铁路工程地热勘察关键技术研究

2014-01-03刘争平

铁道标准设计 2014年1期

刘争平

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 714300)

1 概述

全新世火山或岩浆活动强烈、地温梯度异常、地表热显示发育的地区，施工过程中可能出现高岩温或高温热水(汽)等热害现象［1］。对于铁路工程，热害现象特别是对隧道施工及结构设计有很大影响。在高地温地区开展地质勘察称之为高地温地质勘察，或称为地热勘察。

拉日铁路在雅鲁藏布江峡谷区色麦至仁布段，近垂直地通过那曲—羊八井—尼木水热活动带，线路通过长度约60 km［2］。在地热地区修建铁路工程时，如何进行地热勘察，是拉日铁路地质勘察的难点。

铁路工程地热勘察深度一般取决于隧道工程的埋深，其勘察手段和方法也比地热资源勘察要相对简单，但是其勘察思路和方法是一致的。

拉日铁路地热勘察首先制定了合理的勘察大纲，然后采取了钻探、物探及水文地质测试等勘察手段，最后结合室内试验，数据整理，为设计提供了经施工验证准确可靠的勘察资料。

本文结合拉日铁路地热勘察的经验和体会，对铁路工程地热勘察的关键技术进行了总结研究，可为同类地区地热勘察提供参考。

2 采用相关勘察标准，制定合理的勘察大纲

目前，我国地热勘察执行标准主要是地矿部门对于地热资源勘察所制定的一些规范和标准，主要有:《地热资源地质勘查规范》［6］、《浅层地热能勘查评价规范》［4］、《地热资源评价方法》［9］等。

在铁路工程地质勘察中，高地温地质勘察(即地热勘察)主要依据《铁路工程不良地质勘察规程》［1］来进行。

在拉日铁路勘察初期，依据《铁路工程不良地质勘察规程》，并借鉴地矿部门地热勘察规范，制定拉日铁路工程地质勘察大纲。明确地热区域的调查内容，确定综合勘察手段，明确主要工程设计参数，从而有序地开展地热勘察。

3 利用综合勘察手段，合理进行地质选线

2007年，拉日铁路就进行了初测、定测工作，进行了大量的地质调查和勘探;2010年进行了补充定测工作。

地质调查主要搜集了沿线的区域地质资料、水文地质、遥感照片、构造及断裂分布、地表温泉及热泉、地温实测资料、气象资料等，划定了地热带分布范围。

地质勘探方面，采用深孔钻探，确定构造带范围及岩性特征，开展孔内地温测试及孔内水文试验，计算地温参数;采用物探手段(主要采用了电法和震法勘探)确定地热赋存的构造带范围和深度，查明第四系覆盖层厚度和基岩破碎程度等;采用室内水质分析、岩矿分析，对于地热特征参数进行综合研究。

综合勘察资料对于地热发育地区的铁路选线提供了依据。拉日铁路选线时，由于线路与地热活动带近垂直通过，无法绕避该地热带，所以尽量抬高线路高程，减小隧道长度，采用了浅埋隧道的方案［3］。所以，在地热地区选线可以总结为“三减少”，即:减少隧道埋深，尽量抬高线路;减少高温区域，尽量靠近雅江;缩短通过长度，线路尽量正交通过热害区。”

4 利用钻孔地温测试，确定地热特征参数

在深孔中进行地温测试，可以准确测试出该地区的地热分布情况，并准确掌握隧道设计洞身处的地温环境。同时，利用钻孔地温测试成果，确定地热特征参数，主要包括:恒温带深度、地温梯度、大地热流值等。

4.1 恒温带深度

地表以下某一深度范围内地温随昼夜及四季气温的变化而明显变化，将这一范围称为变温带(层)，即大气温度影响的深度范围。

在变温层以下地温常年保持不变的地带，称为恒温带(层)［4］，也称之为常温带(层)［5］。地热研究过程中，主要研究恒温带的地温变化，所以首先要确定恒温带埋藏深度及其温度。习惯上，将恒温带顶部的埋藏深度简称为恒温带深度(用d0表示)，亦即变温带厚度，该深度处地温年较差为零，这一深度的地温值习惯上称为恒温带温度(用T0表示)。

关于恒温带深度的确定方法有两种。

(1)通过长期观测资料统计得出

利用恒温带的定义，通过地温长期观测数据，绘制不同时间段、不同时期的地温实测曲线，曲线上部交汇点即为恒温带深度，其地温值即为恒温带温度。此方法的优点是取得的数据准确性高，缺点是需要很长时间、多次测试。

(2)通过当地的年平均气温得出

根据《浅层地热能勘查评价规范》［4］的释义:恒温带在自然状态下，该层热能受太阳能和大地热流的综合作用，地球内热形成的增温带与上层变温带影响达成平衡，所以该层温度与当地的年平均气温大致相当［4］。

因此，现场可收集当地的年平均气温数据，在一次地温测试曲线上就可以直接读出恒温带深度，当然此时的恒温带温度就是其年平均气温值了。此方法的优点是省时，缺点是误差大，由于是一次测温资料，故受地温测试的准确度影响大;受气象资料影响也很大，如果当地没有气象资料，或气象站点与实测地点气候特征相差很大，均无法实施。

如果数据充足，采用此两种办法时，可根据计算结果取其大值。

4.2 地温梯度的确定

地温梯度是指地表以下不受大气温度影响的地层中温度随深度增加的增长率。通常用恒温带以下每100 m深度所增加的地温值来表示，也称为地热增温率［6］。

根据地温曲线计算地温梯度时，首先将变温带厚度以内的数据先剔除掉，只剩余恒温带的地温实测数据，由于温度T是深度H的线性函数，然后用最小二乘法进行曲线拟合，求出地温随深度变化的线性方程，其形式为

T=aH+Ts

式中，a为直线的斜率，即地温梯度，可换算成用(℃/100 m)表示的形式;Ts为直线与地表交点处的温度，即地表的年平均地温。

拉日铁路隧道钻孔中地下水不发育，隧道地热表现形式主要为高岩温，地热曲线类型为直线型，如拉日铁路钻孔JWZ-1的地温曲线［7］(图1)。经过数据回归，该钻孔地温梯度为38.37℃/100 m。地温随深度变化的线性回归方程为

T=0.383 7H+23.60

地温梯度与地形、地质构造、岩石导热性能、水文地质条件、岩浆活动等因素有关。各地区差异很大，同一地区不同部位也有差异［1］，计算结果不能按照常数考虑。

图1 拉日铁路钻孔JWZ-1地温曲线

4.3 大地热流计算

大地热流是地球内热以传导方式传输至地表的热量，在单位时间内通过单位面积的大地热流为大地热流值［4］，它是一个综合参数，能反映该地区的地热场基本特点，铁路勘察中主要判定其大地热流值是否异常，为地热选线和地热采暖等工程提供依据。大地热流计算公式［5］如下

以钻孔JWZ-1为例，其地温梯度为38.37℃/100 m，地层主要为花岗闪长岩及闪长岩，导热系数取2.72 W/m℃，其大地热流值为104.37 mW/m2。我国西南地区的大地热流统计值一般在70～85 mW/m2［8］;沿雅鲁藏布江缝合带，高热流值在 91 ～364 mW/m2［8］，拉日铁路地热发育地区位于雅鲁藏布江缝合带上，该大地热流值计算值正好位于此范围。

4.4 隧道洞身温度确定

预测洞身温度对于隧道施工组织和隧道设计有积极的指导作用。如果钻孔位置及深度正好位于隧道洞身附近，可以根据地温实测曲线很直接的确定隧道洞身位置处的温度。实际勘察中，钻孔平面位置往往偏离隧道一定距离，此时需要根据孔内实测温度推算设计洞身温度。根据傅立叶热传导理论，地热传导在均质空间存在较规则的等温面，所以可按照等厚度原则进行推算，即按照实际隧道埋深，在地温曲线上相同深度处的地温即可近似等于洞身温度。

如果隧道埋深很大，而钻孔深度远远没有到达隧道洞身范围，此时就需要根据地温梯度进行推算，公式如下［9］

拉日线吉沃希嘎隧道勘察钻孔JWZ-1偏离隧道中线15 m，孔内最高温度65.4℃［7］，推测洞身温度应该在64℃左右;而在2012年施工中实测掌子面温度最高为53℃［10］，误差约为17%。分析其原因主要是由于风钻钻进为带水钻进、隧道内预先采用淋水降温等措施，所以掌子面表层温度有所降低。

可见，勘察期间地温测试结果能够反映掌子面岩温，为隧道施组设计提供依据。

5 利用物探结果，确定地热带分布范围

地热物探工作主要确定与热储有关的地质构造，岩浆岩体的分布、规模及性质，查明构造断裂带的走向及断层带破碎程度，查明第四系厚度，地下水埋深、流速、流向等。

拉日铁路线路平行于雅江，沿线主要断层带近垂直于雅江，所以物探剖面平行线路布置(基本垂直于断裂带)，勘探手段主要采用电法和震法进行，经过大量测试，确定了隧道地热带在平面和剖面上的分布范围。在同类地区，如果有必要时，也可采用其他物探手段。

6 利用室内试验结果，评判地热影响

地热地段的岩矿特征、水质特征有别于一般地质环境。经过现场针对性的取样，在室内进行有目的性的试验，取得了大量的热物理参数，很好地评判了地热条件。根据拉日铁路现场勘察经验，下面仅就岩矿分析、水质分析以及地温温标计算的有关体会做一些总结和强调。

6.1 岩矿分析

地热区域的岩矿特征参数主要关心热物理参数，所以要对岩土的各项热物理参数进行测试，包括地层的导热系数、比热、孔隙率、渗透率、密度、容重等。

针对大地热流计算，必须要获得整个地层的岩石导热系数，可以通过室内试验测出不同深度岩土样的导热系数，按照岩样代表的地层厚度求出其地层的等效导热系数。

针对温泉(热泉)出露点，要进行泉华取样分析，化验其土化学特征，以便对照水质分析结果，剖析其水热环境。

针对与热储密切相关的岩石，做进一步研究时，可进行岩矿同位素年龄、放射性含量、古地磁、古生物化石、岩石化学成分测试等。特别的，在进行地下水水质研究时，有必要对母岩做化学分析，如 SiO2、Hg、As、Bi等的含量，以此与地下热水成分对比来判定水热环境、热水上升过程中的冷水参与份额、岩石溶解程度等。

6.2 水质分析

地热区域的水质分析以全分析为主，分析项目要尽量细致，有必要时还要测试水中的气体成分、放射性元素等。水样要包括:地表水、大气降水、地下水(包括温泉水、地下热水)等。

水质分析结果要评判水的侵蚀性等级、水环境分级，进一步分析水热环境、热水来源等，以便为工程提供依据。

需要注意，水质分析时对于钠钾含量的测试建议采用火焰原子吸收分光光度法［11］(《铁路工程水质分析规程》［12］为原子吸收分光光度法［12］)进行测试，其测试精度高，不要采用差减法［12］计算其钠钾总含量。对于水中SiO2含量一定要测试，其含量是地温温标计算的主要参数。

分析地下热水来源时，要对地热区域的地热水、地表水、大气降水进行取样，对比分析。

6.3 地温温标计算

根据地下热水的化学成分、气体成分和同位素组成等计算热储的温度，称之为温标计算。温标计算主要有SiO2温标、Na-K温标、Na-K-Ca温标、K-Mg温标、气体地热温标、混合温标等，采用何种计算方法，一定要先掌握其适用条件，再按照各计算公式所需的参数，取样分析，有目的地测试相关参数。

7 开展超前地质预报

结合隧道施工，开展隧道内超前地质预报，是很好地预测和判定地热发育情况的手段。

在拉日铁路地热隧道超前地质预报工作中，主要采用了地质素描、超前水平钻孔、红外探测、地质雷达、掌子面地温测试、隧道内气温测试、隧道内出水点水质分析等方法，综合判释地热发育情况，及时指导了施工，取得良好效果。

8 开展地热专题研究

开展地热方面的专题研究，对地热勘察技术的提高和完善起到很大的促进作用。

拉日铁路在施工阶段，设计单位积极与有关科研机构、高等院校、施工单位等进行合作，结合隧道掘进进程、地温测试及地质勘察，开展了《高原铁路高地温场热害预测评估及工程对策研究》、《特高岩温隧道衬砌结构关键技术研究》、《高岩温、高水温隧道施工热害防治及运营通风技术研究》、《拉日铁路高岩温隧道施工爆破关键技术研究》等一系列课题攻关，为建设高质量拉日铁路奠定了坚实的技术基础［13］。

9 进行地温分级并制定应对措施

9.1 地温分级

高地温地区地质勘察应根据工程措施进行地温分级［1］。拉日铁路地温分级根据我国目前隧道施工技术状况和劳动保护要求，借鉴《铁路工程不良地质勘察规程》条文说明中铁二院在大瑞线高黎贡山隧道地温带划分标准［1］，同时考虑拉日铁路沿线气候特点，将地温进行分级(表1)［14］

表1 拉日铁路地温分级

9.2 制定隧道施工预案

根据地温分级标准，制定拉日铁路隧道施工预案(表 2［14］)。

对于拉日铁路吉沃希嘎隧道，勘察时地温钻孔内最高温度65.4℃，所以考虑隧道施工环境温度过高，影响衬砌安全，或可导致工人无法正常施工，设计时采用了横洞进行通风降温。

表2 地热隧道施工预案

根据拉日铁路施工揭示，隧道掌子面地温最为明显的是吉沃希嘎隧道，最高岩温达到53℃，施工过程中采取了降温通风、淋浴式通风、掌子面洒水降温等措施，保证了洞内工作气温在30℃以下，达到了很好的效果。其他地热隧道地温一般都在30℃以下，所以采用强通风措施即可解决施工问题。可见，先期的施工预案很好地指导了现场施工。

另外，除了施工预案以外，在隧道衬砌结构设计方面，选择和控制二衬混凝土材料，控制混凝土施工工艺和养护条件［10］，确保了地热隧道安全可靠。