引入盾構技術開發利用深層地熱能

張英群 張延夕

摘? 要：探索分析引入盾構技術直接開發利用基礎地熱能的可行性。地熱梯度及地熱資源的分布特點揭示，只要有足夠的深度就能獲得足夠的地溫。傳統的地熱勘查和地熱開發技術受到多種因素制約，使地熱資源的開發利用受到了極大的限制，引入盾構技術開發利用深部基礎地熱資源，將是一種顛覆性和革命性的地熱開發技術。本文通過分析地熱資源的分布特征，結合盾構技術的特點，探索一種廣泛利用基礎地熱能的技術、方法和可能性。

關鍵詞：深層地熱;干熱巖;清潔能源;盾構技術;地熱開發利用

中圖分類號：P314? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1007-1903（2019）02-0012-06

Abstract： This paper mainly studies the feasibility of development and utilization of basic geothermal energy by shield tunneling technology. According to the geothermal gradient and distribution characteristics of geothermal resources， it reveals that enough geothermal energy can be obtained as long as enough depth. Traditional geothermal exploration and development technology is restricted by many factors， limiting the development and utilization of geothermal resources. It will be a revolutionary technology for introducing shield technology to develop and utilize deep geothermal resources. This paper attempts to study the possibility of wide utilization of basic geothermal energy on the basis of distribution characteristics of geothermal resources， the technical characteristics and application status of shield tunneling.

Keywords： Deep geothermal energy;Hot dry rock;Green energy;Shield tunneling technology;Development and utilization of geothermal energy

0 引言

地熱能來源于地球深部熔融的巖漿及放射物質的衰變。地核的溫度近6000℃，地殼底部的溫度達1000℃。地表常溫層以下，約15km范圍內，地溫隨深度增加而增高。地熱平均增溫率約為3℃/100m。不同地區地熱增溫率有差異，接近平均增溫率的稱正常地溫區，高于或低于平均增溫率的地區稱地熱異常區。

地熱異常區是傳統研究、開發地熱資源的主要對象（3500m以淺的地下熱水、干熱巖和淺層地熱能）。地熱資源根據開發利用現狀及深度特點可分為淺層地熱能、中深層地熱能和深部干熱巖。淺層地熱能埋藏深度一般較淺，在0～200m之間，溫度略高于當地常溫帶溫度或當地年平均氣溫，屬于低溫地熱資源，熱能的利用一般是通過熱泵換熱技術的間接利用方式。中深層地熱能埋藏在200～3500m深度，屬于中低溫地熱資源，溫度在25℃～150℃，儲存形式有地下熱水和干熱巖兩種，可直接利用或發電。深部干熱巖埋藏在3500～10000m深度，屬于高溫地熱資源，分布極其廣泛，溫度往往高于150℃，一般用于發電，也可直接利用。

淺層地熱能廣泛分布，但由于熱能較低，開發利用限于城鎮居民區，主要用于城鎮居民生活供熱和制冷。中深層地熱能，目前以利用地熱水為主，主要用于沐浴、供熱采暖和溫室種植與養殖，由于高溫地熱異常區分布的局限，用于地熱發電的有限;平原地區雖然資源分布很普遍，但回灌問題未能很好解決，造成地熱水位普遍下降，地熱尾水中溶解著大量的礦物質和鹽分冷卻后析出，造成環境污染，破壞了原有的地下水平衡系統等。深部干熱巖廣泛分布于地殼表層，3500～10000m的深度，幾乎不受地域的限制，包括人類集聚區的大中城市，特別是沿海地區。基本上可以說，只要深度足夠大，就可以獲得足夠高的地熱能。換句話說如果利用這個層位的地熱資源幾乎無需詳細勘查，只需初步調查，不屬極高的地熱負異常區和構造活動帶，即可直接開采利用。

據報道，我國深部3～10km地熱資源基數折合標準煤860萬億噸，美國折合標準煤482萬億噸（不包括黃石地區）;但我國地熱能發電僅為26.6MW，美國為3595.5MW（相差135倍）。在地熱能資源探測技術方面，世界平均干熱巖探測與開發深度均超過5km，我國剛剛起步，開發利用幾乎空白。

1 深部地熱能開發利用面臨的主要困難

就目前的垂直鉆探技術而言，由于勘查和成井深度限制，一般的勘查鉆探均在3500m左右，我國正在實施深地科學鉆探才6300m（溫度已達250℃）;成井開發鉆探為2535m，多為“1”字形直筒地熱開采井。

具體困難在于，傳統的鉆探設備由于其工藝為先鉆孔后成井，鉆至一定深度后，普遍存在縮經、坍塌、掉塊、漏漿、鉆桿的機械強度和動力傳輸等問題，在成井方面，目前仍無法突破深度限制。

2 引入盾構技術直接開發利用深層地熱能的可行性分析

盾構施工技術是集掘進、支護、出渣等施工工序于一體的連續隧洞掘進作業技術，是高度系統集成，一次成型的連續化、系統化作業施工;具有掘進速度快、環保、高效等優點，可實現傳統鉆爆法掘進難以實現的復雜地質條件及深埋長隧洞施工。將盾構技術引入深層地溫能的開發利用已是當務之急，其意義深遠，將對未來的城市供熱、供電產生顛覆性和革命性變革。目前從理論和技術上已無懸念，只是在方法設計上還無人問津。

盾構機（TBM）已逐漸成為我國市區地鐵、鐵路隧道、引水隧洞等基礎設施建設的重要設備，但該技術設備在地熱開發利用，地下空間探測等深地工程領域的成功應用仍處于空白，研究現代的礦井建設技術、提高地熱等資源利用效率是當前清潔能源和資源開發技術領域的重大課題。

2.1 盾構（全斷面掘進）法施工技術的現狀和特點

（1）應用現狀。盾構技術已在地鐵、公路和鐵路交通工程、水利工程、煤礦斜井掘進等方面取得了廣泛的利用，已毋庸置疑。

（2）特點。①采用盾構技術進行地下隧洞暗挖施工，不存在傳統鉆探面臨的困難，也不受地面交通、河道、中低層建筑、氣候等條件的影響，能較經濟合理地保證隧道安全施工。②盾構施工的掘進、出渣、支護、襯砌拼裝成井、防水隔熱、運輸、通風、排水等工序可一次成型，還可實行自動化、智能化和施工遠程控制信息化等;掘進速度較快，施工勞動強度較低，且更適合長距離、大斷面、高埋深的地下管廊、隧洞施工。③不同類型的盾構設備可滿足各類軟、硬巖石，黏土、沙土、卵礫石層的掘進襯砌要求，其適應性詳見表1。④地面人文，自然景觀可免受干擾和破壞，周圍環境不受盾構施工干擾，適合在居住較密集的城市及周邊建設施工，具有經濟、高效、安全等方面的獨特優勢。

2.2 可行性分析

根據現有工程隧洞與資源探采隧洞的特點和區別，如果將盾構施工技術引入深部資源探采掘進工程，對盾構機和盾構施工將在以下方面提出特殊要求，即大坡度、耐高溫、長距離，高埋深等。

（1）坡度角問題

目前國內外還沒有垂直盾構施工設備，那么已實現的最大坡度施工如何呢？據有關專業文獻報道（表2），2010年瑞士的linmern輸水隧洞，使用敞開式TBM盾構機，直徑5.2m，隧道長1050m，圍巖為硬質巖石，隧洞的上坡坡度為40°;2009年俄羅斯圣彼得堡自動扶梯井施工使用的土壓平衡盾構機，直徑10.69m，斜井長120m，隧洞下坡坡度為30°;2004年印度的parbatiII級水電工程斜井，使用雙護盾TBM，直徑3.5m，隧洞長1546m，圍巖為綠泥石片巖、千枚巖，隧洞坡度上下均為30°;20年后的今天，盾構技術及盾構機已得到了充分的發展和改進，相信其坡度適應能力更強，雖未有垂直盾構機的開發研制，但大角度的施工應不是問題。

（2）溫度問題

2012年葛洲壩集團第一公司建成的新疆布侖口公格爾水電站，引水隧洞長4111m，地層為石英片言、綠泥石片巖，最高溫度143℃，平均90℃以上，洞內空氣溫度>75℃。剛剛貫通的川藏鐵路拉-林段桑珠嶺隧洞隧道全長16.449km，最高巖溫達89.9℃。

（3）長度問題

2002年建成的大型調水工程，萬家寨引黃一期工程隧洞長度超過192km，單洞長度達42.6km，大部分處于覆蓋深，地質條件復雜區域，該工程先后使用了6臺雙護盾全斷面掘進機，其中5臺為美國羅賓斯公司制造，1臺為法國NFM公司制造。1994年貫通的英吉利海峽隧洞長51km，直徑7.6m。2015年穿越瑞士阿爾卑斯山的圣哥達隧洞長56.3km，是目前世界最長的海底隧道。

（4）深度問題

2011年四川雅礱錦屏二級水電站引水隧洞，最大埋深2525m。巴基斯坦最大隧洞埋深1900m。2014年8月2日，人民日報報道，世界最深的地下實驗室4000m3，后擴容到12萬m3，垂直巖石覆蓋深度2400m，在這樣的地下實驗室能夠盡可能的被屏蔽高能宇宙線，以便測量暗物質。2015年12月，內蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗，神東補連塔煤礦2號副井順利貫通，標志著我國采用盾構（TBM）施工技術及裝備已經達到世界先進水平。該副井坡角為6°，長6314m，填補了我國盾構技術在長距離大坡度煤礦斜井建設領域的空白。從以上事實和現狀分析，將盾構技術引入深部資源勘查開發的硐探掘進施工已不存在理論上和重大技術、裝備問題。

在不遠的將來，隨著盾構施工技術的提高和盾構設備的適應能力改進，其自動化程度，科學化程度和管理控制程度將得到充分的發展。盾構技術將在深地勘查和開發，特別在城市等人口聚集區開發利用基礎地熱方面將取得突破性和革命性的發展。

3 開發利用方案

3.1 “U”型井方案

采用盾構掘進施工“U”型地熱開采井，然后由一端注入冷水，深部吸收地熱后從另一端排出高溫熱水，與供熱系統相連，往返循環利用地熱能，將實現高效、清潔、環保，持續的能源供給。同時可結合深部地應力檢測工程，為地震檢測預報提供基礎數據。

（1）井筒

采用圖1的設計方案，井筒斷面為圓形，直徑可選擇3～6m，首先選擇大角度（>30°）盾構機，由A端開始施工，到達所需溫度后，由B端施工水平洞巷，再從C端開始大角度，約60°爬坡向上施工，最后從D端掘出地面。AB的長度可根據地熱增溫率和盾構機的耐熱能力及施工條件設計確定，根據一般的地熱增溫率計算，AB段長度應該在6000～8000m之間。

接近盾構機溫度適應極限后，選擇水平方向，在恒溫層掘進BC段，BC段的長度取決于單位時間內，預期采集的熱量目標值，可根據水的比熱、巖石的導熱系數和換熱面積及流速等計算。為提高熱交換率，該段管片設計應采用導熱良好，堅固耐溫的材料，比如鑄鐵管片。管片與巖壁之間的密封注漿材料也應考慮導熱率情況。為保證充分換熱，入水口可沿切向方向注入，同時管片上澆筑有波紋，使水在BC段流動是旋轉前進的。CD段應選擇大角度升出地面，一是盾構機比下坡更能適應高角度上坡，二是盡量縮短帶熱管道的距離，以避免不必要的由于管道長而產生熱損。

（2）成井

在AB段，選擇適當的溫度位置（可根據供暖系統的回水溫度確定計算）封井，根據取水量選擇一定直徑的鋼管通往A段，以便與供暖系統的回水管路相連。CD段為熱水取水管路，取水口位置應選擇C點附近，水溫最高位置，CD段的管路應選擇保溫隔熱效果良好的雙層鋼管，以盡量減少取水段的熱損。同時選擇適當的溫度位置封固井筒。

（3）工作原理

用水作為熱的交換介質，A端與供熱系統的回水管相連，同時高壓水泵加壓。D端與供熱系統的供水端管路相連，同時可二次加壓。在不改變現有供熱管網和供熱系統的條件下，如此地熱水在封閉系統內往復循環，持續的將地熱資源輸送到千家萬戶和廠礦單位。夏天可利用已成熟的熱制冷系統給具有中央空調的建筑和設施制冷降溫。實現零污染，零排放，高效清潔的可再生能源。

3.2 “L”型井方案

如盾構設備可在深部終止掘進，并通過其后面的隧洞，分拆運出地面，可考慮“L”型采熱井結構方案。其工作原理與“U”型井方案基本相同，但成本應該相對較低（圖2）。

3.3 “Q”型井方案

在“L”型井方案的基礎上，為增加地熱資源的交換和采集效率，BC段改為深部水平圓環型巷道施工，即從B點開始施工環形巷道再回到B點，同時為增大交換面積，提高交換效率，充分利用地熱資源，可考慮引入壓裂或爆裂技術，串珠狀爆裂方案等。

總之，根據各類基礎數據，總能選出適合要求的井型結構和成井方案，滿足地下資源開采利用的需求。

4 結論

深層地熱能分布廣泛，只要有足夠的深度就可獲得足夠高的地溫和地熱資源。采用盾構技術，開拓斜井巷道開采地熱，幾乎不受深度限制，可突破傳統地熱開采豎井，成井的弊端所形成的深度瓶頸。

研究先進的礦井建設技術、提高地熱等資源開發效率是我國清潔能源和資源開發技術領域的重大課題。盾構機已成為我國基礎設施建設的重要設備，但相關技術設備在地熱開發利用，地下空間探測等深地工程領域的應用卻處于空白。隨著盾構施工技術的提高和盾構設備的進一步完善，其在深地勘查和開發，特別在城市等人口聚集區開發利用深部地熱方面將取得突破性和革命性的發展。

將盾構技術引入深層地溫能的開發利用已是當務之急，其意義深遠，目前從理論和技術上已無懸念，急需開展該領域技術研究和實驗論證工作。

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