焦國鋒

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

拉薩至日喀則(拉日)鐵路位于青藏高原南部，線路起于青藏鐵路終點——拉薩車站，沿拉薩河南下至曲水縣，折向西溯雅魯藏布江而上，進入雅魯藏布江峽谷區(qū)，經(jīng)尼木、仁布、大竹卡等地，出峽谷區(qū)后順年楚河而下，抵達日喀則市，線路全長約253 km，整個線路通過區(qū)屬于喜馬拉雅地熱帶的一部分。拉日鐵路色麥至仁布段位于雅江峽谷區(qū)，起訖里程ⅠDK87+696(色麥隧道進口)-ⅢDK145+170段(盆因拉隧道出口)，全長約57.5 km，勘測期間在雅魯藏布江兩岸發(fā)現(xiàn)熱(溫)泉10處，實測最高溫度達80℃，鉆孔內(nèi)最高溫度達76.3℃。該段線路設置隧道8座，總長約47.5 km，地溫對隧道的施工及運營安全有較大影響。

目前，國內(nèi)外對長大深埋隧道的高地溫問題研究得較多［1-4］，諸如大瑞線高黎貢山隧道、西康線秦嶺特長隧道以及瑞士境內(nèi)Loetschberg隧道和Saint Gotthard隧道等，但這些隧道的高地溫基本是在正常地溫梯度下形成的;而在埋深不大的高地溫區(qū)修建鐵路的先例并不多，可供借鑒的工程經(jīng)驗有限。

因此，有必要對拉日鐵路區(qū)域地溫場的空間分布規(guī)律進行深入系統(tǒng)的研究，這將為高地溫區(qū)修建鐵路積累寶貴的可供借鑒的工程經(jīng)驗。

1 地熱地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

拉日線色麥至仁布段位于雅魯藏布江峽谷區(qū)(見圖1)，該段高程3 700～4 800 m，相對高差500～1 100 m。地貌表現(xiàn)形態(tài)主要為河流下切強烈，岸坡陡峻，呈明顯的V形溝槽;兩岸零星分布殘留階地。線路通過雅魯藏布江峽谷區(qū)長約90 km，有國道G318線沿峽谷穿行，其間約15 km有橋梁或渡槽接通峽谷兩岸，無船只通行，兩岸交通連接極為困難。

圖1 雅魯藏布江高山峽谷區(qū)

1.2 地層巖性

拉日線雅魯藏布江峽谷區(qū)色麥至仁布段出露的地層主要有第四系松散堆積層、燕山期閃長巖。地層特征如下:第四系(Q)廣泛分布于沿線河谷、臺地、山間盆地及山前緩坡地帶，主要以沖積、洪積、崩積、坡積的碎石類土為主，局部有黏性土及砂類土，厚度差異較大，一般厚20～60 m。峽谷區(qū)山體風化嚴重，山腳崩塌堆積物遍布，峽谷區(qū)階地覆蓋層堆積物成分雜亂，多見巨型塊石。

雅魯藏布江峽谷區(qū)兩側(cè)大面積分布燕山期侵入的閃長巖，巖質(zhì)較硬，節(jié)理較發(fā)育。受構造及風化作用的影響，多形成陡峭地形，表層風化嚴重，巖體較破碎，見圖2。

1.3 地質(zhì)構造

圖2 燕山期閃長巖

本區(qū)涉及的Ⅰ級構造單元為岡底斯一念青唐古拉板片(南緣)、喜馬拉雅板片(北緣)和兩者之間的雅魯藏布江縫合帶。這些構造單元直接控制著本區(qū)沉積建造、巖漿活動、變質(zhì)作用及褶皺和斷裂構造活動，致使本區(qū)巖帶和主干斷層主要呈近東西向展布。

1.4 地震及新構造運動特征

線路位于青藏高原的西南部，新構造運動強烈，地震活動十分頻繁。根據(jù)中國地震局地殼應力研究所及西藏自治區(qū)地震局地震工程研究所做的《青藏鐵路延伸線拉日段鐵路工程場地地震安全性評價報告》，本地區(qū)歷史上記載有MS≥4.7級破壞地震145次，其中8級地震2次，7.0～7.9級地震4次，6.0～6.9級地震21次，5.0～5.9級地震74次。最大地震為1411年當雄南和1951年崩錯的兩次8級地震。自1970年以來，記錄到1 346次MS2.0～4.6級現(xiàn)代小震。

線路通過區(qū)新構造運動較活躍，印度板塊在新生代早期(漸新世—中新世)完成了雅魯藏布江縫合帶的拼合后，仍在向北運動，使得本區(qū)仍存在整體抬升、斜掀和差異性的上升運動。據(jù)大地水準測量資料統(tǒng)計，本區(qū)區(qū)域地殼平均每年垂直升降速率為9～10 mm(1957—1990年)，為歷次構造運動的累加平均值。河流強烈下切，構成高山峽谷地形，同時構造性的谷地和斷陷盆地均在下降，并接受了巨厚沉積［5］。

1.5 巖漿活動特征

本區(qū)以燕山期侵入巖體為主，燕山期侵入的巖體多以復式巖體形式出現(xiàn)，巖體多呈似橢圓形或圓形，僅東西向展布。斷裂構造控制著巖體的分布，其內(nèi)部一般有兩種或兩種以上巖石類型組成。一般邊部為較中性的巖石類型，中間為偏酸性的巖石類型，巖體曾多次脈動和涌動侵入。巖體以閃長巖為主，完整巖體巖質(zhì)較硬，節(jié)理較發(fā)育—發(fā)育，多形成陡峭地形，表層機械風化嚴重。但受構造影響嚴重的閃長巖體較破碎，表層多被切割成為碎塊狀。

1.6 水文地質(zhì)特征

受歐亞板塊與印度板塊碰撞作用的影響，研究區(qū)構造發(fā)育，而活動構造帶控制著熱水的分布，受深大斷裂的影響形成水熱異常區(qū)。同時，堆積的第四系松散沉積物、沉積地層、巖石裂隙構成地下冷水及地下熱水的儲存、運移場所。地下水主要以基巖裂隙水為主，補給來源主要為大氣降水，以降水入滲和冰雪融水入滲徑流補給，以泉或地表水體為排泄通道。

2 地表地熱活動顯示類型及特征

拉日鐵路垂直穿過那曲—當雄(羊八井)—尼木—多慶錯高地溫活動帶的南部，斷裂構造發(fā)育，新構造活動強烈，地熱地質(zhì)構造極其復雜。該區(qū)域地下熱水露頭溫度等值線分布圖見圖3。

圖3 地下熱水露頭溫度分布趨勢

水熱活動是在斷裂構造條件下，當大氣降水或者地表水滲入到地下，在局部巖漿熔融體侵入的不遠處形成熱傳導作用，對地下水加熱、運移至地表形成的。根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪，拉日鐵路沿線的水熱顯示有溫泉、溫熱泉、熱泉、泉華、鹽化、冒汽地面等類型。

根據(jù)國家技術監(jiān)督局頒布的《地熱資源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB 11615—2010)的相關規(guī)定，地熱資源按溫度分為高溫、中溫、低溫3類(見表1)。

2.1 溫泉及溫熱泉

拉日鐵路沿線，在地調(diào)過程中，僅在峽谷區(qū)色麥至仁布段，發(fā)現(xiàn)溫泉1處，泉水溫度34℃，泉水流量約2～3 m3/d，泉水距離線路約6 200 m，見圖4所示。

發(fā)現(xiàn)溫熱泉2處，泉水溫度在40℃ ～57℃之間，泉水流量在1～5 m3/d。泉水距離線路160～610 m不等，多見于雅魯藏布江岸邊、山坡的陡緩交界等部位。

2.2 熱泉

在沿線地調(diào)過程中，僅在拉日線峽谷區(qū)色麥至仁布段，發(fā)現(xiàn)熱泉群2處，即帕當山隧道洞身部位的右側(cè)熱泉群和達嘎山隧道洞身部位的左側(cè)溫泉群，泉水溫度在58℃ ～80℃之間，泉水流量在10～40 m3/d不等。泉水距離線路290～660 m不等，分別分布于雅魯藏布江南北兩岸。

表1 地熱資源儲層代表性溫度分級

圖4 溫泉

1)帕當山隧道洞身部位的右側(cè)熱泉群位于雅魯藏布江南岸邊，ⅢDK107+623右約275 m處，高出雅江約0.5 m。泉群沿雅江江邊15 m范圍內(nèi)分布，雅江的南岸邊多處有氣泡冒出，且冒熱氣。

該泉群主要由5處泉水組成，間距在2～10 m，水溫75℃ ～80℃，并伴有輕微的硫磺氣味，泉群流量40 m3/d，為下降泉。該泉群發(fā)育于近SN向斷裂構造帶附近，沿NE向次級節(jié)理帶形成構造上升泉群，并形成地熱水。

2)達嘎山隧道洞身部位的左側(cè)熱泉群位于定測線路ⅢDK131+830—ⅢDK132+300左側(cè)300～400 m(318國道里程K4777+700—K4778+000段左側(cè)50～100 m雅江江邊)。該處溫泉共有3處，高出雅江約1～10 m不等，有明顯的泉華現(xiàn)象，為上升泉。在雅江北岸江邊呈北西向串珠狀分布。溫度在58℃ ～80℃之間，冒有熱氣，伴有輕微的硫磺氣味，泉群流量小于5～25 m3/d。

2.3 泉華

僅在達嘎山隧道洞身部位的左側(cè)熱泉群發(fā)現(xiàn)了泉華現(xiàn)象，在此處串珠狀分布的熱泉群中，均有泉華，主要為鈣華，其成分主要是CaCO3，礦物成分主要是方解石。由于鈣華內(nèi)夾雜有褐鐵礦、石英、砂礫等，其顏色多為褐黃色，如圖5所示。

圖5 泉華

2.4 鹽華

在帕當山隧道洞身部位的右側(cè)熱泉群(ⅢDK107+623右約275 m處)發(fā)現(xiàn)了鹽華現(xiàn)象，在此處片狀分布的熱泉群中，均有鹽華。地表10～20 m范圍內(nèi)，分布有白色的鹽分析出物。

2.5 冒汽地面

帕當山隧道洞身部位的右側(cè)熱泉群(ⅢDK107+623右約275 m處)，在雅魯藏布江的南岸江邊，靠近江邊的淺水部位，水面上10～20 m范圍內(nèi)，有氣泡冒出現(xiàn)象。

3 熱水水化學特征分析

根據(jù)水樣化驗分析結果，測區(qū)的水文地球化學具有以下特征。

3.1 冷水水文地球化學特征

冷水水化學類型采用舒卡列夫分類方法，測區(qū)的冷水水化學類型主要為HCO－3Ca·(Na+K)型水和HCO3·SO4-Ca·(Na+K)型水。

pH值和礦化度:測區(qū)冷水基本以堿性水為主，pH值的變化范圍在7.91～8.31之間。僅在尼木附近的尼木瑪曲水質(zhì)分析顯示為強堿性水，pH值為9.28。測區(qū)冷水中的礦化度較低，平均值在0.136 g/L;僅尼木瑪曲的礦化度較高，為0.724 g/L。

3.2 熱水水文地球化學特征

測區(qū)的熱水水化學類型主要為SO4·Cl－(Na+K)型水和 Cl·SO－4(Na+K)型水。

測區(qū)熱水也以堿性水為主，pH值在7.7～9.7之間。礦化度較冷水明顯偏高，平均值為0.813 g/L。

根據(jù)地熱調(diào)查取樣化驗結果，測區(qū)地熱水中陰離子主要有Cl－和。在采取的4組地熱水水樣中，除一組樣中未檢出外，其余的離子均被檢出。

熱水中的主要陽離子為 Na+，K+，Ca2+和 Mg2+等。根據(jù)水樣水質(zhì)分析結果:(Na++K+)離子含量較高，最大值為 744.3 mg/L，最小值為 212.0 mg/L。Mg2+離子含量較低，其變化在0.7～6.3 mg/L;Ca2+離子變化范圍在12.4～141.9 mg/L。

熱水中的F－含量較冷水中的含量明顯增高，其變化范圍在2.150 9～4.349 0 mg/L。

SiO2含量一般在60 mg/L，最大值達到102.71 mg/L，熱水中SiO2的含量比冷水中的SiO2含量明顯高。

3.3 熱水組分來源特征

測區(qū)水熱活動與近代巖漿侵入(或噴發(fā))、活動構造有著密切聯(lián)系。受巖漿侵入體熱源高溫條件影響，地下水下滲補給熱水過程中與周圍巖石產(chǎn)生各種化學反應，逐漸達到平衡，在熱儲物理化學條件下，穩(wěn)定礦物相結構中不適應元素繼續(xù)發(fā)生溶濾作用，上行熱水連續(xù)攜帶出 Na，K，Ca，Mg，SiO2等來自環(huán)境的組分。

HCO3－的來源實質(zhì)是CO2的來源問題，CO2的來源主要有4種:巖漿散發(fā)、深埋沉積巖變質(zhì)釋放、溶濾碳酸巖鹽和從土壤氣體中吸收。前兩種途徑隨深部流體一起上升，壓力下降到一定程度后，從熱水中分離出來。因此，深層地下水中含量較高。HCO3－主要來源于大氣降水和地表水，淺層地下水HCO3－含量較高。離子一般不表征深部的水化學特征，但不排除其來源于熱儲深部的可能。來源于深部流體的H2S，深部還原環(huán)境下含量較低，上升地表與富氧地下水作用產(chǎn)生大量。此外地下熱水溶濾硫酸鹽地層，含量也會明顯升高。Cl－為溶濾含鹽地層的結果。SiO2主要來源于熱儲深部，是最能表征熱儲深部特征的組分。

4 結論與施工建議

4.1 地熱分布范圍

根據(jù)地表泉水的分布情況，結合鉆探測溫資料及區(qū)域地質(zhì)構造特征初步分析，地熱主要分布在雅江兩岸，其分布范圍為:甫當隧道ⅠDK96+930—ⅠDK97+190，ⅠDK98+445 —ⅠDK98+930，ⅠDK99+085—ⅠDK99+180，ⅠDK99+885—ⅠDK101+705段，長度2 709 m;帕當山隧道ⅢDK107+533—ⅢDK108+553段，長度1 070.69 m;吉沃希嘎隧道在ⅢDK117+540—ⅢDK120+375段，長度2 835 m;達嘎山隧道在ⅢDK129+705—ⅢDK132+225，長度2 520 m。隧道路肩部位的地溫(巖溫)值在28℃以上，存在地熱問題。

由于地熱分布的復雜性，受地形條件及勘察技術的制約，也不排除色麥隧道、薩嘎村隧道、康薩村隧道、盆因拉隧道存在地熱的可能。

4.2 地熱分布特征

根據(jù)地表地熱分布狀況，勘探測溫資料及區(qū)域地熱研究成果，拉日線雅江峽谷區(qū)地熱分布有如下特征:

1)主要分布在雅江兩岸。

2)地熱分布主要受斷裂構造控制，尤其是受區(qū)域性深大斷裂控制。

3)區(qū)域性深大斷裂與次級斷裂交匯處附近，地熱異常明顯。如甫當隧道出口段、吉沃希嘎隧道洞身高溫段就位于幾條斷層的交匯部位。

4)雅江峽谷區(qū)隧道地熱以低溫—中高溫帶為主。

4.3 施工建議

由于地熱對隧道的施工、結構及運營安全影響較大，建議設計及工程建設中采取如下的防治措施［6-7］:

1)加強隧道超前地質(zhì)預報。由于地熱成因、分布的復雜性，受勘察手段及地形條件的控制，在勘察期間很難查明地熱的分布范圍，因此，在施工中要加強超前地質(zhì)預報。通過超前水平鉆孔，預測前方是否有熱水、熱氣，并在孔內(nèi)測溫，以確保施工安全，同時為地熱防治提供依據(jù)。

2)采取通風降溫與其它降溫措施相結合的綜合降溫措施，以改善隧道內(nèi)的作業(yè)環(huán)境。

3)由于地熱隧道在我國并不多見，因此，建議對隧道地熱、襯砌結構、襯砌支護材料等開展相關的專題研究，以保證隧道襯砌結構安全和運營安全。

4)地熱隧道施工難度大，風險高，不確定因素多，建議納入高風險隧道管理。

［1］李金城.拉日鐵路地熱隧道方案比選研究［J］.鐵道工程學報，2011(4):42-46.

［2］沈玲玲.高黎貢山地區(qū)地熱異常特征及對隧道建設影響的初步研究［D］.成都:成都理工大學，2007.

［3］王賢能，黃潤秋.深埋長隧洞溫度場的評價預測［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1996(6):6-10.

［4］侯新偉，李向全.大瑞鐵路高黎貢山隧道熱害評估［J］.鐵道工程學報，2011(5):60-64.

［5］孫東，王道永.雅魯藏布江縫合帶中段構造特征及成因模式新見解［J］.地質(zhì)學報，2011(1):56-65.

［6］于健.高地溫對隧道施工作業(yè)環(huán)境的影響及防治［J］.四川建筑，2009，29(3):190-191.

［7］郭進偉，方燾，盧祝清.高地溫隧洞熱—結構耦合分析［J］.鐵道建筑，2010(6):77-79.