嘉黎断裂北盘某地下工程地温特征分析及预测*

罗 锋 杜世回 丁子豪 孟祥连 黄 勇 张文忠 王生仁

(中铁第一勘察设计院集团有限公司， 西安 710043， 中国)

0 引 言

截止2019年的资料统计，中国铁路规划20km以上的特长铁路隧道38座，累计长度993km(田四明等， 2020)。其中绝大多数属于深埋长大隧道，且位于青藏高原边缘地带。由于该区域内构造活动强烈，地热活动活跃，高地温问题难以避免(王楚骄， 2013； 黄勇， 2020)。藏东南区域属地中海-喜马拉雅地热活动带，区内温泉、沸泉出露众多(佟伟等， 2000； 多吉， 2003)，特别是其中的波密至鲁朗段因其走行于喜马拉雅东构造结北缘，水热活动更为活跃，隧道高地温问题尤为突出。隧道高地温问题对前期地质选线、隧道结构设计、施工措施及投资等影响较大(胡政等， 2020； Liu et al.， 2020)。因此，针对区内典型深埋长大隧道，开展地温成因机制、特征分析及预测研究是十分必要的。

在高地温特征分析及影响因素研究方面，Wilhelm et al. (2003)对瑞士穿越阿尔卑斯山隧道群地热利用潜能进行了调查，并对圣哥达基线隧道预测地温与施工揭示地温进行了对比分析； Hochstein et al. (2006)针对兴建于高温地热田附近的新西兰Tokaanu水电站引水隧道建设中所遭遇的高地温问题，利用热平衡原理进行了相关分析研究； 沈玲玲(2007)和王迪(2011)基于温泉分布及其水化学，分析了热水成因特征及其受控因素，总结了高黎贡山隧道地温场特征，为隧道地质选线提供了理论依据； 王楚骄(2013)在研究藏东南区域地温分布规律的基础上，对川藏公路雀儿山隧道进行了隧道地温模拟，与实测地温较为吻合； 漆继红等(2015)基于热传递微分方程讨论了地下水流导热影响下地温特征与深度关系，并以高黎贡山隧道为例介绍了地下水渗流分区的地温特征在隧道热害规避中的应用； 胡政等(2020)针对云南红河州尼格公路隧道，从区域地质构造、地震特征、水化学特征、地热储特征等方面，利用同位素方法对隧道高地温成因进行了相关研究； 廖昕等(2020)运用同位素方法，分析藏东阿旺地下热水化学特征并探讨了其成因模式。王贵玲等(2020)总结我国主要水热系统划分特征将其分为7种类型，并将青藏高原水热系统划分为陆陆碰撞板缘型水热系统。

随着位于青藏高原及其边缘的拉日铁路、大瑞铁路、拉林铁路等开工建设，与隧道地温预测相关的研究日益增多，侯新伟等(2011)基于GIS软件运用层次分析法对高黎贡山隧道隧址区进行了热害危险性评估，并将其运用于高地温隧道地质选线； 卢达(2009)，焦国锋(2013)，杨新亮(2014)针对拉日铁路雅鲁藏布江峡谷区干热岩型高地温隧道的地温特征进行了分析，并基于钻孔实测地温进行了地温模拟，并针对性提出了防治措施； 赵国斌等(2015)分析了喀喇昆仑山区引水发电洞高地温现象，并对其成因进行了探讨； 冯涛等(2016)采用“热水地温梯度反算法”、“隧底平面等温线拟合法”对CZ铁路雅康段主要隧道平面温度进行了计算和等温线图绘制； 尹龙等(2018)采用基于地质演化历史计算原岩温度模型，对高黎贡山隧道进行地温预测； 赵志宏等(2021)基于稳态法地热研究理论，建立折多山区域地热场模拟数值模型，揭示隧道方案沿线围岩温度场分布特征，并将其应用于隧道线路选址。

针对CZ铁路穿越喜马拉雅地热带研究方面，何平等(2020)对CZ线桑珠岭隧道沃卡东缘断裂带高温地下热水进行了成因分析，并将其运用于隧道地质选线； 王生仁等(2021)利用实测钻孔测温数据对CZ铁路拉月隧道地温分布特征进行了分析，认为其垂向上分层明显，平面上的地温差异性与地质构造、地形切割等相关，并利用改进的地温梯度公式对隧道地温进行预测。

虽然已有相关学者开展了不少隧道高地温研究，但是针对并行长大区域性断裂以及埋深急剧变化的深埋长大隧道高地温问题却鲜有报道。本文选取位于藏东南的某特长隧道(以下简称“隧道”)为研究对象。该隧道长度约42.3km，整体走行于区域性断裂嘉黎断裂北侧，隧道最大埋深约1500m，大于1000m埋深洞段约为7.7km，穿越13条深切冰川泥石流沟谷，地形起伏巨大，隧道埋深急剧变化。受嘉黎断裂与隧道埋深共同影响，隧道高地温问题较为突出。基于隧道深钻孔实测地温数据，分析嘉黎断裂与隧道地温关系。根据分段地温特征及地温随埋深变化规律进行全隧道断面地温数值模拟，对于该隧道基于地温的平面及纵断面优化以及隧道热害防治意义重大，也对类似地区深埋长大隧道地温预测与选线具有重要的指导与参考价值。

1 区域地质概况

隧道总体位于喜马拉雅东构造结地区北部，一级构造单元属冈底斯-喜马拉雅造山系，二级构造单元属拉达克-冈底斯-察隅弧盆系，三级构造单元属狮泉河-申扎-嘉黎混杂岩带。隧址区发育一系列北西向主断裂(F46、F48嘉黎断裂、F49)以及近南北向的分支断裂(f48-2、f48-5、f48-6、f48-8)。其中：沿帕隆藏布河谷走行的F48嘉黎断裂为区域内主控断裂，长度约为500km，隧址区内该断层为走滑断层，并表现出逆断层运动特征，断裂带及影响带宽度200～900m，断层多期活动以右行平移为主。F48嘉黎断裂形成于燕山期，喜山期复活，为全新世活动断裂(Armijo et al.，1989； Wang et al.，2020)。

隧道进口段主要为元古界中下统念青唐古拉岩群片麻岩夹石英片岩(Pt1-2)； 洞身段岩性主要为燕山期片麻状花岗闪长岩(δ5)、花岗岩等侵入岩，其间夹有变质岩捕虏体； 出口段为白垩系大理岩夹变钙质砂岩夹变基性火山岩(me)，该套地层岩性组合复杂多变，构造发育，变形强烈，岩性破碎。隧道沿线地层分布见图1。

图1 隧道工程地质平面图Fig. 1 Engineering geological plan of the tunnel

2 地温特征分析

2.1 区域地温特征分析

根据Landsat8 OLI TIR热红外、Landsat7 ETM+TIR、高分辨率热红外影像等多源遥感数据，对隧址区地表温度进行反演校正。同时，结合温泉出露特征，对区域内地温异常区进行识别划分。隧道整体位于沿帕隆藏布分布的地温异常区内。隧址区内虽未见明显温泉出露，但是在帕隆藏布南岸出露的曲中龙巴沟内出露的温泉温度为40℃、热泉温度为57℃，印证了该地温异常区的存在，见图2。

图2 隧址区热红外反演地表温度分布图Fig. 2 Thermal infrared inversion of surface temperature distribution map of the tunnel site area

沿帕隆藏布河谷嘉黎断裂走行区域实施的钻孔测温曲线也显示出明显的地温梯度异常。从图3四孔测温曲线看出，钻孔孔底绝对温度为7.23～23.33℃。在排除近地表与大气热交换异常层外，对地温稳定层进行线性拟合，得出其地温梯度为5.6～20.1℃/100m，均超出正常地温梯度范围，如图3。由此可得，无论是从区域热红外地表温度反演分析，还是从河谷内钻孔测温曲线均表明：沿帕隆藏布河谷分布的嘉黎断裂走行区域表现出明显的区域地温异常。

图3 嘉黎断裂内钻孔地温曲线Fig. 3 Geothermal curve of boreholes in Jiali Fault

从区域地质构造格局分析，结合帕隆藏布南岸曲中龙巴热泉循环演化机制(图4)可知，嘉黎断裂是隧址区内主控断裂，也是古老缝合带内最薄弱区域。断裂南侧为元古界片麻岩，由花岗岩、闪长岩变质而成，断裂北侧为燕山期花岗闪长岩，其地热产生来源为区域性断裂摩擦生热及地壳内部岩浆活动及岩浆岩放射生热，并沿着断裂破碎带或节理密集带向上导热，造成沿帕隆藏布河谷区域走行的嘉黎断裂附近地温异常区。

图4 曲中龙巴热泉与嘉黎断裂循环演化机制示意图Fig. 4 Geothermal curve of boreholes in Jiali fault schematic diagram of the cyclic evolution mechanism of the relationship between the Quzhonglongba Hot Spring and the Jiali Fault

区域性宏观地温异常区识别，往往能够为线路方案走向提供较为明确的指向性参考依据。从平面上可看出，隧道走行区域基本避开了以帕隆藏布河谷为核心的地热异常区。但是由于嘉黎断裂本身高角度北倾，隧道洞身位于嘉黎断裂北侧上盘，加之局部南北走向分支断裂可能导热，因此隧道洞身局部可能存在因导热形成高地温洞段，需要进一步的隧道洞身钻孔测温分析验证。

2.2 隧道地温特征分析

在区域地温特征分析的基础上，为查明隧道与嘉黎断裂并行地温空间特征及规律，根据地形地貌特征结合其他勘探资料，在隧道洞身布设的24个深孔中进行地温测试，地温测试采用热敏电阻，测温误差±0.025℃，测温点间距1m。从而在垂向与隧道走向两个方向上的地温及地温梯度上，综合分析隧道地温特征分布，为隧道方案平面及断面是否进一步优化提供依据，并为下一步隧道洞身地温预测提供理论支撑。

2.2.1 钻孔地温曲线类型分类

传统地温曲线类型分类方法主要是将地温曲线定性分为单纯热传导型与传导对流型，漆继红等(2015)在此基础上，将地温曲线类型与地下水循环方式相对应，据此分为a型无地下水垂向循环型(即单纯热传导型)、b型地下水向下循环型(传导对流型)、c型地下水向上型(传导对流型)3类，能够较好代表和解释钻孔内地温、地温梯度与深度的关系。据此可将24个深孔进行如下分类分析。

a型：钻孔揭示岩体完整性较好，裂隙不发育，地下水水循环弱，钻孔测温曲线呈现为直线型，地温由地下深部通过岩体较为均一地由下向上传导，地温梯度整体稳定单一，典型钻孔如ZK-7(地温梯度： 4.05℃/100m)、ZK-17(4.88℃/100m)、ZK-21(4.65℃/100m)、ZK-19(5.38℃/100m)，如图5。

图5 ZK-17及ZK-21地温曲线Fig. 5 Geothermal curve of ZK-17 and ZK-21 boreholes

b型：钻孔揭示岩体完整性较差，裂隙较发育，一定深度内地下水垂向向下循环较强，钻孔测温曲线呈现为下凹折线型，地温梯度随深度由小变大，隧道大多数钻孔测温曲线呈现出明显的双梯度，主要是因为地下水垂向向下循环，降低了岩温所致，当超过一定深度后岩温便不再受地下水影响，典型钻孔如ZK-16-1、ZK-16-2、ZK-18、ZK-21-1、ZK-22、ZK-24-2、ZK-125-1、ZK-26-2、ZK-27，如图6，各孔地温受地下水影响深度如表1。

图6 ZK-16-1及ZK-21-1地温曲线Fig. 6 Geothermal curve of ZK-16-1 and ZK-21-1 boreholes

表1 b型钻孔分段地温梯度及地下水影响深度Table 1 b-type boreholes sectional geothermal gradient

c型：与b型一样受到地下水影响，所不同的是其钻孔测温曲线因受深部地下水垂向向上循环影响，钻孔测温曲线呈现为上凸折线型，地温梯度随深度由大变小，主要是因为从深层经岩温加热的地下水垂向向上循环，其局部地温梯度因突然升高的水温而显著变大，当进入稳定热水层后其温度趋于稳定，地温梯度随之减小。如ZK-20钻孔665m以下段落、ZK-23钻孔500m以下段落均表现出了地下水垂向向上循环的地温特征，如图7。此外，根据ZK-2和ZK-23这两孔的水文综合测井和岩芯照片综合分析，ZK-20钻孔705～711m为一构造破碎带出水点，该处出水点水温在23℃左右，造成665～710m地温升高5℃；ZK-23钻孔499～500m为节理密集带出水点，该处出水点水温23℃左右，造成500～515m地温升高5℃，如图8。此外，ZK-24-1、ZK-25、ZK-26-1孔内也揭示了与此类似的热水出水点。

图7 ZK-20及ZK-23地温曲线Fig. 7 Geothermal curve of ZK-20 and ZK-23 boreholes

图8 ZK-20及ZK-23钻孔出水点岩芯照片Fig. 8 Rock core photos of water outlet point of ZK-20 and ZK-23 boreholes

2.2.2 隧道地温分区分析

沿隧道走向对隧道地温进行分区分析，从其地温、地温梯度及隧道埋深三者相互影响的变化规律，可将其分为4个分区，如图9。

图9 隧道钻孔孔底地温(红点)、隧道洞身地温(蓝点)及地温梯度分布分区图Fig. 9 Distribution map of the geotemperature at the bottom of the boreholes(red dot) and the tunnel(blue dot) and geotemperature gradient of the tunnel

Ⅰ区为地温-梯度稳定区，隧道整体埋深≤1000m，隧道洞身地温整体在21℃左右(图9绿线所示)，与其隧道埋深相关性不大，中段洞身地温(ZK-7、ZK-17、ZK-18)相较于其基准地温21℃降至14℃左右，主要由于此三钻孔分布于沟谷区，地形下切侵蚀作用明显，钻孔深度215～480m，地下水在一定深度向下循环较为强烈，整体降低地(岩)温所致，洞身地温梯度有所起伏，整体在2.5～6℃/100m。

Ⅱ区为地温-梯度异常区，隧道整体埋深1000～1500m，仅在沟谷地段埋深为500～1000m，隧道洞身地温整体在33℃左右。ZK-21-1(隧道埋深1150m)、ZK-21(隧道埋深500m)两钻孔隧道埋深相差650m，但其绝对地温却几乎相同。由此两孔对比分析可得，该区地温异常由地下深部同一热源向上热传导所致，两者所处高程一致，与下部热源垂向距离几乎相同，因而其地温几乎相同。ZK-21虽因地表侵蚀切割导致其埋深降低，但其较高地温仅为下部热源所控制，加之其岩体相对完整，未受地下水向下循环影响导致降温。ZK-21-1其埋深虽大，但由图可知，其地表向下350m深度范围内为地下水及大气热交换的动态平衡区，因而在此深度内其地温稳定， 350m以下地温梯度为3.95℃/100m， ZK-21地温梯度为4.65℃/100m，两者相差不大。

Ⅲ区为地温-埋深-梯度异常区(图9)，隧道整体埋深150～1500m不等，其地温依隧道埋深增加而增加，隧道洞身地温依据埋深不同总体分为3个区间： 150～300m埋深区，洞身地温15～16℃； 300～500m埋深区，洞身地温20～24℃； >500m埋深区，洞身地温28～33℃； 沟谷地段(ZK-8、ZK24-2、ZK-26、ZK-26-2)地下水向下循环降温作用较为明显，其地温梯度整体偏高，整体在4.85～12.03℃/100m，多数地温梯度>6℃/100m。

Ⅳ区为地温-梯度稳定区，隧道整体埋深500～1300m，隧道洞身地温整体在18～21℃左右，与其隧道埋深相关性不大，ZK-27因揭示断层，其地下水向下循环较为强烈，起到一定降温作用，ZK-26-1在洞身以下揭示热水出水点，导致孔底较洞身温度高9℃，其地温梯度整体不高，在4.85～12.03℃/100m。

由以上隧道地温分区分析可知，易贡隧道进口段(Ⅰ区)与出口段(Ⅳ区)整体为地温-梯度稳定区，隧道洞身地温整体在18～21℃之间，地温梯度整体稳定； 洞身段Ⅱ区为地温-梯度异常区，主要受深部热源控制，隧道洞身地温在33℃，地温梯度较为稳定； 洞身段Ⅲ区为地温-埋深-梯度异常区，地温随埋深变化较为明显，随埋深不同，阶梯状分布，其整体地温梯度明显异常偏高。

2.3 隧址区地温特征分析

从隧道钻孔实测地温特征来看，其地温梯度异常普遍存在，隧道整体实测地温不高，最高实测地温为35℃(ZK-21)，各钻孔地温曲线受地下水影响明显，主要体现在局部洞段受地下水向下循环影响其地温在一定程度上有所降低，局部个别钻孔揭示了热水出水点，造成钻孔地温跳跃式增长，最大可达9℃，热水温度整体不高。但隧道局部越岭地段由于地温梯度异常与埋深共同作用，可能形成局部异常的高地温洞段。

从隧址区地温特征成因来看，嘉黎活动断裂是隧址区地温异常形成的背景条件，其从地壳深部热源向上导热，造成了隧址区整体的地温梯度异常。与此同时，受嘉黎活动断裂影响，隧址区岩体内节理裂隙带发育会形成局部热水出水点，造成地温阶梯式抬升。

3 地温数值模拟

如前所述，作为深埋长大隧道尽管已有24个深孔测温数据对隧道洞身地温进行控制，但是在隧道洞身段(Ⅱ、Ⅲ区)仍有局部越岭地段，因地形艰险深孔钻探无法实施而导致这些区段内无实测地温数据。因此在前述分析的基础上，需要基于既有钻孔测温数据及隧址区工程地质条件，采用有限元技术对隧道纵断面地温场特别是无实测地温数据越岭地段进行预测模拟，研究隧道区域地温分布特征，评估隧道重点地段高温热害问题，为隧道纵断面局部优化与重点地段热害治理措施选取提供依据。

3.1 计算模型及参数

数值模拟采用国际通用大型岩土有限元软件PLAXIS，参考隧道工程地质纵断面建立有限元模型(图10)，使用15节点平面应变三角形单元划分有限元网格，得到网格总数49462个。

图10 隧道有限元模型Fig. 10 Finite element model of the tunnel

按PLAXIS计算步骤设置要求，计算分初始地应力生成及地温模拟两阶段依序进行。初始地应力阶段采用重力加载模式计算。地温模拟阶段采用稳态热流动模式计算，以隧道洞顶年均温2.0℃及钻孔测温数据分布作为上下边界条件。计算涉及地层岩性均赋予线弹性-非多孔本构模型，根据室内试验数据，热力学计算所用参数见表2，其中断层相关参数由模型校正所得。

表2 隧道热力学数值模拟参数Table 2 Thermodynamic numerical simulation parameters of the Tunnel

3.2 计算结果分析

计算得到隧道区域地温场见图11，结果表明，在隧道洞身高程范围内，其最大温度可达49℃，其里程位置约在DK1125+100。根据《铁路不良地质勘察规程》(TB10027-2012)，按不同温度范围将隧道洞身地温划分为3个温度带即常温带(≤28℃)、低高温带(28

图11 隧道区域模拟地温场Fig. 11 Simulated geothermal field in the tunnel area

由图11可知，隧道中高温带(Ⅱ1)(37

此外，从钻孔实测地温曲线并结合地温模拟结果分析可得，考虑隧道地表特大型冰川泥石流侵蚀下切影响，隧道浅埋须保证一定深度埋深，隧道目前走行高程已经最优，隧道纵断面走行高程上已较大洞段避开局部热水出水点及下部地温梯度陡升、地温快速增长洞段。

4 结 论

(1)根据区域热红外影像多源遥感数据解译，结合地表调绘及钻孔测温验证，隧道隧址区属沿帕隆藏布地热异常区，沿帕隆藏布河谷走行的嘉黎活动断裂作为隧址区主控断裂构造，是隧址区地温异常形成的背景条件。

(2)据地下水对地温影响方式不同，可将隧道24个深孔测温曲线分为a型无地下水垂向循环型、b型地下水向下循环型、c型地下水向上型3类，b型为主要类型，地下水影响深度90～485m不等。从钻孔实测地温、地温梯度及隧道埋深三者的变化规律，沿隧道轴向可将其分为4个分区，即Ⅰ区(进口段)、Ⅳ区(出口段)为地温-梯度稳定区， Ⅱ区(洞身段)为地温-梯度异常区， Ⅲ区(洞身段)为地温-埋深-梯度异常区，其中Ⅱ、Ⅲ区内的局部越岭地段高地温问题较为突出。

(3)基于既有钻孔测温数据及隧址区工程地质条件，采用有限元方法对隧道进行地温数值模拟，隧道洞身预测最高温度可达49℃，其中常温带(≤28℃)长约29.1km，占比68.8%，低高温带(28

(4)受地表大型冰川泥石流控制，从钻孔实测地温、地温梯度及热水出水点分析，目前隧道走行高程已经相对最优，局部洞身地段仍有遇到高温热水出水点的风险。

致 谢感谢成都理工大学漆继红老师及同事张晓宇在本文写作中给予的技术指导和帮助。