拉日铁路吉沃希嘎隧道地热影响分析及工程对策
2013-09-05雷俊峰
雷俊峰
(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)
拉日铁路吉沃希嘎隧道地热影响分析及工程对策
雷俊峰
(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)
吉沃希嘎隧道为拉日铁路控制性工程之一，地处青藏高原雅鲁藏布江峡谷区，全长3 985 m，洞身岩性主要为闪长岩，构造极为发育，为典型的地热隧道，洞身实测最高温度可达52.8℃。在查明隧道工程地质条件基础上，采用调查、钻孔、测温及物探等综合工程地质勘察方法，通过地温梯度计算及物探低阻分析，获得了隧道的地热分布及洞身温度，分析了隧道通过区地热的特征及产生的原因。在线路选线、工程地质勘察、施工超前预报、原材料选取及施工工艺控制等方面提出了对地热影响的工程对策，并在施工中得到验证。
拉日铁路 雅鲁藏布江峡谷 隧道 地热特征 工程对策
1 工程概况
新建拉萨至日喀则铁路位于北纬29°～30°青藏高原的雅鲁藏布江流域，线路起于青藏铁路的拉萨车站，止于西部重镇日喀则市，全长约253 km。吉沃希嘎隧道穿越雅鲁藏布江峡谷区左岸，所在地区属中高山区。隧道拉萨端洞口里程ⅢDK117+520，日喀则端洞口里程ⅢDK121+505，全长3 985 m。洞身部位隧道最小埋深约34 m，大部分埋深在34～75 m，最大埋深约102 m。
2 地质概况
2.1 地形地貌
雅鲁藏布江峡谷深窄，山高坡陡，自然坡度40°～60°，地表植被稀疏，相对高差达100 m以上。山体脊部高程约3 883 m，进出口段地面高程为3 760～3 790 m。山体沟谷发育，切割相对较深。
2.2 地层岩性
地表地层主要为第四系全新统，洞身地层主要为燕山期闪长岩，碎裂闪长岩、断层泥砾，局部地段分布第四系上更新统冲、洪积卵石土、块石土。
2.3 地质构造
线路走行于冈底斯—念青唐古拉板块南部前缘，主体为巨大的燕山晚期—喜马拉雅期复合型花岗岩，以及上白垩—全新世的同源喷发相火山岩建造。
所在地区新构造运动较活跃。印度板块在新生代早期(渐新世—中新世)完成了雅鲁藏布江缝合带的拼合后，仍在向北运动，使得本区仍存在整体抬升、斜掀和差异性的上升运动。
隧道区内断裂构造发育，工点区有3条断层通过，各断层特征如下:
1)F4－3断层:与隧道洞身位置交于进口—ⅢDK118+050，断层产状 N32°W/78°S，为压扭性断层，破碎带内物质主要为断层泥砾及压碎闪长岩，宽度为320～400 m。断层两侧均为燕山期中粗粒闪长岩体，表层已被第四系碎石类土覆盖。
2)F2－6断层:与隧道洞身位置交于ⅢDK118+610—ⅢDK118+663，断层产状 N25°E/70°S，为逆冲性断层，破碎带内物质主要为压碎闪长岩和少量的断层泥砾物质，宽度约为100 m。
3)F1－1断层:与隧道洞身位置交于ⅢDK120+950—ⅢDK121+340，断层产状 N19°W/(20° ～30°)S，为压扭性断层，破碎带内物质主要为断层泥砾及压碎闪长岩，宽度约为300～380 m。该断层在航片上形迹明显。
2.4 地应力
隧道走向与区内主要构造线近乎平行，区域内最大主应力方向为近SN向或NNE向。根据峡谷区地应力测试结果，区内最大水平主应力的优势方向为N35°E～N42°E，最大水平主应力为 2.01 ～10.33 MPa，最大主应力方向与隧道轴线大角度相交。
2.5 水文地质
隧道区总体上山势低缓，埋深不大，且为傍山隧道，围岩含水体有限，隧道所在区域支沟均无常年流水，勘探孔仅JWZ-1孔内见少量地下水，隧道围岩的富水程度分区为贫水区—弱富水区。
3 隧道地热测试与分析
3.1 隧道地热勘察
吉沃希嘎隧道不良地质主要表现在高地温(岩温)。地质勘察工作综合采用了现场调查、钻探、物探等方法。
应用钻探方法在隧道洞身布设勘探孔进行测温。共布设12 孔，其中3 孔(D1Z-545，D1Z-546，JWZ-1)布置于靠山侧，距离隧道约200 m，其余钻孔位于傍山侧线路附近。钻孔位置及测温数据见表1。
表1 吉沃西嘎隧道钻孔位置及温度测量数据
由表1可知:线路右侧约200 m(山内侧)路肩地温值43.1℃ ～54.9℃ (D1Z-545，D1Z-546，JWZ-1)，且孔底温度更高;目前线路附近(傍山侧)，路肩地温值18℃ ～48℃，BD3Z-93孔地温趋于正常，路肩温度24.1℃，BD3Z-91路肩温度41.6℃。隧道该段纵向地温梯度为0.015 2℃/m，根据隧道内正常温度值不超过28℃的规定，经计算得出本隧道在ⅢDK120+375 m处温度值为28℃。因此，本隧道在ⅢDK117+690—ⅢDK120+375段，长度2 685 m，隧道路肩部位的地温(岩温)值在28℃ ～48℃ 。本次测温，孔内温度值最高达65.4℃，由于埋深越大，地温(岩温)值越高，考虑测温数据的局限性、地温梯度变化的急剧性等，因此，不排除路肩局部地段地温(岩温)高于48℃的可能性。
在物探方面，对全隧开展了高密度电法检测，测得弱风化闪长岩电阻率一般在500～800 Ω·m，断层破碎带电阻率一般在50～200 Ω·m，但在弱风化闪长岩地段出现大面积电阻异常带，电阻率上高下低，一般在30～150 Ω·m，经与钻探测温资料对比，低阻带与高地温带有对应关系，说明低阻由高地温引起。
3.2 隧道施工情况
隧道施工期间，不间断开展超前预报与温度监测工作，隧道地温最高达到52.8℃，高于勘察期间实测温度，环境温度可达35℃，高地温的分布范围基本与勘察一致。
3.3 地热特征分析
1)隧道区岩温高，实测最高温度可达65.4℃，高地温由深部热源补给。
2)在断层附近和岩堆体附近，裂隙发育，岩体破碎，地温较其他地段高，表明发育的节理裂隙有利于向上导热。
3)在同等地层情况下，傍山靠河侧钻孔岩温低于靠山侧，两者钻孔间距约200 m，岩温相差可达7℃，表明傍山靠河侧有利于岩体散热。
4)本隧道地温梯度在0.015～0.490℃/m，离散性较大，从侧面说明地温变化的不规律性及急剧性，这与节理、裂隙发育程度及走向密切相关。
5)高地温对闪长岩岩体电阻率有一定影响，会使电阻率显著降低，地温越高电阻率越低。
3.4 地热产生原因
吉沃希嘎隧道位于著名的那曲—当雄—羊八井—尼木—多庆错地热活动带，区内高地热现象异常强烈，热泉最高温度达80℃，伴随局部高岩温。根据以往的研究成果，地热主要来源于近地表的熔岩，熔岩失去水后熔点升高，由流动状态变为固态，这时的温度大约在600℃ ～650℃。雅鲁藏布江以北15～25 km深度范围，存在一个低阻层，平均厚度约10 km，埋深10～20 km，这一低阻层是地壳内岩溶岩体的直接反映，也是地表地热的直接原因。
4 工程对策
4.1 选线
应详细查明高地温范围及温度值，为选线提供依据。当温度过高设计难以处理的情况下，应将线路选至傍山靠河一侧，因为其地温值低于靠山一侧，另外，一旦地温或隧道环境温度过高，影响衬砌安全或导致工人无法正常施工，可采用较短的斜井或横洞进行通风降温。
4.2 勘察
高地温地区应开展综合地质勘察工作，应采用资料搜集、野外调查、钻探测温、物探等多种手段。勘察期间应详细查明隧道洞身高地温范围及温度值，为设计提供可靠依据，并对最高地温值进行预测，做好施工预案。
1)野外调查:应着重于构造及热泉调查，应详细查明主断裂的性质，对热泉进行取样。
2)钻探:钻孔测温是最直接的地热勘察方法，可直接测量隧道洞身温度，但因其只能测平面上一点的温度且受地形条件所限，有其局限性。
3)物探:鉴于钻探测温的局限性，所以物探工作非常必要，应采用电法对全隧道进行贯通测试，并详细分析低阻原因，对地热造成的低阻及破碎带的低阻进行区分。同时物探也可指导钻孔的布置，两者可相互验证。
4)高地温段落划分:根据钻孔的实测温度，计算地温梯度，然后根据隧道的埋深计算地温值，再与物探结果进行比对，统一分析并划分高地温段落。
4.3 施工超前预报
因钻探测温只能测量某一点的温度，实际上并不能代表其他段落，又因地温变化有其不规律性，所以存在高地温的隧道，施工期间应开展温度预报工作，对隧道环境温度、岩石表面温度及超前钻孔温度进行监测与预报，以指导施工。
4.4 工程处理措施
4.4.1 原材料的选择和控制
1)将二次衬砌混凝土水泥用量控制在290 kg/m3以内。采用水化热较低的水泥，如低热水泥、矿渣硅酸盐水泥等。
2)将粉煤灰和磨细矿渣粉复合使用作为掺合料，其中粉煤灰掺量10%，磨细矿渣粉掺量15%。
3)为防止早期水分流失对混凝土强度和开裂的影响，必要时增加适量保水外加剂，以减缓混凝土中水分的流失。
4)在混凝土中掺入适量的聚丙烯纤维，可提高混凝土的抗拉强度，能有效抑制混凝土的开裂。聚丙烯纤维的掺量为0.9 kg/m3。
4.4.2 混凝土的施工工艺控制
1)高温环境中对混凝土的浇筑应加强事先组织，并加快施工速度。
2)混凝土入模后应加强振捣，避免缺陷。
3)对洞壁或围岩表面采取喷水等措施加快降温速度。在洞壁温度下降后进行混凝土施工，有利于混凝土的早期硬化，提高混凝土的性能。
4)调整二次衬砌混凝土的一次浇筑长度，一次浇筑长度宜采用6 m。
4.4.3 混凝土的养护
1)加强洒水保湿养护，采取有效措施提高隧道中环境湿度。
2)采用热水养护，且混凝土表面应覆盖保温。
3)覆盖保温养护不低于7 d，洒水养湿不少于14 d。
5 结语
地热虽对隧道围岩影响不大，但过高的温度会对隧道衬砌结构安全产生重要影响，并影响日后施工及运营，所以查明地热成因、分布状况、具体温度值等对隧道选线及设计工作至关重要。应采用综合方法对地热带开展选线及勘察工作，并采取合理的工程处理措施，做好高地温施工预案，施工期间开展地温超前预报工作。
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U452．2+7
A
10．3969/j．issn．1003-1995．2013．09．10
1003-1995(2013)09-0031-03
2012-01-30;
2013-06-16
雷俊峰(1981— )，男，山西代县人，工程师。
(责任审编 李付军)
