拉日铁路地热隧道方案比选研究

1、拉日铁路地热隧道方案比选研究2011年4月第4期(总151)铁道工程journalofrailwayengineeringsocietyapr2011no.4(ser.151)文章编号:10062106(2011)04004205拉日铁路地热隧道方案比选研究李金城(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安710043)摘要:研究目的:通过对拉日铁路地热隧道不同的地质,地热条件的分析,确定地热隧道线路方案的选线原则,并为地热隧道线路方案的选择和完善提供依据.研究结论:从选线来看,拉日铁路色麦至仁布段地热隧道具有典型的高原山区河谷地热铁路选线的特点.选线时,线路要尽量绕避雅江两岸的滑坡,错落,泥石流,

2、岩堆,危岩落石,断层等不良地质现象,特别是要绕避地热发育地段;线路要尽量与地热分布带大角度相交,以最短距离通过.选出的线路应符合安全,可靠,合理,经济的的原则.关键词:拉日铁路;地热;铁路选线;隧道中图分类号:u25文献标识码:aresearchonlocationofgeothermictunneloflhasarikazerailwaylijin-cheng(chinarailwayfirstsurveyanddesigninstitutegroupltd.,xihn,shanxi710043,china)abstract:researchpurposes:throughtheanalys

3、isofthegeologicandgeothermicconditionsofthegeothermictunneloflhasarikazerailway.theprincipleofchoosingthelocationofthegeothermictunnelofthelhasarikazerailwayisdeterminedforprovidingthebasistodeterminethelocationofthegeothermictunne1.researchconclusions:fromtherailwayalignment,thelocationsofthegeothe

4、rmictunnelsinthesectionbetweensemairenbuofthelhasarikazerailwayareintheplateauandmountainareaswithvalley.therailwavalignmentshouldbeawayfromtheplacesoflandslide,mudflow,talus,rockfallingandfaultasmuchaspossible.especiallythealignmentshouldbeawayfromthegeothermicdevelopmentarea.thetrackshouldcrossthe

5、geothermiczonewithbigangleandpassesthroughthezonebytheshortestdistance.asafe,reliable,reasonableandeconomicalignmentisdetermined.keywords:lhasarikazerailway;geothermic;railwayalignment;tunnel拉13铁路位于青藏高原西南部.线路起于拉萨车站,沿拉萨河南岸经协荣村至曲水县,溯雅鲁藏布江而上,至色麦后进入雅鲁藏布江峡谷区,经大竹卡,吉琼越岭,顺年楚河而下,抵至et喀则市.线路全长253km左右.色麦至大竹卡峡谷区

6、位于藏南高温水热活动区,那曲一当雄(羊八井)一尼木水热活动带的南部.拉日铁路经过色麦至仁布地热地段长约58km.该地段水热显示有温泉,温热泉,热泉,泉华,盐化,冒汽地收稿日期:20101220作者简介:李金城,1963年出生,男,教授级高级工程师.面等类型,共有水热显示区30处,泉水10处.该地热带中泉水平均温度为60.7,最高为91.3oc.该地热活动带走向与线路走向为大角度相交,因而线路无法完全绕避该地热活动带.1地热地区地质概况拉日铁路色麦至仁布段,位于雅鲁藏布江缝合带与当雄一羊八井一尼木一多庆错活动构造带的交汇部第4期李金城:拉日铁路地热隧道方案比选研究43位,新构造运动强烈,地震活动

7、十分频繁.在雅鲁藏布江缝合带两侧,存在燕山期一喜山期形成的十分活跃的现代岩浆岩体.因此,水热活动,地温异常与地震,活动构造等关系密切.本段岩性主要以闪长岩为主,岩质坚硬,节理发育,岩体表面较破碎;峡谷区构造发育,主要发育有fl一1,f21,f22,f23,f31,f41,f42,f43,f44等大断裂,其支断裂亦较发育,部分断裂走向与线路走向大致相同,对线路方案有一定影响.本段的不良地质主要为滑坡,错落,岩堆等,对线路方案有影响的主要为帕当山错落,甫当隧道出口滑坡及吉沃西嘎岩堆.高地温是本段最主要的工程地质问题,目前已测得帕当山隧道雅江边热泉温度达77,吉沃希嘎隧道深孔测温达6o,达嘎山隧道江

8、边热泉温度308o,沿线涉及地热的隧道共计8座.2地热活动区铁路选线原则及基本线路方案研究拉日铁路在峡谷区地热地段沿雅江两岸主要以桥隧相连方式通过.雅江两岸滑坡,错落,泥石流,岩堆,危岩落石,断层等不良地质现象多有分布,线路在考虑绕避以上不良地质现象的基础上,其选线原则是尽量靠近雅江,同时拔高线路标高;隧道靠近地面,以降低线路附近岩体温度.在控制沟谷或可能出现地热的断层附近分别以浅埋隧道,明洞或明线等工程措施通过,缩短横通道的长度,也便于对地热进行处理.拉日铁路在峡谷区地热地段选线时,基本线路方案主要有:2.1明线方案线路靠近雅江,在沟谷或控制断面位置以桥,路,明洞等明线方式通过,对地热的处理

9、效果明显.同时隧道在沟心处露头,形成了短隧道,对隧道采用自然通风比较有利.明线方案存在的主要问题是明线处危岩落石防护及桥梁,明洞等施工场地困难,施工及运营安全性差.沟谷附近部分浅埋隧道拱顶位于覆盖层,工程设置困难.隧道长大段落处在浅埋偏压地段,洞口桥隧相连,边坡防护工程增大.边坡陡峻,明洞地段桩基施工困难,工序复杂,明洞整体结构稳定性差.2.2傍山隧道方案该类隧道一般为傍山浅埋隧道,线路靠近雅江,地热处理措施效果明显.同时缩短了横通道的长度,便于处理施工中遇到的地热问题.浅埋隧道在控制性沟谷内部分拱顶位于覆盖层,明挖施工危岩落石风险大,防护费用大大增加;而暗挖施工拱顶部分围岩差,易造成塌方,施

10、工风险大,隧道衬砌及支护量大.同时浅埋偏压段落较多,部分段落需采用护拱方案施工.2.3浅埋隧道方案线路靠近雅江,地热处理措施效果明显.同时缩短了施工横通道的长度,便于处理施工中遇到的地热问题.同以上两类方案地热环境基本相当,横通道长度差别不大,但和深埋隧道相比,则大大改善施工及运营条件.拱顶位于覆盖层以下,浅埋段落短或无浅埋,大部分段落无偏压,洞身位于基岩中,结构受力好,施工及运营均较安全.从以上普遍性分析,三个方案均靠近雅江,其地热环境基本相当,地热处理效果有明显改善.浅埋隧道方案浅埋及偏压段落短或无浅埋,无偏压,洞身位于基岩中,结构安全性较好,危岩落石影响最小,施工及运营安全性好.因此,在

11、地热环境没有本质区别的情况下,原则是尽量采用浅埋隧道方案.3地热隧道主要应对措施3.1辅助坑道设计峡谷区地质条件复杂,隧道洞口施工场地困难.在地热隧道内尽量选取顺坡横洞作为辅助坑道,一方面通过横洞解决施工工期问题;另一方面在施工地热地段时,可以通过水泵将雅鲁藏布江内的冷水抽至洞内,使其与洞内的热水进行热交换后排出隧道,以减少洞内热水的温度.3.2加强施工通风铁路隧道施工规范(tb10204-2002)规定:隧道施工过程中,隧道内的空气温度不得高于28.根据对国内外隧道的调查统计,目前涉及地热的隧道,常规处理措施为加强施工通风.通过通风进行热交换,降低掌子面温度,确保施工正常进行.依据工程类比,

12、拉日铁路对于岩温较低的隧道拟采用加强通风的方式进行降温处理;施工中若遇高岩温,可在横洞口或洞口设置大风量通风设备,向工作面送风,满足铁路隧道施工规范要求.3.3超前地质预报工作由于色麦至仁布段线路位于雅鲁藏布江峡谷区,隧道地质条件极其复杂,影响隧道施工的地热温度,地下水的流量,地下水的温度,有害气体的浓度等情况难以掌握,为了减少或避免灾害性地质现象的发生,必须进行超前地质预报.施工阶段应采用多种技术方法进行综合超前地质预报,如地质素描,物探,超前水平钻等.4隧道方案研究沿线涉及地热的8座隧道分别为色麦村隧道(6698m),甫当隧道(7468m),帕当山隧道(3036in),萨嘎隧道(29791

13、31),吉沃希嘎隧道(4070m),康萨村铁道工程2011年4月隧道(3963m),达嘎山隧道(7189m)及盆因拉隧道(10415m).根据钻探及物探地质资料,色麦村隧道及盆因拉隧道存在地热的可能性不大.我们结合地热隧道的主要应对措施,主要从纵断面设计考虑地热问题,从而进行地热选线.4.1甫当隧道4.1.1地热情况甫当隧道出口端左侧雅江边发现热泉1处,温度44.在隧道出口钻孔测温(孑l深53.4m),最高温度40.隧道洞身的v8测试在dk97+500dk98+300段有低阻带,据此推断,本隧道可能存在地热问题.4.1.2方案研究此段控制点是d4k98+450及d4k99+050两处泥石流沟及

14、隧道出口滑坡.根据沟内工程设置情况,研究了三个方案.三个方案通过的地层岩性及构造基本相同,岩性均为闪长岩,局部为坡积碎石土,通过的断层主要为f21,f22,f31及数条支断裂.d4k98+450及d4k99+050处南,中,北三个方案分别以桥,傍山隧道和浅埋隧道通过.三个方案相距较近,其地质条件基本相当,从地热处理角度来说,相差不大.4.1.2.1南方案隧道靠近雅江,对地热的处理效果明显.隧道在沟心处露头之后,形成了三个短隧道,对隧道采用自然通风比较有利.但南方案存在的主要问题是危岩落石防护及桥梁施工场地困难,施工及运营安全性差.同时南方案在d4k98+550,d4k98+610,d4k99+

15、000等段落拱顶距地面约2rn,部分位于覆盖层,在d4k99+054处为傍山明线.南方案d3k98+780d3k98+920段隧道洞身位于第四系坡积层中,工程设置困难.同时隧道长大段落处在浅埋偏压地段,长度约500m.洞口桥隧相连,边坡防护工程范围增大.边坡陡峻,明洞地段桩基施工困难,工序复杂,整体结构稳定性差.4.1.2.2中方案中方案为傍山隧道,隧道靠近雅江,地热处理措施效果明显.同时缩短了施工横通道的长度,便于处理施工中遇到的地热问题.两个沟内拱顶均位于覆盖层,拱顶距地面仅12m.明挖施工危岩落石风险大,浅埋偏压较严重,浅埋段落长约110m.有约30m需采用护拱方案组织施工.护拱施工由于

16、受到周围地形及地质情况的限制,施工比较困难.4.1.2.3北方案北方案为浅埋隧道,拱顶距地面510rn,均位于覆盖层以下.浅埋段落最短,仅约20m.北方案隧道埋深18m以上,大部分段落无偏压,洞身位于基岩中.隧道靠近雅江,地热处理措施效果明显.同时缩短了施工横通道的长度,便于处理施工中遇到的地热问题.隧道埋深除50in断面拱肩厚度范围在518m以外,其余地段埋深均大于18m.4.1.3综合评价及推荐意见甫当隧道方案综合评价对比如表1所示.根据以上分析,三个方案均靠近雅江,其地热环境基本相当.但南,中方案的主要问题是危岩落石防护及桥梁或明洞施工场地困难,施工及运营安全性差,部分拱顶位于覆盖层,部

17、分段落隧道洞身位于第四系坡积层,工程设置困难.同时隧道大段落浅埋偏压,洞口桥隧相连,边坡陡峻,明洞地段桩基施工困难,整体结构稳定性差.因此,甫当隧道推荐采用北方案,该方案地热环境差别不大,浅埋段落短,无偏压,洞身位于基岩中,结构安全性较好,危岩落石影响小.表1甫当隧道方案综合评价对比表线路桥隧控制段浅埋隧道边坡危长度总长最大偏压结构岩落石埋深长度/km/km安全性影响/m/m北方案8.597.959020较好较小中方案8.597.958835较差较大南方案8.617.9828505差大4.2帕当山隧道4.2.1地热情况隧道洞身右侧雅江边出露一热泉,泉水温度高达77.在该泉水上方钻孔测温中(孔深

18、47.9m),孔内最高温75.6,且位于断层带附近.据此推断,该隧道可能存在地热问题.4.2.2方案研究此段影响线路方案的控制因素主要是地热及帕当山错落.控制点为dk107+100附近两处错落体及dk107+420处断层沟.4.2.2.1北方案线路在dk107+420处断层沟内控制为傍山浅埋隧道,拱顶紧贴地面,位于覆盖层内.该段约525m位于错落体或受错落影响,地质条件及工程设置条件均较差.4.2.2.2南方案线路从dk107+100处错落体后缘通过,错落体对隧道工程基本无影响,在dk107+420处断层沟内拱顶离地面35ill.4.2.3综合评价及推荐意见帕当山隧道方案综合评价对比如表2所示

19、.南,北两个方案地热环境相当,北方案断层沟内为傍山浅第4期李金城:拉日铁路地热隧道方案比选研究45埋,偏压隧道,拱顶位于覆盖层内,明挖施工危岩落石风险大.沟内边坡陡峻,浅埋隧道整体结构稳定性差.部分段落位于错落体或受错落影响.南方案靠近雅江,绕避了帕当山错落,洞身通过f41断层.因此,帕当山隧道推荐南方案为贯通方案.表2帕当山隧道方案综合评价对比表线路桥隧控制段浅埋隧道长度总长最大偏压结构埋深长度/km/km安全性/m/111北方案5.354.47o50差南方案5.374.4933o较好4.3萨嘎隧道4.3.1地热情况在萨嘎隧道出口钻孔测温中(孔深50m),孔内最高温51.6oc,且物探显示洞

20、身有低阻带.因此,隧道可能存在地热问题.4.3.2方案研究该段控制因素是南岸f44断层和沿线泥石流沟.该断层地貌明显,沿断层有泉水出露,雅江南岸与线路方案有关系的泥石流沟共有11条.线路在沿线泥石流沟内控制标高,并尽量远离断层,靠近雅江.4.3.2.1南岸方案隧道进出口良好,洞身小段落与断层平行.但南岸方案隧道靠近雅江,埋深较浅;与公路同侧,有利于施工.4.3.2.2北岸方案线路提前跨江,隧道大部分走行在雅江北岸.线路在隧道出口端进人断层及其影响带范围内,长度约900in.同时出洞后为长大段落的顺河桥,坡面较陡且两次与国道相交.4.3.3综合评价及推荐意见两个方案的地热环境没有本质区别.南岸方

21、案在泥石流沟内埋深较浅,存在一定的浅埋及偏压;而北岸方案更靠近断层,浅埋及偏压严重.综合考虑,推荐远离断层,浅埋及偏压不太严重的南岸方案.4.4吉沃希嘎隧道4.4.1地热情况在吉沃希嘎隧道dk118+600ii1处钻孔(孔深110m),孔内最高温65.4cc,整个隧道物探反应为低阻带.该隧道存在地热问题.4.4.2方案研究此段控制因素是雅江桥位及公路北侧一处错落,两处岩堆.线路方案在跨越雅江后,尽量靠近江边,其标高控制点是diik118+940及diik119+860两处凹沟和沿线错落与岩堆.南,中,北三个方案相距分别为18m和27nl,其地热环境基本相当,但沟谷内埋深有所差别,浅埋,偏压段落

22、长度有所不同.南,中,北三个方案在diik118+940处埋深分别为10m,21m和40m,在diik119+860处埋深分别为12ilq,19m和36m.4.4.3综合评价及推荐意见在该隧道洞身分布的三处不良地质中,其中两处岩堆对方案影响较大,特别是dk119+100处大型错落.根据现场调查及横断面分析,南,中两个方案在dk119+000+200段隧道洞身位于岩堆中,工程设置有一定的风险.也就是说,北方案靠近雅江,有利于地热处理,同时又避免了岩堆对工程的影响.从隧道设置角度而言,北方案隧道控制断面均位于基岩中,且埋深较大,地质条件好,南,中两个方案分别有650m和450in段落浅埋偏压,厚度

23、在118ill;同时南,中两个方案分别有310m和240ii1位于碎石土中,隧道施工困难,风险大,隧道结构整体稳定性差,增加了运营及维护风险.综合分析,推荐采用浅埋不偏压的北方案.吉沃希嘎隧道方案综合评价对比如表3所示表3吉沃希嘎隧道方案综合评价对比表线路桥隧控制段浅埋隧道边坡危长度总长最大偏压结构岩落石埋深长度/kin/km安全性影响/m/ill北方案10.5810.07300较好较小中方案1o.5810.0613450较差较大南方案l0.5910.072650差大4.5康萨村隧道4.5.1地热情况康萨村隧道物探显示,其电阻率较低,因此,不排除存在地热的可能.4.5.2方案研究4.5.2.1

24、雅江北岸隧道方案隧道走行在雅江北岸,与断层及其影响带平行.洞身通过f23,f33等4条断裂,工程地质条件较差,且隧道出口存在多处泥石流冲沟.4.5.2.2两跨雅江方案该方案自康萨村隧道进口引出,为绕避断层及其影响带,线路在断层影响带前折向西南,一跨雅江到其南岸,并从塔拉村南侧台地以路基工程通过.由于考虑在雅江北岸新卓北村北侧台地设站,因此线路在进站前再次跨越雅江至新卓北村北侧台地上设卡如车站46铁道工程2011年4月优点是大部分地段以明线通过,基本消除了地热的影响,而且绕避了断层及隧道出口的泥石流沟,地质条件较好.缺点是该段为8度地震区,两跨雅江均采用大跨结构,桥高近70m,一跨雅江桥梁大里程

25、端边坡较陡.4.5.3综合评价及推荐意见综合分析,隧道方案可能存在地热影响及泥石流等不利因素,而两跨雅江方案并不存在大的技术问题,且工程投资与隧道方案相当(未考虑隧道方案地热处理费用).故推荐两跨雅江方案.4.6达嘎山隧道4.6.1地热情况318国道gk4778附近江边3处热泉温度分别为58,76和8oc【=,其中58热泉附近测温孔温度最高达64,同时物探显示在dk132+300断层带附近有低阻现象.因此,该隧道可能存在地热问题.4.6.2方案研究考虑该隧道在断层附近可能存在地热问题,结合隧道进口泥石流沟及隧道出口岩堆等不良地质的分布,在断层附近研究了南,中,北三个傍山隧道方案.三个方案在可能

26、出现地热的断层附近靠近雅江,隧道埋深也相对较浅.此段标高控制点是dk132+600附近凹地,三个方案在此处的埋深分别是5m,15m和42m,也就是分别为拱顶外露,拱顶距覆盖层2m和30m.此段可能出现地热的控制断面是diik132+183处,三个方案拱顶距覆盖层的厚度分别为0m,8m和32m左右.4.6.3综合评价及推荐意见这三个方案地热环境相当,地层岩性及构造基本相同.北方案隧道埋深最大,控制断面均在基岩中,不存在浅埋及偏压,地质条件好;而中方案条件一般,南方案最差.另外,从隧道进口至断层间,目前未发现地热异常现象,因此三个方案在此段落内尽量取直,以缩短隧道长度.总之,在地热环境没有本质区别

27、的情况下,尽量避免隧道长段落的浅埋,偏压,因此推荐北方案.质,地热条件的分析研究,合理确定了地热隧道线路方案的选线原则及线路基本方案.(1)拉日线在峡谷区地热地段沿雅江两岸主要以桥隧相连方式通过.线路尽量绕避雅江两岸的滑坡,错落,泥石流,岩堆,危岩落石,断层等不良地质现象,特别是要绕避地热发育地段.当线路必须通过规模较大的地热地质体时,应选择地热边缘,构造简单,地热强度弱的地段.(2)拉日线地热分布带呈条状,线路尽量与地热分布带大角度相交,以最短距离通过.要特别注意:避免通过有温泉出露或古温泉地段.(3)线路尽量靠近雅江,在控制沟谷或可能出现地热的断层附近采取浅埋隧道方案,缩短横通道的长度;同时尽量拔高线路标高,减少隧道埋深,降低线路附近的岩体温度,以便于对地热进行处理.参考文献:1tb10204-2002,铁路隧道施工规范s.2345结论lj拉日铁路雅江峡谷区的选线,具有典型的高原山区河谷地热铁路选线的特点.由于通过的区域海拔高,河谷深,地质异常复杂,特别是分布有地热活动带,具有独特的地热,地质特征