手段及地 形条件的限制，勘察期间很难完全准确预测高温热害 分布，因此，在施工中要加强超前地质预报和动态监 测，通过超前水平钻孔或加深炮孔，并在孔内测温，预 测前方是否有热水、热气，以确保施工安全，同时为地 热防治提供依据。( 3) 通风降温10增加风量可以大大降低空气的含热量，是一种有 效的降温措施。通过通风进行热交换，降低掌子面温 度，确保施工正常进行，施工中若遇高岩温，可增设横 洞或在横洞口、正洞口设置大风量通风设备，向工作面 送风，以改善隧道内的作业环境。( 4) 人工制冷降温11-12当采用加强通风仍不能有效降低温度，可采取人 工制冷降温，按制冷机的容量和设置位置大 致分为 2 种，一种为独立移动式制冷机，在各工作面实施局部制冷; 另一种为大型制冷机安装在隧道外的集中固定 式制冷，即通过制冷机在隧道口冷却进风的直接制冷 方式以及制冷机的冷水用送水管送往工作面附近与移 动式热交换器配套，组成局部冷却的分散制冷方式。( 5) 合理的开拓方式降温 开拓方式不同，送风线路长度不同，则风流到达工作面的风温也不同。一般情况下，分区式开拓可以大大缩 短送风线路长度，从而降低送风流到达工作面前的温升。 因此，针对隧址区地热分段分级预测结果，不同地 温带采取不同的措施，常温带不需加强降温措施; 低温 带( ) 应加强通风降温措施，中高温带( 1、2) 采 取通风降温及人工制冷降温等 2 种以上措施，并注意采用合理的开拓方式。7结语( 1) 隧址区地处喜马拉雅地热带，位于印度板块 俯冲至欧亚大陆之下的板块缝合带。地热活动与新生 代岩浆岩的伴生，为现代地热活动提供了热源并构成 热储的通道，而自早第三纪始，持续不断的板块构造运 动使隧址区地热活动较为活跃。( 2) 隧址区测温钻孔深度-温度曲线大致呈线性 变化，地温随着深度增大而明显升高，通过对路肩高程 附近钻孔测温数据分析，吉沃西嘎隧道洞身地温异常 区最高温度可达 50 以上。( 3) 施工期间，应继续布置测温钻孔及平洞勘探， 研究隧址区断裂对地下热流及地热场控制特征，并加 深物探工作，进一步研究物探低阻段与地温异常段之 间的关系。( 4) 由于高原地热隧道在我国并不多见，因此，建 议对高原地热隧道在衬砌结构及衬砌支护材料等方面 开展相关专题研究，以保证隧道衬砌结构和运营安全。 参考文献:1 中华人民共和国铁道部 TB 100122007 铁路工程地质勘察规 范S 北京: 中国铁道出版社，20072 中铁第一勘察设计院集团有限公司 吉沃希嘎隧道工程地质勘察 报告 西安: 中铁第一勘察设计院集团有限公司，20103 中铁第一勘察设计院集团有限公司 新建铁路拉萨至日喀则铁路 初步设计地质篇 西安: 中铁第一勘察设计院集团有限公 司，20104 沈玲玲 高黎贡山地区地热异常特征及对隧道建设影响的初步研 究D 成都: 成都理工大学，20075 李金城 拉日铁路地热隧道方案比选研 究J 铁道工程学报，2011( 4) : 42-466 侯新伟，等 大瑞铁路高黎贡山隧道热害评估J 铁道工程学报，2011( 5) : 60-647 宋凯 西藏沃卡温泉形成条件及对隧道工程影响研究D 成都: 成都理工大学，2011第 58 卷 第 7 期2014 年 7 月铁 道 标 准 设 计AILWAY STANDAD DESIGNVol 58 No 7 Jul 2014文章编号: 1004-2954( 2014) 07-0112-04超高回填明洞设计探讨旷文涛( 中铁二院工程集团重庆公司，重庆 400023)摘 要: 由于超高回填明洞设计缺乏理论指导及既有工程实例作为参考，对其研究具有重要的工程实际意义。通 过数值模拟及理论分析对明挖法和盖挖法明洞工程结构受力进行了对比分析，结论如下: 2 种施工方法明洞结构受 力有着本质的不同，明挖法竖向土压力为静止土压力，盖挖法竖向土压力为主动土压力; 由于受力、结构的限制，明 挖法修建超高回填明洞是不可行的; 盖挖法超高回填明洞竖向压力大大减小，其值不受回填土高度变化影响，是修 建超高回填明洞的有效方法。关键词: 超高回填; 明洞; 明挖法; 盖挖法; 土压力中图分类号: U452. 2 文献标识码: A DOI: 10 13238 / j issn 10042954 2014 07 026Design esearch on Open Cut Tunnel Having Ultra-high BackfillKUANG Wen-tao( Chongqing Branch，China ailway Eryuan Engineering Group Co ，Ltd ，Chongqing 400023，China)Abstract: There are shortages of theoretical guidance and existing engineering examples which can be used as reference in the design of open cut tunnel having ultra-high backfill Therefore research on this kind of tunnel has important and practical significance Through numerical simulation and theoretic analysis，this paper carried out comparative analysis on the structure performance of the open cut tunnel excavated respectively by cut-and-cover method and by covered top-down method Then this paper come to the conclusions: ( a) The stress states of the open cut tunnel respectively by using the two excavation methods are different in nature，becaus