地熱田區(qū)地熱特征分析及對鐵路隧道影響研究

李 鵬 程

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,湖北 武漢　430000)

1　工程概況

新建鐵路梅州至潮汕鐵路始于廣東省東部梅州市梅縣區(qū)南口鎮(zhèn)，止于廣東省揭陽市沙溪鎮(zhèn)廈深客運專線潮汕站，線路正線全長121.548 km。擬建豐順隧道進口位于梅州市豐順縣建橋鎮(zhèn)下坪塘村，出口位于梅州市豐順縣東聯(lián)鎮(zhèn)虎局村。隧道里程為：DK47+765～DK62+153，全長14 388 m，最大埋深830.5 m，內(nèi)軌設計標高174.629 m～69.087 m。

2　地質(zhì)概況

2.1　地形地貌

低山丘陵區(qū)植被發(fā)育，自然坡度25°～40°，溝谷多呈“V”字型或“U”字型，最高點位于豐田嶂西側的韓山，主峰海拔+1 042.9 m，豐順隧道正好從韓山主峰下方穿過。豐順隧道全長14 388 m，最大埋深830.5 m，隧址區(qū)山高林密，草木茂盛，自然坡度較陡，溝底狹窄，多順直，隧道中部國道G206附近谷地較開闊，多辟為農(nóng)田。

2.2　地層巖性

地表地層主要為第四系全新統(tǒng)粉質(zhì)黏土，洞身地層主要為侏羅系上統(tǒng)安質(zhì)凝灰熔巖、凝灰?guī)r、英安斑巖、流紋斑巖等雜質(zhì)砂巖，燕山期花崗巖。

2.3　地質(zhì)構造

隧址區(qū)在大地構造上處于粵東隆起帶，位于東西向佛岡—豐良深斷裂帶、北東向蓮花山深斷裂帶與北西向榕江大斷裂帶的交匯部位，受上述構造疊加影響，區(qū)內(nèi)構造活動強烈，其中以北東向構造最為發(fā)育，次為北西向和東西向。隧道線路在里程DK50+560,DK56+620,DK61+380附近，分別穿越了建橋斷層、豐良斷層、湯西斷層，三條斷層均為北東向，屬于新華夏系構造體系之蓮花山斷裂帶的次級斷層，其性質(zhì)為壓性。另外根據(jù)物探推斷，在隧址區(qū)發(fā)現(xiàn)有20條小斷層，整體走向以北東為主，次為東西向，傾向南或南東。

桐子洋復式向斜，以桐子洋——走馬崗為中心軸線，呈北東50°左右方向展布，向斜核部位于韓山。北西翼巖層產(chǎn)狀35°，南東翼巖層產(chǎn)狀稍陡，40°～65°左右褶皺被區(qū)內(nèi)北東走向斷層切割，呈斷塊展露，受褶皺構造影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎。

2.4　水文地質(zhì)

隧道區(qū)地下水類型包括第四系松散巖類孔隙潛水、基巖裂隙水。孔隙潛水主要分布于隧道通過區(qū)的溝谷中，含水層為第四系殘積黏性土，由于含水層厚度不厚，水量很小。基巖裂隙水含水層巖性主要為英安斑巖、流紋斑巖及花崗巖，地表風化帶節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖石整體較破碎，含水性中等～弱；弱風化～未風化的基巖較完整，賦水性弱。隧址區(qū)構造及節(jié)理裂隙較發(fā)育，構造裂隙帶富水性和導水性相對較好，但北東向斷裂和東西向斷裂均以壓性為主，豐水性和導水性較差。

2.5　地熱地質(zhì)

2.5.1地熱流體的形成機理

隧址區(qū)地熱田形成機制可概括為：區(qū)內(nèi)大氣降雨入滲及圍巖網(wǎng)狀裂隙水直接或間接補給帶狀構造裂隙水后，構造裂隙水在水頭壓力及其他因素的共同作用下，沿斷裂破碎帶往下運移，在深部接受熱能傳遞，地下水溫度不斷升高，并不斷溶解圍巖中的SiO2，F(xiàn)等礦物質(zhì)，在熱動力與水動力作用下產(chǎn)生垂直對流運動，密度低的熱流體沿著北西向斷裂破碎帶尤其是斷層交匯部位向上運移，在運移中溫度較高的熱流體部分熱量在圍巖中散失，同時可能會有淺層冷水的混入，從而使熱流體溫度自下而上逐漸變低。地熱流體沿地下通道上升，并在地勢較低、覆蓋層較薄或裂隙裸露處涌出地表形成溫泉。

2.5.2熱儲特征及其埋藏條件

隧址區(qū)地熱流體主要受斷層控制，次為受巖性控制。北東向斷裂為隧址區(qū)的主要控熱構造，東西向為次要控熱構造，北西向斷裂為隧址區(qū)主要的導水導熱構造。隧址區(qū)地熱田以對流傳導熱為主，熱儲類型為帶狀裂隙型熱儲，為承壓型地熱。

2.5.3地熱田邊界條件

隧址區(qū)地熱田平面上呈現(xiàn)出北西向展布的長條狀、不規(guī)則的渾圓狀、斜“S”狀，熱儲的邊界條件受到地層、構造和巖漿巖共同控制。

3　熱流體化學特征

3.1　地熱流體化學組分特征

通過對隧址區(qū)地熱田熱礦溫泉水和鉆孔水進行取樣，實驗室化學分析結果表明：區(qū)內(nèi)溫泉水中陽離子以Na+為主，含量85.6 mg/L～77.7mg/L，次為Ca2+,K+，含量分別為2.47 mg/L～17.1 mg/L,3.97 mg/L～6.91 mg/L，Mg2+含量微；而隧道鉆孔地下水陽離子以Ca2+為主，其次為K+。各地熱田及鉆孔水中陽離子對比如圖1所示。從溫泉水與孔內(nèi)水化學成分差異性巨大可知二者來源不同。

3.2　同位素地球化學

3.2.1同位素特征

氫同位素(δD)和氧同位素(δ18O)是判斷地下水來源的天然示蹤劑，為了研究隧址區(qū)地熱水及鉆孔冷水的補給源，研究工作在鄧屋、豐良等四個地熱田及隧道DK45+760,DK57+300處兩個鉆孔中采取水樣進行氫氧同位素分析，其分析結果見表1。由表1可知，地熱流體氫同位素(δD)變化范圍-48.1‰～-45.5‰，氧同位素(δ18O)變化范圍-7.4‰～-6.9‰；鉆孔地下冷水氫同位素(δD)變化范圍-45.9‰～-42.7‰，氧同位素(δ18O)變化范圍-7.0‰～-6.7‰。氫同位素變化幅度-5.4‰，氧同位素變化幅度-0.7‰，其變化幅度均不大。

表1　氫氧同位素分析結果表

‰

3.2.2水來源判別

氫同位素(δD)和氧同位素(δ18O)是判斷地下水來源的天然示蹤劑，為了研究隧址區(qū)地熱水及鉆孔冷水的補給源，將分析數(shù)據(jù)投影到δD-δ18O圖上(見圖2)，圖2中斜線為大氣降水線方程，隧址區(qū)地熱水及鉆孔內(nèi)冷水均落在大氣降水線附近，這說明溫泉水與鉆孔內(nèi)冷水一樣，均來源于大氣降水。

3.2.3補給區(qū)溫度及補給高程

隧址區(qū)地熱田地熱水來源于大氣降水補給，而大氣降水的同位素補給一般具有高程效應，即是在地形起伏較大的地區(qū)，大氣降水中的氫同位素(δD)和氧同位素(δ18O)隨著地面高程的增加而逐漸降低。利用中國大氣降雨高程效應公式、大氣降雨氧同位素(δ18O)、氫同位素(δD)與平均氣溫的關系公式可計算出補給區(qū)溫度及補給高程。公式如下：

δD=-0.02H-27；

δ18O=(0.521±0.014)t-(14.96±0.21)；

δD=3t-92。

其中，H為補給高程，m；t為補給區(qū)溫度。

通過計算結果可知，補給區(qū)平均溫度為15.19 ℃，補給區(qū)高程為787 m～1 056 m，平均965 m，地熱水補給高程較鉆孔冷水略高。

4　地熱與隧道影響分析

4.1　隧道地溫預測

勘察工作在豐順隧道及其附近的云山隧道共施工8個深孔，并進行了鉆孔全孔測溫工作，根據(jù)測溫數(shù)據(jù)計算得每個鉆孔的地溫梯度值，具體測溫數(shù)據(jù)見表2。

表2　鉆孔地溫梯度值　℃/100 m

根據(jù)地溫梯度理論計算公式，預測工程最大埋深地溫值。計算公式如下：

T=t+(H-h)·gγ。

其中，T為H深度處隧道原巖溫度，℃；H為隧道最大埋藏深度830.5 m；h為常溫帶距地面厚度，一般取30 m；gγ為隧址區(qū)地溫梯度，取鉆探實測平均值1.28 ℃/100 m；t為地區(qū)恒溫層溫度(多年平均氣溫21.4 ℃)。

預測隧道埋深最大處地溫值為T=21.4+(830.5-30)×1.28/100=31.75 ℃，隧道DK47+765～DK51+100，DK53+600～DK62+153段溫度小于28 ℃，無熱害；DK51+100～DK53+600段溫度28 ℃～≤31.65 ℃，熱害輕微。

4.2　地熱流體對隧道建設影響分析

4.2.1隧道線路與溫泉分布的空間關系

距隧道路線最近的地熱田為北斗地熱田，分布于線路DK58+500～DK62+153段南西側，最近處直距約5 km，北東側豐良地熱田據(jù)隧道線路直距約9.5 km，就平面分布情況看，地熱田出露區(qū)距隧道選址區(qū)較遠。

在垂直方向上，隧址區(qū)地熱田出露標高在+7 m～+98 m之間，其中豐良溫泉出露標高較高，為+92 m～+98 m，其附近的鐵路隧道內(nèi)軌設計標高+170 m；北斗溫泉出露標高+30 m～+40 m，附近的鐵路隧道內(nèi)軌設計標高+69 m～+113 m，其余溫泉標高在+7 m～+25 m。從縱向分布情況看，鐵路隧道內(nèi)軌設計標高均高于其附近出露的溫泉標高。

4.2.2地熱對擬選線路影響分析

1)標高條件。隧址區(qū)地熱田主要受構造控制，其熱儲為帶狀熱儲，地熱流體是從上往下深循環(huán)的對流系統(tǒng)，隧道路線設計標高高于附近溫泉出露標高，之間也無溝通斷層，因此，地熱對擬選線路無影響。

2)巖性條件。隧址區(qū)及地熱田區(qū)巖性主要為陸相火山噴發(fā)的流紋巖、英安巖、安山巖及燕山期侵入的花崗巖。在無構造裂隙發(fā)育的地段，地下水主要以網(wǎng)脈狀風化帶裂隙水為主，風化帶以下巖石相對完整，密實，導水性和導熱性較差，為構造帶裂隙水及地熱水的相對隔水層，不利于地熱流體的連通。

3)構造條件。隧道線路穿越的區(qū)域斷層有北東向建橋斷層、豐良斷層、湯西斷層，該組北東向斷層為區(qū)域性控熱斷層，雖與北西向?qū)畬岬姆谒當鄬印⒖幼涌跀鄬酉噙B通，但北東向斷層為強烈擠壓的逆斷層，其含水性及導水性較差。隧址區(qū)溫泉大都出露于北東向與北西向、或東西向與北西向斷層的交匯部位，而隧道線路附近均未見有三個方向的斷層交匯。因此，隧道線路無地熱流體存在的構造條件。

綜上所述，從隧道線路內(nèi)軌設計標高、巖性條件、構造條件分析說明，地熱流體對擬選線路基本無影響。

5　結語

地熱雖對隧道圍巖影響不大，但過高的溫度會對隧道襯砌結構安全產(chǎn)生重要影響，并影響日后施工及運營，所以查明地熱成因、分布狀況、具體溫度值等對隧道選線及設計工作至關重要。應采用綜合方法對地熱開展選線及勘察工作，對高地溫危害區(qū)段，設計施工時應采用相應降溫、排水及通風系統(tǒng)，并備好必要的排水、通風設備，做好高地溫施工預案，對隧道內(nèi)地下水加強監(jiān)測(水溫、水量)，施工期間開展地溫超前地質(zhì)預報工作。

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