穿越小江斷裂的登樓山隧址區水熱活動特征分析及隧道熱害評估

劉文連, 利滿霖, 許 模, *, 漆繼紅, 許漢華, 易 磊, 李 瀟, 眭素剛

(1. 中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院有限公司, 云南 昆明 650051; 2. 云南省巖土工程與地質災害重點實驗室, 云南 昆明 650051; 3. 成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室, 四川 成都 610059)

0 引言

隨著我國2035年基本建成交通強國、實現現代化綜合交通體系的發展目標以及新時代推進西部大開發形成新格局意見的提出,大批的公路、鐵路、城市軌道交通和水利工程進入規劃和建設階段,隧道和地下工程建設也迎來一個新階段。西南艱險復雜地質山區的隧道工程在建設時需要克服極其復雜的地質、地形和氣候條件,會遇到活動斷裂帶及富水構造帶導致的隧道涌突水、高應力環境引起的硬巖巖爆和軟巖大變形以及高地溫產生的隧道熱害等不良地質問題[1-2]。隧道熱害主要指高巖溫、高水溫對隧道施工造成的危害。近年來,國內越來越多的隧道在建設時遭遇熱害問題。我國西南地區由于地質構造背景特殊,水熱活動強烈,深大活動斷裂往往控制著水熱活動區的分布,該區域隧道建設遭遇熱害的概率大大增加,如云南建成的舊寨隧道和在建的高黎貢山隧道等[3-4]。

隧道熱害評價通常分為2步: 第1步,主要通過地質分析的手段對隧道工程遭遇熱害的可能性以及遭遇熱害的主要段落進行判斷; 若第1步已判斷隧道工程遭遇熱害的可能性較低,則無需進行下一步,否則,下一步將通過測溫鉆孔以及基于測溫鉆孔的隧址區地溫場數值模擬分析來對隧道熱害進行評價。已有學者通過第1步地質分析的手段就隧道遭遇熱害的可能性進行判斷,如胡政等[5]和楊冬等[6]通過地質分析對云南尼格隧道隧址區的高巖溫、高水溫熱源進行研究。也有學者是基于第1步地質分析后,結合下一步的測溫鉆孔和數值模擬的應用才對隧道熱害進行判斷。如周安荔[7]通過地質分析對拉日鐵路隧道熱害可能性進行判斷,認為拉日鐵路隧道存在熱害風險,然后基于鉆孔測溫數據對隧道地溫場進行數值模擬,揭示隧址區地熱分布規律。此外,部分學者基于前人地質分析資料,進一步運用數值模擬方法模擬隧道溫度場,判斷隧道熱害。如趙志宏等[8]在前人對折多山隧道地質分析資料的基礎上,對折多山隧道溫度場進行模擬并對隧道熱害進行評價。尹龍等[9]基于Birch[10]提出的地質演化歷史方法以及Bodmer等[11]和Rybach等[12]的溫度修正表達式,結合前人的地質分析資料,對高黎貢隧道原巖進行溫度預測,并對溫度場進行劃分。

小江斷裂帶以及北延的安寧河斷裂、鮮水河斷裂均表現出強烈的水熱活動。已有學者對鮮水河斷裂的水熱活動特征進行對比研究,如呂國森等[13]通過地質分析以及水文地球化學分析,對比研究了鮮水河斷裂帶、龍門山斷裂帶、安寧河斷裂帶的熱水成因模式; 馮濤等[14]通過熱水地溫梯度反算法對穿越鮮水河斷裂南東段分支的隧道熱害進行評估,對鮮水河斷裂水熱活動的工程熱害進行了評價研究。而對于小江斷裂帶,楊雷等[15]通過分析小江斷裂帶溫泉的地球化學特征與重慶溫塘峽溫泉的差異,認為地質背景對熱水地球化學特征有控制作用; 劉云[16]通過對小江斷裂帶溫泉的研究,促進了云南地熱資源產業化的發展; 王云[17]通過對滇東南小江斷裂帶等一系列斷裂帶上溫泉的地球化學特征研究,認為具有幔源特征的溫泉可作為地震監測預報的觀測對象。前人對于小江斷裂帶的研究主要集中在地熱成因以及地熱資源利用方面,與實際工程建設相結合的相關研究甚少,關于水熱活動對橫穿小江斷裂的隧道工程熱害評價的研究更是少之又少,故本文開展小江斷裂隧道工程熱害方面的地質分析研究,以期為類似穿越水熱活動強烈的活動斷裂隧道工程的熱害評價提供參考。

本文以穿越小江斷裂的登樓山隧道為例,判斷小江水熱活動帶對登樓山隧道的工程熱害影響。通過地質分析和水文地球化學分析相結合的方式,梳理隧址區控水控熱斷裂的展布特征,得到登樓山隧道進口和出口2處最有可能造成隧道熱害的溫泉的成因模式,同時基于溫泉運移、排泄路徑與隧道的空間關系,對隧道熱害進行初步評價。

1 隧址區構造展布及水熱活動特征

1.1 區域地質及地熱地質概況

研究區地處印度洋板塊和歐亞板塊的碰撞變形區,位于青藏高原東南緣的川滇菱形地塊之上[18-19],如圖1所示。目前認為該區域是青藏高原物質向東南運移流動的重要通道[20-22]。隧址區則位于川滇菱形地塊東邊界的小江斷裂帶中段。小江斷裂帶初始活動為7～5 Ma[23],北起于云南巧家附近,向南經東川延伸至建水以南,整體呈近南北走向,為一條強烈活動的左旋走滑斷裂。該斷裂帶分為北、中、南3段,其中北段位于巧家至東川之間;中段由東川至華寧,又分為東、西2支,宏觀上呈現辮狀;南段位于華寧至紅河斷裂之間[24-27]。

圖片參考文獻[32],有修改。

隧址區地處滇藏地熱帶,因其位于青藏高原物質東南流通道上,受多次強烈構造活動影響和控制[28],大地熱流背景值高,呈北高南低的規律[29]。鮮水河斷裂至小江斷裂一帶,水熱活動強烈,高溫熱水沿斷裂帶出露,表明鮮水河斷裂至小江斷裂一帶水熱活動受斷裂帶控制。小江斷裂帶中段的次級斷裂極其發育,中段的東、西2支斷裂間形成錯綜復雜的網格狀構造[30],均為地下熱水溝通熱源和運移儲存提供了良好的先天條件。地下熱水的循環演化受到構造體系的約束[31],故隧址區內的水熱活動分布規律主要受小江斷裂帶控制。小江斷裂帶東部地區溫泉出露較少,溫泉整體分布形跡與小江斷裂帶近南北向的展布趨勢相似,在斷裂帶中段以沿東、西2支近南北走向的分支斷裂分散出露為特點,沿東川、尋甸、宜良、澄江、華寧一線均有溫泉出露,表明該區內熱水的熱源和運移嚴格受到小江斷裂構造控制,形成了較滇西水溫低、流量大的滇東中低溫水熱活動區,如圖1所示。

1.2 隧址區地質及地表熱顯示分布特征

隧址區位于小江斷裂帶中段的東支西側,由于地處滇東地區昆明系山字形構造的東翼和南北向小江斷裂帶的復合部位,且該區地殼經歷了多期構造運動,地質構造十分復雜,褶皺、斷裂構造發育,地層破碎、殘缺不連續[32],但從構造形態和展布特征上分析,仍然具有一定的規律。隧址區構造展布及熱水分布如圖2所示。隧址區內雖斷裂數量較多,縱橫交錯,初看呈現無規律散布的狀態,但前人根據斷裂走向特征對區內斷裂統計后發現,區內規模最大的斷裂組為隸屬于小江斷裂帶中段東支斷裂體系的南北向斷裂組[33]。因此,區內雖分布有近北東向和東西向斷裂,但斷裂總體以南北向為優勢方向,呈束狀展布。

圖片參考文獻[34-35],有修改。

該隧道全長10 957 m,最大埋深約838 m,隧道圍巖以震旦系上統(Zbd、Zbdn),寒武系下統(1l、1c、1q),泥盆系上統(D3)、石炭系中下統(C1dw、C1ds、C2w)、三疊系(T1、T2)地層為主,其中相對含水巖組為Zbd、Zbdn、1l、D3、C1dw、C1ds、C2w。現場調查了隧址區內的7處熱水出露點,從熱水出露位置的平面展布情況分析,熱水主要沿近于南北向的小江斷裂帶分散出露于山澗溝谷之中,表明南北向斷裂帶為區內主要的控熱控水構造,如圖2所示。隧址區內溫泉的出露溫度均低于50 ℃,溫泉主要出露于震旦系燈影組(Zbdn)、寒武系魚戶村組下段(1ya)、志留系玉龍寺組(S3y)和泥盆系曲靖組(D2q)地層中,地層巖性以白云巖、灰巖和灰質泥巖為主。

1.3 隧址區水文地球化學特征

1.3.1 水化學類型分析

隧址區水樣水化學測試數據如表1所示。由圖3所示的piper三線圖可知,隧址區除通紅甸溫泉的水化學類型為HCO3·SO4-Ca·Na型,其余溫泉的水化學類型均為HCO3-Ca·Mg型,與地表水和淺層巖溶地下水的水化學類型相似,表明隧址區內的溫泉補給和徑流主要在廣泛分布的強富水性可溶巖地層中進行。隧址區溫泉水中,通紅甸溫泉的溶解固體總量(TDS)相對較高,其他溫泉TDS普遍較低,與地表水以及淺層冷水的TDS屬于相同數量級,表明熱水在運移過程中受到淺層冷水的混合作用。

圖3 隧址區附近熱水piper三線圖

1.3.2 熱儲溫度及循環深度

隧址區溫泉的Na-K-Mg平衡圖解如圖4所示。隧址區溫泉均屬于不平衡水,而熱水處于平衡狀態是使用陽離子溫標計算熱儲溫度的前提[36],故無法使用陽離子溫標對其熱儲溫度進行估算。由于水中SiO2受其他離子干擾小,沉淀速度慢[37],因此使用SiO2溫標對隧址區熱泉的熱儲溫度進行估算是合理的。

圖4 隧址區溫泉的Na-K-Mg平衡圖解

隧址區熱水SiO2質量濃度ρ與溫度關系如圖5所示。通過熱泉SiO2質量濃度與溫度的關系,確定熱泉的主要受控SiO2礦物,為各個溫泉選取合適的SiO2溫標,再結合隧址區測溫鉆孔SK12的溫-深曲線計算的隧址區地溫梯度(見圖6),使用式(1)得出各個熱泉的循環深度(見表2)。

表2 隧址區熱水氫氧同位素組分及熱儲信息

圖5 隧址區熱水的SiO2質量濃度ρ與溫度關系圖

圖6 鉆孔SK12溫-深曲線圖

H=(t-t0)/g+H0。

(1)

式中:H0為常溫層厚度,根據測溫鉆孔可知約為160 m;t0為常溫層溫度,取當地年平均氣溫,約為20 ℃;t為熱儲溫度,℃;g為隧址區地溫梯度,根據測溫鉆孔溫-深曲線取2.8 ℃/100 m。

1.3.3 溫泉氫氧同位素分析

通過對隧址區溫泉氫氧同位素測試結果(見表2),結合我國大氣降雨線公式(見式(2))[38]和云貴地區大氣降雨線公式(見式(3))[39],得到δD-δ18O關系圖(見圖7)。從圖7中可以看出,隧址區熱水的主要補給來源均為大氣降雨入滲補給。但圖中熱水整體18O正漂移程度較輕,即熱水在運移過程中與圍巖發生了程度較輕的水巖反應。此外,利用我國西南地區δD值的高程效應(見式(4))[40],得到隧址區熱水的補給高程在2 085～2 465 m(見表2),根據補給高程推斷隧址區熱水補給區域主要為隧址區北側志留系、石炭系和二疊系的灰巖地層。

圖7 隧址區熱水點δD-δ18O關系圖

δD=7.9δ18O+8.2 。

(2)

δD=8.83δ18O+20.3 。

(3)

δD=-0.026h-30.2 。

(4)

式中h為補給高程, m。

綜合隧址區熱水水文地球化學和氫氧同位素的分析可知,補給高程處的大氣降雨沿可溶巖入滲補給后作為隧址區熱水的主要補給來源,在相對含水巖組中沿南北向通道運移和排泄。根據熱水補給區和排泄區呈南北向的平面線形分布特點,再次表明隧址區內南北向優勢斷裂組為隧址區主要的控水控熱斷裂。

2 水熱活動對隧址區的影響分析

2.1 隧址區控水控熱斷裂概況

隧址區內地表熱顯示分布位置主要沿南北向分支斷裂分布于河流或溝谷兩側,受各南北向分支斷裂控制,如葫蘆沖溫泉、象鼻溫泉、龍潭營溫泉、通紅甸溫泉分別出露于F9-白玉沖斷層,F8-白沙溝斷層、F5-楊柳井斷層和雨革甸—磨面斷層附近。隧址區內地表熱顯示及其控制斷裂整體呈南北向分布于隧址區的東、西兩側,隧道工程夾于東、西兩側地表熱顯示及其控水控熱斷裂之間,大體上與控水控熱斷裂在空間上無交集。

隧址區內熱水出露點距離登樓山隧道較近,水熱活動導致隧道遭遇熱害風險的可能性大大增加。通過對隧址區內的斷裂展布規律、熱水出露特點以及水文地球化學分析可知,隧址區內的優勢斷裂組受南北向小江斷裂帶控制,呈近南北向展布。因此,區內熱水是受南北向優勢斷裂控制、運移方向主要為南北向的斷裂循環型熱水。通過水化學特征分析可知,隧址區內熱水循環深度約為2 000 m。登樓山隧道與隧址區內優勢斷裂走向近于垂直,象鼻溫泉和龍潭營溫泉均距離隧道較近,有較大可能造成隧道熱害。因此,基于上述對隧址區內優勢斷裂展布方向的總結,對2處溫泉的控制斷裂進行細致地梳理,最后判斷熱水循環演化過程是否可能導致登樓山隧道遭遇熱害風險。

2.2 隧道進出口溫泉成因分析

結合前文對隧址區地熱地質結構以及溫泉水文地球化學特征的分析,推斷位于隧址區北側葫蘆沖一帶的二疊系可溶巖地層為象鼻溫泉接受大氣降水補給的補給區,南北向白玉沖斷層為其主要運移通道。南北向白玉沖斷層溝通二疊系、石炭系以及泥盆系可溶巖地層,降雨在葫蘆沖入滲后沿該斷層走向在可溶巖地層中向南運移,并在運移過程不斷被大地熱流加熱。同時,上覆的三疊系相對隔水巖組與新近系地層可以形成良好的蓋層條件,最終在龍洞河的斷裂破碎帶上溢,形成象鼻溫泉,隧道出入口象鼻溫泉循環演化機制見圖8,隧址區熱水補、徑、排平面見圖9。

圖8 隧道出口象鼻溫泉循環演化機制示意圖

圖9 隧址區熱水補、徑、排平面圖

對于隧道入口南側的龍潭營溫泉,根據地熱地質結構及其水文地球化學特征,推斷其接受大氣降雨入滲補給的區域為華寧縣大水井巖南側的石炭系和二疊系的可溶巖地層,以南北向的楊柳井斷層為其主要運移通道,如圖8所示。降雨入滲后,水頭差使得地下水沿近東西向斷裂運移至南北向楊柳井斷層,隨后向南順著楊柳井斷層向深部運移,并在向南運移的過程中逐漸被加熱增溫,最終在支斷裂交匯處的裂隙密集帶上溢至地表形成龍潭營溫泉,如圖10所示。

圖10 隧道入口龍潭營溫泉循環演化機制示意圖

2.3 熱水成因對隧道熱害的影響評價

根據上述登樓山隧道進出口兩側象鼻溫泉和龍潭營溫泉的循環演化機制可知,2處溫泉的地下熱水徑流方向主要受到區域南北走向斷裂構造控制,其控水控熱斷裂的走向與登樓山隧道近于垂直,且在空間上與隧道線無交集,熱水運移地層與隧道穿越地層不同,使得熱水運移路徑與隧道也無交集,如圖11所示。因此,距離隧道較近位置雖存在水熱活動,但在南北向斷裂控制下,熱水運移路徑與隧道線無交集,控熱構造對隧道高溫熱害影響較小。

圖11 登樓山隧道軸線穿越區與熱水排泄路徑關系剖面圖

登樓山隧道軸線穿越區與熱水排泄路徑關系剖面如圖11所示。隧道穿越多條次級斷裂,隧道穿越的次級斷裂無熱水出露,但從隧址區出露于其他斷裂的熱水水化學特征可知,次級斷裂發育深度有限,熱水沒有表現出深部物質混入的特點,水化學類型與淺層水相近。但由于隧道部分段落埋深較大,且所處區域大地熱流值偏高,在埋深較大位置也可能存在熱害。根據隧道穿越的次級斷裂附近的測溫鉆孔SK12計算出隧址區地溫梯度,推測隧道在埋深大于450 m的位置溫度大于28 ℃,可能存在輕微熱害(28 ℃

3 結論與討論

1) 隧址區內優勢斷裂主要為近南北向的展布,區內熱水主要受近南北向優勢斷裂控制。

2)隧址區內熱水水化學類型與淺層水相似,熱水主要由淺層冷水沿近南北向斷裂運移過程受大地熱流加熱形成。

3)登樓山隧道雖穿越水熱活動頻繁的小江斷裂帶,但由于控熱控水斷裂并未與隧道相交,且熱水運移地層與隧道穿越地層不同,故隧道進出口位置遭受熱害的可能性較小。

4)根據測溫鉆孔推算登樓山隧道在埋深大于450 m的位置可能存在輕微熱害(28 ℃

通過地質分析與熱水水化學分析相結合的方式,能夠初步判斷隧址區附近地表熱顯示對工程建設的影響程度,輔以測溫鉆孔等其他資料能夠更進一步對隧道工程的熱害程度進行評估,為后期采取針對性熱害防護措施提供參考。