鐵路工程地熱勘察關鍵技術研究

劉爭平

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 714300)

1 概述

全新世火山或巖漿活動強烈、地溫梯度異常、地表熱顯示發育的地區，施工過程中可能出現高巖溫或高溫熱水(汽)等熱害現象［1］。對于鐵路工程，熱害現象特別是對隧道施工及結構設計有很大影響。在高地溫地區開展地質勘察稱之為高地溫地質勘察，或稱為地熱勘察。

拉日鐵路在雅魯藏布江峽谷區色麥至仁布段，近垂直地通過那曲—羊八井—尼木水熱活動帶，線路通過長度約60 km［2］。在地熱地區修建鐵路工程時，如何進行地熱勘察，是拉日鐵路地質勘察的難點。

鐵路工程地熱勘察深度一般取決于隧道工程的埋深，其勘察手段和方法也比地熱資源勘察要相對簡單，但是其勘察思路和方法是一致的。

拉日鐵路地熱勘察首先制定了合理的勘察大綱，然后采取了鉆探、物探及水文地質測試等勘察手段，最后結合室內試驗，數據整理，為設計提供了經施工驗證準確可靠的勘察資料。

本文結合拉日鐵路地熱勘察的經驗和體會，對鐵路工程地熱勘察的關鍵技術進行了總結研究，可為同類地區地熱勘察提供參考。

2 采用相關勘察標準，制定合理的勘察大綱

目前，我國地熱勘察執行標準主要是地礦部門對于地熱資源勘察所制定的一些規范和標準，主要有:《地熱資源地質勘查規范》［6］、《淺層地熱能勘查評價規范》［4］、《地熱資源評價方法》［9］等。

在鐵路工程地質勘察中，高地溫地質勘察(即地熱勘察)主要依據《鐵路工程不良地質勘察規程》［1］來進行。

在拉日鐵路勘察初期，依據《鐵路工程不良地質勘察規程》，并借鑒地礦部門地熱勘察規范，制定拉日鐵路工程地質勘察大綱。明確地熱區域的調查內容，確定綜合勘察手段，明確主要工程設計參數，從而有序地開展地熱勘察。

3 利用綜合勘察手段，合理進行地質選線

2007年，拉日鐵路就進行了初測、定測工作，進行了大量的地質調查和勘探;2010年進行了補充定測工作。

地質調查主要搜集了沿線的區域地質資料、水文地質、遙感照片、構造及斷裂分布、地表溫泉及熱泉、地溫實測資料、氣象資料等，劃定了地熱帶分布范圍。

地質勘探方面，采用深孔鉆探，確定構造帶范圍及巖性特征，開展孔內地溫測試及孔內水文試驗，計算地溫參數;采用物探手段(主要采用了電法和震法勘探)確定地熱賦存的構造帶范圍和深度，查明第四系覆蓋層厚度和基巖破碎程度等;采用室內水質分析、巖礦分析，對于地熱特征參數進行綜合研究。

綜合勘察資料對于地熱發育地區的鐵路選線提供了依據。拉日鐵路選線時，由于線路與地熱活動帶近垂直通過，無法繞避該地熱帶，所以盡量抬高線路高程，減小隧道長度，采用了淺埋隧道的方案［3］。所以，在地熱地區選線可以總結為“三減少”，即:減少隧道埋深，盡量抬高線路;減少高溫區域，盡量靠近雅江;縮短通過長度，線路盡量正交通過熱害區?！?/p>

4 利用鉆孔地溫測試，確定地熱特征參數

在深孔中進行地溫測試，可以準確測試出該地區的地熱分布情況，并準確掌握隧道設計洞身處的地溫環境。同時，利用鉆孔地溫測試成果，確定地熱特征參數，主要包括:恒溫帶深度、地溫梯度、大地熱流值等。

4.1 恒溫帶深度

地表以下某一深度范圍內地溫隨晝夜及四季氣溫的變化而明顯變化，將這一范圍稱為變溫帶(層)，即大氣溫度影響的深度范圍。

在變溫層以下地溫常年保持不變的地帶，稱為恒溫帶(層)［4］，也稱之為常溫帶(層)［5］。地熱研究過程中，主要研究恒溫帶的地溫變化，所以首先要確定恒溫帶埋藏深度及其溫度。習慣上，將恒溫帶頂部的埋藏深度簡稱為恒溫帶深度(用d0表示)，亦即變溫帶厚度，該深度處地溫年較差為零，這一深度的地溫值習慣上稱為恒溫帶溫度(用T0表示)。

關于恒溫帶深度的確定方法有兩種。

(1)通過長期觀測資料統計得出

利用恒溫帶的定義，通過地溫長期觀測數據，繪制不同時間段、不同時期的地溫實測曲線，曲線上部交匯點即為恒溫帶深度，其地溫值即為恒溫帶溫度。此方法的優點是取得的數據準確性高，缺點是需要很長時間、多次測試。

(2)通過當地的年平均氣溫得出

根據《淺層地熱能勘查評價規范》［4］的釋義:恒溫帶在自然狀態下，該層熱能受太陽能和大地熱流的綜合作用，地球內熱形成的增溫帶與上層變溫帶影響達成平衡，所以該層溫度與當地的年平均氣溫大致相當［4］。

因此，現場可收集當地的年平均氣溫數據，在一次地溫測試曲線上就可以直接讀出恒溫帶深度，當然此時的恒溫帶溫度就是其年平均氣溫值了。此方法的優點是省時，缺點是誤差大，由于是一次測溫資料，故受地溫測試的準確度影響大;受氣象資料影響也很大，如果當地沒有氣象資料，或氣象站點與實測地點氣候特征相差很大，均無法實施。

如果數據充足，采用此兩種辦法時，可根據計算結果取其大值。

4.2 地溫梯度的確定

地溫梯度是指地表以下不受大氣溫度影響的地層中溫度隨深度增加的增長率。通常用恒溫帶以下每100 m深度所增加的地溫值來表示，也稱為地熱增溫率［6］。

根據地溫曲線計算地溫梯度時，首先將變溫帶厚度以內的數據先剔除掉，只剩余恒溫帶的地溫實測數據，由于溫度T是深度H的線性函數，然后用最小二乘法進行曲線擬合，求出地溫隨深度變化的線性方程，其形式為

T=aH+Ts

式中，a為直線的斜率，即地溫梯度，可換算成用(℃/100 m)表示的形式;Ts為直線與地表交點處的溫度，即地表的年平均地溫。

拉日鐵路隧道鉆孔中地下水不發育，隧道地熱表現形式主要為高巖溫，地熱曲線類型為直線型，如拉日鐵路鉆孔JWZ-1的地溫曲線［7］(圖1)。經過數據回歸，該鉆孔地溫梯度為38.37℃/100 m。地溫隨深度變化的線性回歸方程為

T=0.383 7H+23.60

地溫梯度與地形、地質構造、巖石導熱性能、水文地質條件、巖漿活動等因素有關。各地區差異很大，同一地區不同部位也有差異［1］，計算結果不能按照常數考慮。

圖1 拉日鐵路鉆孔JWZ-1地溫曲線

4.3 大地熱流計算

大地熱流是地球內熱以傳導方式傳輸至地表的熱量，在單位時間內通過單位面積的大地熱流為大地熱流值［4］，它是一個綜合參數，能反映該地區的地熱場基本特點，鐵路勘察中主要判定其大地熱流值是否異常，為地熱選線和地熱采暖等工程提供依據。大地熱流計算公式［5］如下

以鉆孔JWZ-1為例，其地溫梯度為38.37℃/100 m，地層主要為花崗閃長巖及閃長巖，導熱系數取2.72 W/m℃，其大地熱流值為104.37 mW/m2。我國西南地區的大地熱流統計值一般在70～85 mW/m2［8］;沿雅魯藏布江縫合帶，高熱流值在 91 ～364 mW/m2［8］，拉日鐵路地熱發育地區位于雅魯藏布江縫合帶上，該大地熱流值計算值正好位于此范圍。

4.4 隧道洞身溫度確定

預測洞身溫度對于隧道施工組織和隧道設計有積極的指導作用。如果鉆孔位置及深度正好位于隧道洞身附近，可以根據地溫實測曲線很直接的確定隧道洞身位置處的溫度。實際勘察中，鉆孔平面位置往往偏離隧道一定距離，此時需要根據孔內實測溫度推算設計洞身溫度。根據傅立葉熱傳導理論，地熱傳導在均質空間存在較規則的等溫面，所以可按照等厚度原則進行推算，即按照實際隧道埋深，在地溫曲線上相同深度處的地溫即可近似等于洞身溫度。

如果隧道埋深很大，而鉆孔深度遠遠沒有到達隧道洞身范圍，此時就需要根據地溫梯度進行推算，公式如下［9］

拉日線吉沃希嘎隧道勘察鉆孔JWZ-1偏離隧道中線15 m，孔內最高溫度65.4℃［7］，推測洞身溫度應該在64℃左右;而在2012年施工中實測掌子面溫度最高為53℃［10］，誤差約為17%。分析其原因主要是由于風鉆鉆進為帶水鉆進、隧道內預先采用淋水降溫等措施，所以掌子面表層溫度有所降低。

可見，勘察期間地溫測試結果能夠反映掌子面巖溫，為隧道施組設計提供依據。

5 利用物探結果，確定地熱帶分布范圍

地熱物探工作主要確定與熱儲有關的地質構造，巖漿巖體的分布、規模及性質，查明構造斷裂帶的走向及斷層帶破碎程度，查明第四系厚度，地下水埋深、流速、流向等。

拉日鐵路線路平行于雅江，沿線主要斷層帶近垂直于雅江，所以物探剖面平行線路布置(基本垂直于斷裂帶)，勘探手段主要采用電法和震法進行，經過大量測試，確定了隧道地熱帶在平面和剖面上的分布范圍。在同類地區，如果有必要時，也可采用其他物探手段。

6 利用室內試驗結果，評判地熱影響

地熱地段的巖礦特征、水質特征有別于一般地質環境。經過現場針對性的取樣，在室內進行有目的性的試驗，取得了大量的熱物理參數，很好地評判了地熱條件。根據拉日鐵路現場勘察經驗，下面僅就巖礦分析、水質分析以及地溫溫標計算的有關體會做一些總結和強調。

6.1 巖礦分析

地熱區域的巖礦特征參數主要關心熱物理參數，所以要對巖土的各項熱物理參數進行測試，包括地層的導熱系數、比熱、孔隙率、滲透率、密度、容重等。

針對大地熱流計算，必須要獲得整個地層的巖石導熱系數，可以通過室內試驗測出不同深度巖土樣的導熱系數，按照巖樣代表的地層厚度求出其地層的等效導熱系數。

針對溫泉(熱泉)出露點，要進行泉華取樣分析，化驗其土化學特征，以便對照水質分析結果，剖析其水熱環境。

針對與熱儲密切相關的巖石，做進一步研究時，可進行巖礦同位素年齡、放射性含量、古地磁、古生物化石、巖石化學成分測試等。特別的，在進行地下水水質研究時，有必要對母巖做化學分析，如 SiO2、Hg、As、Bi等的含量，以此與地下熱水成分對比來判定水熱環境、熱水上升過程中的冷水參與份額、巖石溶解程度等。

6.2 水質分析

地熱區域的水質分析以全分析為主，分析項目要盡量細致，有必要時還要測試水中的氣體成分、放射性元素等。水樣要包括:地表水、大氣降水、地下水(包括溫泉水、地下熱水)等。

水質分析結果要評判水的侵蝕性等級、水環境分級，進一步分析水熱環境、熱水來源等，以便為工程提供依據。

需要注意，水質分析時對于鈉鉀含量的測試建議采用火焰原子吸收分光光度法［11］(《鐵路工程水質分析規程》［12］為原子吸收分光光度法［12］)進行測試，其測試精度高，不要采用差減法［12］計算其鈉鉀總含量。對于水中SiO2含量一定要測試，其含量是地溫溫標計算的主要參數。

分析地下熱水來源時，要對地熱區域的地熱水、地表水、大氣降水進行取樣，對比分析。

6.3 地溫溫標計算

根據地下熱水的化學成分、氣體成分和同位素組成等計算熱儲的溫度，稱之為溫標計算。溫標計算主要有SiO2溫標、Na-K溫標、Na-K-Ca溫標、K-Mg溫標、氣體地熱溫標、混合溫標等，采用何種計算方法，一定要先掌握其適用條件，再按照各計算公式所需的參數，取樣分析，有目的地測試相關參數。

7 開展超前地質預報

結合隧道施工，開展隧道內超前地質預報，是很好地預測和判定地熱發育情況的手段。

在拉日鐵路地熱隧道超前地質預報工作中，主要采用了地質素描、超前水平鉆孔、紅外探測、地質雷達、掌子面地溫測試、隧道內氣溫測試、隧道內出水點水質分析等方法，綜合判釋地熱發育情況，及時指導了施工，取得良好效果。

8 開展地熱專題研究

開展地熱方面的專題研究，對地熱勘察技術的提高和完善起到很大的促進作用。

拉日鐵路在施工階段，設計單位積極與有關科研機構、高等院校、施工單位等進行合作，結合隧道掘進進程、地溫測試及地質勘察，開展了《高原鐵路高地溫場熱害預測評估及工程對策研究》、《特高巖溫隧道襯砌結構關鍵技術研究》、《高巖溫、高水溫隧道施工熱害防治及運營通風技術研究》、《拉日鐵路高巖溫隧道施工爆破關鍵技術研究》等一系列課題攻關，為建設高質量拉日鐵路奠定了堅實的技術基礎［13］。

9 進行地溫分級并制定應對措施

9.1 地溫分級

高地溫地區地質勘察應根據工程措施進行地溫分級［1］。拉日鐵路地溫分級根據我國目前隧道施工技術狀況和勞動保護要求，借鑒《鐵路工程不良地質勘察規程》條文說明中鐵二院在大瑞線高黎貢山隧道地溫帶劃分標準［1］，同時考慮拉日鐵路沿線氣候特點，將地溫進行分級(表1)［14］

表1 拉日鐵路地溫分級

9.2 制定隧道施工預案

根據地溫分級標準，制定拉日鐵路隧道施工預案(表 2［14］)。

對于拉日鐵路吉沃希嘎隧道，勘察時地溫鉆孔內最高溫度65.4℃，所以考慮隧道施工環境溫度過高，影響襯砌安全，或可導致工人無法正常施工，設計時采用了橫洞進行通風降溫。

表2 地熱隧道施工預案

根據拉日鐵路施工揭示，隧道掌子面地溫最為明顯的是吉沃希嘎隧道，最高巖溫達到53℃，施工過程中采取了降溫通風、淋浴式通風、掌子面灑水降溫等措施，保證了洞內工作氣溫在30℃以下，達到了很好的效果。其他地熱隧道地溫一般都在30℃以下，所以采用強通風措施即可解決施工問題?？梢?，先期的施工預案很好地指導了現場施工。

另外，除了施工預案以外，在隧道襯砌結構設計方面，選擇和控制二襯混凝土材料，控制混凝土施工工藝和養護條件［10］，確保了地熱隧道安全可靠。

10 結語

(1)拉日鐵路地熱勘察中，針對其地熱分布特點，制定了合理的勘察大綱，開展綜合地質勘察;在勘察手段上采用地質調查，結合鉆孔孔內地溫測試、物探、室內試驗、數據分析等方法，很好地為設計提供了地質勘察資料。

(2)在鉆孔地溫測試、水質分析、巖礦分析方面，針對地熱特點，開展有目的性的、有針對性的測試、取樣及數據計算，非常必要。

(3)在施工階段，開展超前地質預報，開展課題研究，為完善地熱勘察資料打下了基礎。

(4)本文總結研究的地溫測試關鍵技術，可為類似地區的地熱勘察工作提供依據和借鑒。

［1］ 中華人民共和國鐵道部.TB10027—2012 鐵路工程不良地質勘察規程［S］.北京:中國鐵道出版社，2012.

［2］ 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新建鐵路拉薩至日喀則線初步設計總說明書［R］.西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2010.

［3］ 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):41-45.

［4］ 中華人民共和國國土資源部.DZ/T0225—2009 淺層地熱能勘查評價規范［S］.北京:中國標準出版社，2009.

［5］ 徐世光，郭遠生.地熱學基礎［M］.北京:科學出版社，2009.

［6］ 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T11615—2010 地熱資源地質勘查規范［S］.北京:中國標準出版社，2010.

［7］ 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新建鐵路拉薩至日喀則線地溫實測數據匯總［R］.西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2010.

［8］ 田廷山，李明朗，白冶.中國地熱資源及開發利用［M］.北京:中國環境科學出版社，2006.

［9］ 中華人民共和國地質礦產部.DZ40—85 地熱資源評價方法［S］.北京:中國標準出版社，1986.

［10］雷俊峰.拉日鐵路吉沃希嘎隧道地熱影響分析及工程對策［J］.鐵道建筑，2013(9):31-33.

［11］國家環境保護局.GB11904—89 中華人民共和國國家標準水質鉀和鈉的測定［S］.北京:中國標準出版社，1990.

［12］中華人民共和國鐵道部.TB10027—2012 鐵路工程水質分析規程［S］.北京:中國鐵道出版社，2003.

［13］中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新建鐵路拉薩至日喀則線隧道地熱處理對策及施工組織設計［R］.西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2010.