拉萨—日喀则铁路高地温分布特征研究

焦国锋

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

拉萨至日喀则(拉日)铁路位于青藏高原南部，线路起于青藏铁路终点——拉萨车站，沿拉萨河南下至曲水县，折向西溯雅鲁藏布江而上，进入雅鲁藏布江峡谷区，经尼木、仁布、大竹卡等地，出峡谷区后顺年楚河而下，抵达日喀则市，线路全长约253 km，整个线路通过区属于喜马拉雅地热带的一部分。拉日铁路色麦至仁布段位于雅江峡谷区，起讫里程ⅠDK87+696(色麦隧道进口)-ⅢDK145+170段(盆因拉隧道出口)，全长约57.5 km，勘测期间在雅鲁藏布江两岸发现热(温)泉10处，实测最高温度达80℃，钻孔内最高温度达76.3℃。该段线路设置隧道8座，总长约47.5 km，地温对隧道的施工及运营安全有较大影响。

目前，国内外对长大深埋隧道的高地温问题研究得较多［1-4］，诸如大瑞线高黎贡山隧道、西康线秦岭特长隧道以及瑞士境内Loetschberg隧道和Saint Gotthard隧道等，但这些隧道的高地温基本是在正常地温梯度下形成的;而在埋深不大的高地温区修建铁路的先例并不多，可供借鉴的工程经验有限。

因此，有必要对拉日铁路区域地温场的空间分布规律进行深入系统的研究，这将为高地温区修建铁路积累宝贵的可供借鉴的工程经验。

1 地热地质条件

1.1 地形地貌

拉日线色麦至仁布段位于雅鲁藏布江峡谷区(见图1)，该段高程3 700～4 800 m，相对高差500～1 100 m。地貌表现形态主要为河流下切强烈，岸坡陡峻，呈明显的V形沟槽;两岸零星分布残留阶地。线路通过雅鲁藏布江峡谷区长约90 km，有国道G318线沿峡谷穿行，其间约15 km有桥梁或渡槽接通峡谷两岸，无船只通行，两岸交通连接极为困难。

图1 雅鲁藏布江高山峡谷区

1.2 地层岩性

拉日线雅鲁藏布江峡谷区色麦至仁布段出露的地层主要有第四系松散堆积层、燕山期闪长岩。地层特征如下:第四系(Q)广泛分布于沿线河谷、台地、山间盆地及山前缓坡地带，主要以冲积、洪积、崩积、坡积的碎石类土为主，局部有黏性土及砂类土，厚度差异较大，一般厚20～60 m。峡谷区山体风化严重，山脚崩塌堆积物遍布，峡谷区阶地覆盖层堆积物成分杂乱，多见巨型块石。

雅鲁藏布江峡谷区两侧大面积分布燕山期侵入的闪长岩，岩质较硬，节理较发育。受构造及风化作用的影响，多形成陡峭地形，表层风化严重，岩体较破碎，见图2。

1.3 地质构造

图2 燕山期闪长岩

本区涉及的Ⅰ级构造单元为冈底斯一念青唐古拉板片(南缘)、喜马拉雅板片(北缘)和两者之间的雅鲁藏布江缝合带。这些构造单元直接控制着本区沉积建造、岩浆活动、变质作用及褶皱和断裂构造活动，致使本区岩带和主干断层主要呈近东西向展布。

1.4 地震及新构造运动特征

线路位于青藏高原的西南部，新构造运动强烈，地震活动十分频繁。根据中国地震局地壳应力研究所及西藏自治区地震局地震工程研究所做的《青藏铁路延伸线拉日段铁路工程场地地震安全性评价报告》，本地区历史上记载有MS≥4.7级破坏地震145次，其中8级地震2次，7.0～7.9级地震4次，6.0～6.9级地震21次，5.0～5.9级地震74次。最大地震为1411年当雄南和1951年崩错的两次8级地震。自1970年以来，记录到1 346次MS2.0～4.6级现代小震。

线路通过区新构造运动较活跃，印度板块在新生代早期(渐新世—中新世)完成了雅鲁藏布江缝合带的拼合后，仍在向北运动，使得本区仍存在整体抬升、斜掀和差异性的上升运动。据大地水准测量资料统计，本区区域地壳平均每年垂直升降速率为9～10 mm(1957—1990年)，为历次构造运动的累加平均值。河流强烈下切，构成高山峡谷地形，同时构造性的谷地和断陷盆地均在下降，并接受了巨厚沉积［5］。

1.5 岩浆活动特征

本区以燕山期侵入岩体为主，燕山期侵入的岩体多以复式岩体形式出现，岩体多呈似椭圆形或圆形，仅东西向展布。断裂构造控制着岩体的分布，其内部一般有两种或两种以上岩石类型组成。一般边部为较中性的岩石类型，中间为偏酸性的岩石类型，岩体曾多次脉动和涌动侵入。岩体以闪长岩为主，完整岩体岩质较硬，节理较发育—发育，多形成陡峭地形，表层机械风化严重。但受构造影响严重的闪长岩体较破碎，表层多被切割成为碎块状。

1.6 水文地质特征

受欧亚板块与印度板块碰撞作用的影响，研究区构造发育，而活动构造带控制着热水的分布，受深大断裂的影响形成水热异常区。同时，堆积的第四系松散沉积物、沉积地层、岩石裂隙构成地下冷水及地下热水的储存、运移场所。地下水主要以基岩裂隙水为主，补给来源主要为大气降水，以降水入渗和冰雪融水入渗径流补给，以泉或地表水体为排泄通道。

2 地表地热活动显示类型及特征

拉日铁路垂直穿过那曲—当雄(羊八井)—尼木—多庆错高地温活动带的南部，断裂构造发育，新构造活动强烈，地热地质构造极其复杂。该区域地下热水露头温度等值线分布图见图3。

图3 地下热水露头温度分布趋势

水热活动是在断裂构造条件下，当大气降水或者地表水渗入到地下，在局部岩浆熔融体侵入的不远处形成热传导作用，对地下水加热、运移至地表形成的。根据地质调绘，拉日铁路沿线的水热显示有温泉、温热泉、热泉、泉华、盐化、冒汽地面等类型。

根据国家技术监督局颁布的《地热资源地质勘查规范》(GB 11615—2010)的相关规定，地热资源按温度分为高温、中温、低温3类(见表1)。

2.1 温泉及温热泉

拉日铁路沿线，在地调过程中，仅在峡谷区色麦至仁布段，发现温泉1处，泉水温度34℃，泉水流量约2～3 m3/d，泉水距离线路约6 200 m，见图4所示。

发现温热泉2处，泉水温度在40℃ ～57℃之间，泉水流量在1～5 m3/d。泉水距离线路160～610 m不等，多见于雅鲁藏布江岸边、山坡的陡缓交界等部位。

2.2 热泉

在沿线地调过程中，仅在拉日线峡谷区色麦至仁布段，发现热泉群2处，即帕当山隧道洞身部位的右侧热泉群和达嘎山隧道洞身部位的左侧温泉群，泉水温度在58℃ ～80℃之间，泉水流量在10～40 m3/d不等。泉水距离线路290～660 m不等，分别分布于雅鲁藏布江南北两岸。

表1 地热资源储层代表性温度分级

图4 温泉

1)帕当山隧道洞身部位的右侧热泉群位于雅鲁藏布江南岸边，ⅢDK107+623右约275 m处，高出雅江约0.5 m。泉群沿雅江江边15 m范围内分布，雅江的南岸边多处有气泡冒出，且冒热气。

该泉群主要由5处泉水组成，间距在2～10 m，水温75℃ ～80℃，并伴有轻微的硫磺气味，泉群流量40 m3/d，为下降泉。该泉群发育于近SN向断裂构造带附近，沿NE向次级节理带形成构造上升泉群，并形成地热水。

2)达嘎山隧道洞身部位的左侧热泉群位于定测线路ⅢDK131+830—ⅢDK132+300左侧300～400 m(318国道里程K4777+700—K4778+000段左侧50～100 m雅江江边)。该处温泉共有3处，高出雅江约1～10 m不等，有明显的泉华现象，为上升泉。在雅江北岸江边呈北西向串珠状分布。温度在58℃ ～80℃之间，冒有热气，伴有轻微的硫磺气味，泉群流量小于5～25 m3/d。

2.3 泉华

仅在达嘎山隧道洞身部位的左侧热泉群发现了泉华现象，在此处串珠状分布的热泉群中，均有泉华，主要为钙华，其成分主要是CaCO3，矿物成分主要是方解石。由于钙华内夹杂有褐铁矿、石英、砂砾等，其颜色多为褐黄色，如图5所示。

图5 泉华

2.4 盐华

在帕当山隧道洞身部位的右侧热泉群(ⅢDK107+623右约275 m处)发现了盐华现象，在此处片状分布的热泉群中，均有盐华。地表10～20 m范围内，分布有白色的盐分析出物。

2.5 冒汽地面

帕当山隧道洞身部位的右侧热泉群(ⅢDK107+623右约275 m处)，在雅鲁藏布江的南岸江边，靠近江边的浅水部位，水面上10～20 m范围内，有气泡冒出现象。

3 热水水化学特征分析

根据水样化验分析结果，测区的水文地球化学具有以下特征。

3.1 冷水水文地球化学特征

冷水水化学类型采用舒卡列夫分类方法，测区的冷水水化学类型主要为HCO－3Ca·(Na+K)型水和HCO3·SO4-Ca·(Na+K)型水。

pH值和矿化度:测区冷水基本以碱性水为主，pH值的变化范围在7.91～8.31之间。仅在尼木附近的尼木玛曲水质分析显示为强碱性水，pH值为9.28。测区冷水中的矿化度较低，平均值在0.136 g/L;仅尼木玛曲的矿化度较高，为0.724 g/L。

3.2 热水水文地球化学特征

测区的热水水化学类型主要为SO4·Cl－(Na+K)型水和 Cl·SO－4(Na+K)型水。

测区热水也以碱性水为主，pH值在7.7～9.7之间。矿化度较冷水明显偏高，平均值为0.813 g/L。

根据地热调查取样化验结果，测区地热水中阴离子主要有Cl－和。在采取的4组地热水水样中，除一组样中未检出外，其余的离子均被检出。

热水中的主要阳离子为 Na+，K+，Ca2+和 Mg2+等。根据水样水质分析结果:(Na++K+)离子含量较高，最大值为 744.3 mg/L，最小值为 212.0 mg/L。Mg2+离子含量较低，其变化在0.7～6.3 mg/L;Ca2+离子变化范围在12.4～141.9 mg/L。

热水中的F－含量较冷水中的含量明显增高，其变化范围在2.150 9～4.349 0 mg/L。

SiO2含量一般在60 mg/L，最大值达到102.71 mg/L，热水中SiO2的含量比冷水中的SiO2含量明显高。

3.3 热水组分来源特征

测区水热活动与近代岩浆侵入(或喷发)、活动构造有着密切联系。受岩浆侵入体热源高温条件影响，地下水下渗补给热水过程中与周围岩石产生各种化学反应，逐渐达到平衡，在热储物理化学条件下，稳定矿物相结构中不适应元素继续发生溶滤作用，上行热水连续携带出 Na，K，Ca，Mg，SiO2等来自环境的组分。

HCO3－的来源实质是CO2的来源问题，CO2的来源主要有4种:岩浆散发、深埋沉积岩变质释放、溶滤碳酸岩盐和从土壤气体中吸收。前两种途径随深部流体一起上升，压力下降到一定程度后，从热水中分离出来。因此，深层地下水中含量较高。HCO3－主要来源于大气降水和地表水，浅层地下水HCO3－含量较高。离子一般不表征深部的水化学特征，但不排除其来源于热储深部的可能。来源于深部流体的H2S，深部还原环境下含量较低，上升地表与富氧地下水作用产生大量。此外地下热水溶滤硫酸盐地层，含量也会明显升高。Cl－为溶滤含盐地层的结果。SiO2主要来源于热储深部，是最能表征热储深部特征的组分。

4 结论与施工建议

4.1 地热分布范围

根据地表泉水的分布情况，结合钻探测温资料及区域地质构造特征初步分析，地热主要分布在雅江两岸，其分布范围为:甫当隧道ⅠDK96+930—ⅠDK97+190，ⅠDK98+445 —ⅠDK98+930，ⅠDK99+085—ⅠDK99+180，ⅠDK99+885—ⅠDK101+705段，长度2 709 m;帕当山隧道ⅢDK107+533—ⅢDK108+553段，长度1 070.69 m;吉沃希嘎隧道在ⅢDK117+540—ⅢDK120+375段，长度2 835 m;达嘎山隧道在ⅢDK129+705—ⅢDK132+225，长度2 520 m。隧道路肩部位的地温(岩温)值在28℃以上，存在地热问题。

由于地热分布的复杂性，受地形条件及勘察技术的制约，也不排除色麦隧道、萨嘎村隧道、康萨村隧道、盆因拉隧道存在地热的可能。

4.2 地热分布特征

根据地表地热分布状况，勘探测温资料及区域地热研究成果，拉日线雅江峡谷区地热分布有如下特征:

1)主要分布在雅江两岸。

2)地热分布主要受断裂构造控制，尤其是受区域性深大断裂控制。

3)区域性深大断裂与次级断裂交汇处附近，地热异常明显。如甫当隧道出口段、吉沃希嘎隧道洞身高温段就位于几条断层的交汇部位。

4)雅江峡谷区隧道地热以低温—中高温带为主。

4.3 施工建议

由于地热对隧道的施工、结构及运营安全影响较大，建议设计及工程建设中采取如下的防治措施［6-7］:

1)加强隧道超前地质预报。由于地热成因、分布的复杂性，受勘察手段及地形条件的控制，在勘察期间很难查明地热的分布范围，因此，在施工中要加强超前地质预报。通过超前水平钻孔，预测前方是否有热水、热气，并在孔内测温，以确保施工安全，同时为地热防治提供依据。

2)采取通风降温与其它降温措施相结合的综合降温措施，以改善隧道内的作业环境。

3)由于地热隧道在我国并不多见，因此，建议对隧道地热、衬砌结构、衬砌支护材料等开展相关的专题研究，以保证隧道衬砌结构安全和运营安全。

4)地热隧道施工难度大，风险高，不确定因素多，建议纳入高风险隧道管理。

［1］李金城.拉日铁路地热隧道方案比选研究［J］.铁道工程学报，2011(4):42-46.

［2］沈玲玲.高黎贡山地区地热异常特征及对隧道建设影响的初步研究［D］.成都:成都理工大学，2007.

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［4］侯新伟，李向全.大瑞铁路高黎贡山隧道热害评估［J］.铁道工程学报，2011(5):60-64.

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