青藏高原地温时空分布及某重大线性工程深部高地温风险分析*

张 宁 张文哲 李郎平 兰恒星

(①长安大学地质工程与测绘学院，西安 710054，中国)(②中国科学院地理科学与资源研究所，资源与环境信息系统国家重点实验室，北京 100101，中国)

0 引 言

青藏高原是在印度板块与欧亚板块发生陆-陆碰撞和陆内俯冲过程中，由缝合带分隔的多个微陆块所构成，大多数研究者认为青藏高原是由5条缝合带分隔的5个地块组成(Tapponnier et al.，2001；Royden et al.，2008)。在青藏高原缝合带上，断裂带分布较多，地下热源沿着断裂带向上漫出，产生局部热源，使得该地区的地温分布特征与演化规律具有很强的地域性和特殊性，地热灾害频繁(多吉，2003；陈红汉等，2013)。

新建某交通线路作为青藏高原一条重要线性工程，自东向西穿过4个一级构造单元(扬子陆块区、羌塘-三江造山系、班公湖-双湖-怒江-昌宁对接带、冈底斯-喜马拉雅造山系)和12个二级构造单元，不可避免地穿越地温异常带，加之沿线隧道深埋大、长度长等特征，将不同程度上受到地热灾害的威胁。已建成的吉沃西嘎隧道、桑珠岭隧道等隧道的最高地温分别达到了57℃与89℃(杨新亮，2014)，对施工安全及进度产生了严重影响。

当前，对于类似某交通线路这种线性工程的高地温灾害有了不少研究。如陈尚桥等(1995)通过对深埋隧洞地温场的数值模拟研究表明地形、岩性及地质构造对地温场的影响显著；Wilhelm et al.(2003)对瑞士圣哥达基线隧道高地温风险进行了预测并与施工揭示地温进行了对比分析；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。此外，在高地温影响因素研究方面的研究表明：地温及地温梯度特征与地球内部热过程、构造作用、气候变化及地层岩性等因素密切相关(Gruber et al.，2007; Isaksen et al.，2007; Throop et al.，2012; 刘广岳等，2016)。然而，上述研究大多集中在地温分布的影响因素及高地温对工程的影响，而在高地温风险分析方面研究较少。据初步统计，在建某交通线路中面临高地温危害的隧道达到了数十座，对隧道的安全施工产生了巨大的挑战，因此高地温风险是规划某交通线路深埋长隧道不可避免的一个突出的问题。

然而，青藏高原复杂的地质构造条件，使得该地区的地温的分布特征与演化规律具有很强的地域性和特殊性，需要深入理解其时空分布特征和规律，进而对某交通线路深埋长大隧道面临的高地温定量风险的总体情况有一定的清晰把握。因此，本文首先对青藏高原近地表地温场分布时空规律及成因进行总体梳理和总结，得到了某交通线路沿线的近地表地温分布的总体特征。在此基础上，使用地温梯度法对在建某交通线路的两座典型深埋长大隧道，即折多山隧道和拉月隧道的高地温风险进行定量分析，得到了隧道全线各个部分的高地温风险分布情况和特征；最后通过与多个国内外工程地质背景类似的典型隧道的高地温风险进行对比，探讨了某交通线路高地温风险的可能成因并对高地温风险的可控性进行了分析。该研究可以为规划建设的某交通线路的高地温风险科学防控提供相关的科学依据。

1 青藏高原地温场分布时空规律及成因

1.1 青藏高原地温场分布时空规律

近地表温度是研究地下热源状况变化的重要指标(秦艳慧等，2015)，对于探明地下热源空间分布具有指导意义(贺金鑫等，2018)。因此，本文收集和整理了青藏高原藏西部(狮泉河)、中部(日喀则、拉萨)和东部(昌都)4个具有代表性的气象站数据(图1)来反映青藏高原的地温分布规律。其中：气象站数据为1971～2011年之间每10年的当年地表20cm处的平均地温监测值和2013年地表20cm处的平均地温监测值，地温和地温梯度时空变化的总体统计结果如图2所示。距地表20cm处的近地表地温位于地层温度的变温带，受气温变化的影响较大，但近地表地温作为气温和地下热源的共同作用，在一定范围内，由于日平均气温差异不大，地表温度的差异分布在一定程度上能够反映地下热源的时空变化。

图1 气象站分布位置图(底图来源：陈红汉等(2013))

由图2可知，近地表温度在过去的近50年内整体呈现上升趋势，且东部的升温速率大于中西部地区的升温速率。通过古地温梯度及当今地温梯度对比，可发现措勤盆地的古地温梯度为2.07℃/100m左右，为中-新生代平均古地温梯度，现今地温梯度为3.4℃/100m左右；岗巴-定日盆地的古地温梯度为3℃/100m左右，为中-新生代平均古地温梯度，现今地温梯度为6.5℃/100m左右；昌都盆地及拉萨盆地的古地温梯度为2.02～3℃/100左右，为中-新生代平均古地温梯度，现今地温梯度为6～6.5℃/100m左右(Decelles et al.，2007; 陈红汉等，2013)。

图2 据地表20cm处年平均地温及地温梯度变化

因此，青藏高原近地表地温场的总体时空规律为：从空间变化上，由北向南，从措勤盆地到岗巴-定日盆地，由西往东，从措勤盆地到拉萨盆地、昌都盆地其地温及地温梯度呈增高趋势；在时间变化上，各个区域的现今地温梯度都较古地温梯度较高，地表20cm处地温近50年来也呈增高趋势。

表2 国内外隧道(洞)高地温情况

1.2 青藏高原近地表地温场分布成因分析

青藏高原近地表地温场的这种时空分布规律有浅部和深度两个层次的原因。对浅部而言，随着气温的升高，地温也随之升高。其他研究学者观测到20世纪90年代之后青藏高原地区冻土深度明显变薄的结论也可支持温度总体上升的现象(周刊社等，2015；刘广岳等，2016; 吴青柏等，2021)；对深部而言，高地温异常与地球内部构造作用密切相关(Tang et al.，2017; Tian et al.，2018; 王云等，2018)。自渐新世以来，随着青藏高原不断隆升，受构造作用的影响，地温梯度呈现普遍增高趋势，直至新近纪至第四纪的青藏高原隆升阶段青藏高原地区的地温梯度依然呈不均匀上升(陈红汉等，2013)。此外，当前青藏高原地区地壳增厚而地幔减薄，这种特殊的壳-幔结构演变除了导致高原隆升之外，还使得区内地温场产生局部的地热异常(Kosarev et al.，1999；Kind et al.，2002)，使得青藏高原东部的地温高于其他区域。

2 某交通线路隧道高地温风险分析

2.1 隧道高地温风险分析

目前评价隧道地温分布的常用方法有类比法、地温梯度法、钻孔测量法及水文地球化学法等方法。其中类比法是将地质环境相类似的工程进行类比分析，很难得到定量的评价结果。水文地球化学法是从地下水的水温、离子成分及浓度等条件来反推隧道地温情况，对于地下水通流区较窄或地下水不丰富的地区则不适用(陈尚桥等，1995)。而地温梯度法因具有计算简便，参数获取较为准确等优点，在实际工程的高地温风险评价分析中应用广泛，例如，严健等(2019)使用钻孔实测地温反演出某交通线路桑珠岭隧道的地温梯度，再使用地温梯度法对隧道整体的高地温风险做出评价分析，取得了良好的效果。

综上考虑，本文选用地温梯度法对某交通线路沿线的高地温风险进行宏观评估，得到某交通线路及邻近区域全线地温空间分布。在此基础上，结合现场地质调查的钻孔地温测试与监测获取的现场数据对地温梯度值进行修正，进一步细化分析某交通线路两座典型隧道折多山隧道及拉月隧道的高地温风险。

地温梯度法的计算公式见式(1)：

T=T0+(D0/100)×(G0+G1)

(1)

式中：T为铁路隧道沿线近地表地温值(℃)；T0为地表近似恒温层地温值(℃)；D0为隧道埋深(m)；G0为地温梯度(℃/100m)，埋深每增加100m，地温增加值(℃)；G1为受地温影响的地温梯度增量(℃/100m)。

根据可研阶段钻孔地温测试与初步分析计算表明：未受地热影响地段的地温梯度普遍偏小，建议取值为2.5～2.7℃/100m，而在隧道沿线一些断裂带处或受地温影响的地段的钻孔实测地温数据表明，地温梯度平均值略微增加，地温梯度约为3.0℃/100m。

由于工程上缺少恒温层温度数据，通常采用地表温度作为地表近似恒温层温度(刘晓燕等，2007)。图3为在建某交通线路雅安至林芝段沿线日均地表近似恒温层温度分布曲线图，为减小误差，分别在每公里处取得一个近地表地温值，再将此温度值与其相近的14个近地表温度值取平均值，将此平均值作为该公里段落的地表温度值。同时计算出每公里段落近地表温度值的标准差，将平均值加(减)标准差，如图3中的阴影部分。从图中可看出沿线的地表恒温温度值T0在-3～20℃之间，除雅安附近近地表温度较高及多吉附近近地表温度较低处于零下外，其余段落的地表近似恒温层温度T0均在0～14℃的范围内。

图3 某交通线路沿线日均地表近似温度分布图(数据来自USGS地温数据)

基于上述方法，在不考虑受地温影响的地温梯度增量的基础上，得到了某交通线路沿线地温空间分布图，如图4所示。由图可知，由于受复杂板块构造的影响，某交通线路的隧道工程穿过多个深大断裂和复杂地质构造区块，导致了某交通线路沿线的地温空间分布表现出复杂的分异性，存在众多地热异常的情况，从而导致了某交通线路面临众多的高温灾害风险。

图4 某交通线路沿线地温空间分布图

然而，由于地表近似恒温层温度数据精度的影响，局部区域的地温异常值可能被忽略，因此需要结合已有的现场调查温泉分布规律和钻孔地温资料，对地温梯度进行修正。在此基础上，分别以折多山隧道、拉月隧道这两座典型隧道为例，对高地温风险定量评价进一步细化。同时，根据TB-10012-2019《铁路工程地质勘察规范》，将高地温风险分为4级：隧道地温≤28℃视为无地热危害；28～37℃视为轻微热害；37～50℃视为中等热害；>50℃视为严重地热危害。高地温风险定量评价结果与分级，如图5～图6所示。

图5 折多山隧道高地温风险分布图

图6 拉月隧道高地温风险分布图

由图5可知，从整体上看，折多山沿线地温分布与埋深具有很好的一致性，尽管根据现场调查资料，折多塘断裂和玉龙希断裂附件发现局部热泉，隧道穿越断层附近的地温梯度存在增加趋势，但最高地温位于埋深最大的位置。因此，折多山隧道的最高地温形成的原因为高埋深所致，在隧道里程CK286左右隧道埋置深度达到了1200多米，属于深埋隧道。根据各等级高地温风险的长度统计数据(图7a)，折多山隧道热害中等及以上段落长约2.4km，占全长11.5%，最高地温42.3℃。

由图6可知，从整体上看，拉月隧道沿线高地温分布规律并不与埋深变化一致。最高地温出现的CK1191附近，最大埋深为约1300m。然而，根据隧址附近钻孔揭示，发现了受断裂F51控制的温泉。因此，此段落隧道的高地温主要是由断裂控制。在CK1185附近，埋深达到了近2400m，根据初步野外地质调查，未发现温泉出漏，因此，此段落隧道埋深对高地温形成的影响最大。此外，拉月隧道附近分布多个温泉，温泉位置与特征如表1所示。拉月温泉、长青温泉均位于线路南侧2～3km附近，温泉温度38～95℃，存在地热异常，导致了隧道相应位置高地温风险增加。综上所述，断裂控制的温泉分布及隧道高埋深使得拉月隧道的高地温问题尤其突出。此外，根据各等级高地温风险的长度统计数据(图7b)，拉月隧道热害中等及以上段落长11.1km，占全长35.6%，最高地温54.7℃，比折多山隧道中等及以上段落的长度长8.6km，其主要的原因也是拉月隧道附近地热异常所致。

表1 拉月隧道附近温泉特征表

图7 隧道高地温风险等级占比

2.2 隧道高地温风险分析方法的局限性

本研究采用的温度梯度法在实际工程应用中具有参数少，计算简便等优势，但在精准预测隧道高地温风险时也具有一定的不确定性，主要包括以下两个方面。

2.2.1 地表近似恒温层温度的不确定性

在隧道工程施工前，通常会钻孔提取地质资料并测定地层的恒温层温度和深度，然后基于温度梯度法反演隧道地温分布情况。然而，某交通线路穿越众多高山峡谷，地势起伏大，河流切割深，相对高差大，在可行性研究阶段，钻孔测温得到恒温层深度和温度资料相对较少，难以获取准确的恒温层温度和深度用于隧道高地温风险预测。在资料相对缺少时，工程上通常采用当地年均气温来代替恒温层温度，刘晓燕等(2007)从能量守恒的角度出发，证明了恒温层的温度等于年均气温，给出了年平均气温代替恒温层温度的合理性。然而，该研究只考虑了大气对地温的影响，忽略了地球内部热源的作用。因此，该方法难以适用对于地热资源相对丰富的地区。地表温度作为大气和地下热源的共同结果，在一定程度上可以反映地下热源的影响情况，因此，本文采用地表温度代替恒温层温度，可以弥补气温代替恒温层温度忽略了内部热源的缺点，减少误差。然而，该方法忽略了恒温层深度的影响，也将在一定程度上加大了隧道高地温风险预测的不确定性。目前地表温度和恒温层温度的相关关系研究较少，今后需进一步加强研究，以减少恒温层温度预测的不确定性。

2.2.2 地温梯度法的不确定性

地壳浅部温度分布受地表温度变化和地下稳态热流的共同作用且作为稳态温度场的瞬时扰动被记录下来(刘佳等，2013)，如图8所示。地温梯度法则是通过地表的瞬时温度反演深部的温度场，然而，从岩土体热传导来讲，如果不考虑冻融作用，热量从地表传导到地下100m需要100年左右时间，传导到500m需要1000年左右。因此计算500m处的地温需要知道1000年前的地表温度，计算1000m深度以下的地温则需要上万年前的地表温度。现有研究表明，最近5个世纪全球地表温度的变化范围为0.89～1.07℃(Pollack et al.，2003)，而上万年的地表温度变化范围将会更大。本文采用当前地表温度反演深部地温，忽略了当前地表温度与历史地表温度的差异，增加了隧道高地温风险的不确定性，相关的不确定性可在后续进一步研究。

图8 影响地温的主要因素及不平衡气候流H与地热流qb的比较(刘佳等，2013)

3 隧道高地温风险成因及可控性分析

3.1 隧道高地温风险成因

一般来讲，隧道的地温分布主要受地表恒温层温度、隧道埋深及地温梯度控制。总体上，随着埋深的增大，高地温风险会加大。表2总结了国内外典型高地温隧道资料，包括隧道埋深，地温，断裂活动、岩性等数据。可以发现，隧道的埋深大小并不是高地温形成的唯一因素。例如位于法国与意大利的里昂—都灵隧道与勃朗峰公路隧道，其最大埋深达到了2000多米，最高地温40℃左右，而拉日线甫当隧道与吉沃希嘎隧道最大埋深为100～250m，最大地温达到了50℃以上。同样，拉林线桑珠岭隧道最大埋深1350m，而最高地温达到了近90℃。国外的里昂—都灵隧道与勃朗峰公路隧道所处的构造环境相对较为稳定(王楚娇，2013)，而拉日线甫当隧道与吉沃希嘎隧道、拉林线桑珠岭隧道由于处于活动断裂构造区，地热活动强烈，例如桑珠岭隧道穿越沃卡地堑东缘断裂带(严健等，2019)；吉沃希嘎隧道则受雅鲁藏布江缝合带的影响。由此可见，除埋深外，隧道高地温风险与地球构造作用、内部热过程等因素密切相关。因此，虽然埋深是某交通线路的长大埋深隧道高地温问题出现的主要影响因素，但是构造活动引起的地热异常是某交通线路高地温风险问题的关键因素，在某交通线路工程的深部高地温风险防控方面尤其需要引起重视。

3.2 隧道高地温可控性分析

某交通线路典型隧道高地温风险可控性分析可通过工程地质类比的方式进行分析。工程地质类比法属于定性评价的一种，它的实质是将已有的隧道高地温风险进行总结归纳后，应用到地质条件相似的隧道高地温风险的评价研究中，是一种经验方法，应用广泛。本文通过隧道的岩性、断裂带、埋深等基本特征来确定类比对象，然后以最高地温评价拉月隧道和折多山隧道的高地温风险可控性。在表2的基础上，绘制国内外隧道高地温对比图，如图9a所示。由图可知，当前有9条已建成隧道的最高地温值大于折多山隧道的最高地温值，有7条已建成隧道的最高地温大于拉月隧道的最高地温值。其中：桑珠岭隧道、高黎贡山隧道，日本的安房公路隧道的岩性基本为花岗岩、片麻岩，砂岩等，且均受导热断裂带的影响，这与拉月隧道，折多山隧道的工程地质条件极为相似，因此可作为类比对象。由表2可知，3条类比隧道的埋深均小于拉月隧道与折多山隧道埋深，但桑珠岭隧道、高黎贡山隧道、日本安房隧道的最高地温值分别为：89℃、60℃、75.5℃，均高于拉月隧道54.7℃和折多山隧道的42.3℃。此外，3条类比隧道通过合理的防控措施，均已克服高地温风险并顺利建成，因此可判定拉月隧道和折多山隧道的高地温风险在合理的工程措施下总体上是可控的。

图9 国内外隧道高地温风险对比

4 结 论

青藏高原复杂的地质构造条件，使得该地区的地温的分布特征与演化规律具有很强的地域性和特殊性，地热灾害频繁。高地温风险是规划某交通线路深埋长隧道不可避免的一个突出的问题。本文在对青藏高原地温场分布时空规律及成因进行总体梳理总结的基础上，对某交通线路典型深埋隧道高地温风险及可控性进行了分析，并对其成因进行了探讨，得到如下主要结论：

(1)青藏高原近地表地温场分布在时空上表现出显著的分异性，总体上表现为：空间上，由北向南，从措勤盆地到岗巴—定日盆地，由西往东，从措勤盆地到拉萨盆地、昌都盆地其近地表地温呈增高趋势；时间上，各个区域的现今地温梯度都较古地温梯度较高，地表20cm处地温近50年来也呈增高趋势。地温梯度变化与青藏高原地区地球内部热过程、构造作用等因素密切相关，地热异常多受由板块运动形成的断裂所控制。

(2)对某交通线路的折多山隧道、拉月隧道等典型深埋长大隧道的高地温风险进行了定量评价，得到隧道各部分的高地温风险分布特征及规律。对高风险区段进行了统计：折多山隧道热害高风险区占全长11.5%，最高地温42.3℃；拉月隧道占全长35.6%，最高地温54.7℃，其分布和穿越的缝合带、断层带密切相关。拉月隧道的高地温风险较大，应加强对高地温危害的防控。

(3)某交通线路隧道高地温风险成因分析表明，深部高地温风险受多种因素综合作用，除埋深因素外，地质构造引起的热流异常是引起高地温风险的关键因素，在规划建设某交通线路过程中需加强科学综合防控。

(4)通过对比工程地质背景类似的国内外工程实例，对某交通线路典型深埋长大隧道高地温风险进行可控性分析，结果表明：多个高地温风险大于拉月隧道的隧道均已建设成功。因此，某交通线路面临的深部高地温风险在合理的工程防控措施下总体可控。