穿越小江断裂的登楼山隧址区水热活动特征分析及隧道热害评估.pdf
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1、引用格式:刘文连,利满霖,许模,等.穿越小江断裂的登楼山隧址区水热活动特征分析及隧道热害评估J.隧道建设(中英文),2023,43(9):1523.LIU Wenlian,LI Manlin,XU Mo,et al.Hydrothermal activity characterization and thermal hazard evaluation in Dengloushan tunnel crossing Xiaojiang faultJ.Tunnel Construction,2023,43(9):1523.收稿日期:2023-02-01;修回日期:2023-09-05第一作者简介:刘
2、文连(1964),男,福建永定人,1985 年毕业于成都地质学院,水文地质工程地质专业,硕士,教授级高级工程师,全国工程勘察设计大师,主要从事岩土工程、工程勘察等方面的设计和科研工作。E-mail:lwenl702 。通信作者:许模,E-mail:xm 。穿越小江断裂的登楼山隧址区水热活动特征分析及隧道热害评估刘文连1,2,利满霖3,许 模3,漆继红3,许汉华1,2,易 磊3,李 潇3,眭素刚1,2(1.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司,云南 昆明 650051;2.云南省岩土工程与地质灾害重点实验室,云南 昆明 650051;3.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验
3、室,四川 成都 610059)摘要:云南登楼山隧道横穿水热活动强烈的小江断裂带,为利用地质分析手段评价隧址区水热活动规律,进而探讨线性工程热害评价方法,在已获得的地质资料的基础上,分析小江断裂带区域发育规律,然后对隧址区小江断裂系地质构造整体展布规律以及地质构造的优势方位与热水地表出露分布特征的空间关系进行梳理。利用地表热显示的氢氧同位素高程效应和二氧化硅温标,对隧址区热水的补给高程、热储温度以及循环深度进行分析,确定隧址区热水的整体运移特点。此外,综合分析隧址区的测温钻孔数据和水化学数据,确定隧道进出口附近象鼻温泉和龙潭营温泉 2 处热水运移演化模式。结果表明:距离登楼山隧道进出口较近的象鼻
4、温泉和龙潭营温泉的运移路径与隧道轴线不仅在空间上无交集,且热水运移的地层与隧道穿越地层也不同,故判断出 2 处热水导致隧道遭遇热害风险的可能性较低;但测温钻孔中的地温梯度显示,隧道穿越山体部分虽无地表热显示,但在深度大于 450 m 的埋深部位仍然存在轻微热害的风险。关键词:隧道;热害;小江断裂;水热活动特征;水化学分析;热水循环演化DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.09.009文章编号:2096-4498(2023)09-1523-10中图分类号:U 45 文献标志码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID):H Hy yd dr ro ot th he e
5、r rm ma al l A Ac ct ti iv vi it ty y C Ch ha ar ra ac ct te er ri iz za at ti io on n a an nd d T Th he er rm ma al l H Ha az za ar rd d E Ev va al lu ua at ti io on n i in n D De en ng gl lo ou us sh ha an n T Tu un nn ne el l C Cr ro os ss si in ng g X Xi ia ao oj ji ia an ng g F Fa au ul lt tLIU
6、 Wenlian1,2,LI Manlin3,XU Mo3,*,QI Jihong3,XU Hanhua1,2,YI Lei3,LI Xiao3,SUI Sugang1,2(1.Kunming Prospecting Design Institute of China Nonferrous Metals Industry Co.,Ltd.,Kunming 650051,Yunnan,China;2.Yunnan Key Laboratory of Geotechnical Engineering and Geohazards,Kunming 650051,Yunnan,China;3.Stat
7、e Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,Sichuan,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:The Dengloushan tunnel in Yunnan province,China,crosses the Xiaojiang fault with strong hydrothermal activity.The present study aims to evalua
8、te the hydrothermal activity pattern at the tunnel site through geological analysis and subsequently evaluate the linear engineering thermal hazard.The regional development pattern of the Xiaojiang fault is analyzed based on the obtained geological data.Furthermore,the distribution pattern of the ov
9、erall geological structure of the Xiaojiang fault system at the tunnel site and its spatial relation with the hot water distribution on the surface are evaluated.The recharge elevation,heat storage temperature,and circulation depth of hot water in the tunnel area are analyzed using the elevation eff
10、ect of hydrogen and oxygen isotopes and the silica temperature scale.The overall migration characteristics of hot water in the tunnel area are also determined.Additionally,the thermal borehole 隧道建设(中英文)第 43 卷data and hydrochemical data at the tunnel site are comprehensively analyzed.Moreover,hot wat
11、er migration and evolution models for the Xiangbi and Longtanying hot springs near the tunnel entrance and exit,respectively,are determined.Results show that the migration paths of both the hot springs have no intersection with the tunnel axis in space and that the strata of hot water migration are
12、different from those crossed by the tunnel.Thus,the possibility of heat damage owing to hot water at the two places is low.However,the geothermal gradient in the temperature measurement in the borehole shows that although no surface heat is detected in the part of the tunnel through the mountain,a s
13、light risk of thermal hazard still exists at a depth of 450 m.K Ke ey yw wo or rd ds s:tunnel;thermal hazard;Xiaojiang fault;hydrothermal activity characteristics;hydrochemical analysis;hot-water-cycle evolution0 引言随着我国 2035 年基本建成交通强国、实现现代化综合交通体系的发展目标以及新时代推进西部大开发形成新格局意见的提出,大批的公路、铁路、城市轨道交通和水利工程进入规划和建
14、设阶段,隧道和地下工程建设也迎来一个新阶段。西南艰险复杂地质山区的隧道工程在建设时需要克服极其复杂的地质、地形和气候条件,会遇到活动断裂带及富水构造带导致的隧道涌突水、高应力环境引起的硬岩岩爆和软岩大变形以及高地温产生的隧道热害等不良地质问题1-2。隧道热害主要指高岩温、高水温对隧道施工造成的危害。近年来,国内越来越多的隧道在建设时遭遇热害问题。我国西南地区由于地质构造背景特殊,水热活动强烈,深大活动断裂往往控制着水热活动区的分布,该区域隧道建设遭遇热害的概率大大增加,如云南建成的旧寨隧道和在建的高黎贡山隧道等3-4。隧道热害评价通常分为 2 步:第 1 步,主要通过地质分析的手段对隧道工程遭
15、遇热害的可能性以及遭遇热害的主要段落进行判断;若第 1 步已判断隧道工程遭遇热害的可能性较低,则无需进行下一步,否则,下一步将通过测温钻孔以及基于测温钻孔的隧址区地温场数值模拟分析来对隧道热害进行评价。已有学者通过第 1 步地质分析的手段就隧道遭遇热害的可能性进行判断,如胡政等5和杨冬等6通过地质分析对云南尼格隧道隧址区的高岩温、高水温热源进行研究。也有学者是基于第 1 步地质分析后,结合下一步的测温钻孔和数值模拟的应用才对隧道热害进行判断。如周安荔7通过地质分析对拉日铁路隧道热害可能性进行判断,认为拉日铁路隧道存在热害风险,然后基于钻孔测温数据对隧道地温场进行数值模拟,揭示隧址区地热分布规律
16、。此外,部分学者基于前人地质分析资料,进一步运用数值模拟方法模拟隧道温度场,判断隧道热害。如赵志宏等8在前人对折多山隧道地质分析资料的基础上,对折多山隧道温度场进行模拟并对隧道热害进行评价。尹龙等9基于 Birch10提出的地质演化历史方法以及 Bodmer 等11和 Rybach 等12的温度修正表达式,结合前人的地质分析资料,对高黎贡隧道原岩进行温度预测,并对温度场进行划分。小江断裂带以及北延的安宁河断裂、鲜水河断裂均表现出强烈的水热活动。已有学者对鲜水河断裂的水热活动特征进行对比研究,如吕国森等13通过地质分析以及水文地球化学分析,对比研究了鲜水河断裂带、龙门山断裂带、安宁河断裂带的热水
17、成因模式;冯涛等14通过热水地温梯度反算法对穿越鲜水河断裂南东段分支的隧道热害进行评估,对鲜水河断裂水热活动的工程热害进行了评价研究。而对于小江断裂带,杨雷等15通过分析小江断裂带温泉的地球化学特征与重庆温塘峡温泉的差异,认为地质背景对热水地球化学特征有控制作用;刘云16通过对小江断裂带温泉的研究,促进了云南地热资源产业化的发展;王云17通过对滇东南小江断裂带等一系列断裂带上温泉的地球化学特征研究,认为具有幔源特征的温泉可作为地震监测预报的观测对象。前人对于小江断裂带的研究主要集中在地热成因以及地热资源利用方面,与实际工程建设相结合的相关研究甚少,关于水热活动对横穿小江断裂的隧道工程热害评价的
18、研究更是少之又少,故本文开展小江断裂隧道工程热害方面的地质分析研究,以期为类似穿越水热活动强烈的活动断裂隧道工程的热害评价提供参考。本文以穿越小江断裂的登楼山隧道为例,判断小江水热活动带对登楼山隧道的工程热害影响。通过地质分析和水文地球化学分析相结合的方式,梳理隧址区控水控热断裂的展布特征,得到登楼山隧道进口和出口 2 处最有可能造成隧道热害的温泉的成因模式,同时基于温泉运移、排泄路径与隧道的空间关系,对隧道热害进行初步评价。4251第 9 期刘文连,等:穿越小江断裂的登楼山隧址区水热活动特征分析及隧道热害评估1 隧址区构造展布及水热活动特征1.1 区域地质及地热地质概况 研究区地处印度洋板块
19、和欧亚板块的碰撞变形区,位于青藏高原东南缘的川滇菱形地块之上18-19,如图 1 所示。目前认为该区域是青藏高原物质向东南运移流动的重要通道20-22。隧址区则位于川滇菱形地块东边界的小江断裂带中段。小江断裂带初始活动为 75 Ma23,北起于云南巧家附近,向南经东川延伸至建水以南,整体呈近南北走向,为一条强烈活动的左旋走滑断裂。该断裂带分为北、中、南 3 段,其中北段位于巧家至东川之间;中段由东川至华宁,又分为东、西 2 支,宏观上呈现辫状;南段位于华宁至红河断裂之间24-27。隧址区地处滇藏地热带,因其位于青藏高原物质东南流通道上,受多次强烈构造活动影响和控制28,大地热流背景值高,呈北高
20、南低的规律29。鲜水河断裂至小江断裂一带,水热活动强烈,高温热水沿断裂带出露,表明鲜水河断裂至小江断裂一带水热活动受断裂带控制。小江断裂带中段的次级断裂极其发育,中段的东、西 2 支断裂间形成错综复杂的网格状构造30,均为地下热水沟通热源和运移储存提供了良好的先天条件。地下热水的循环演化受到构造体系的约束31,故隧址区内的水热活动分布规律主要受小江断裂带控制。小江断裂带东部地区温泉出露较少,温泉整体分布形迹与小江断裂带近南北向的展布趋势相似,在断裂带中段以沿东、西 2 支近南北走向的分支断裂分散出露为特点,沿东川、寻甸、宜良、澄江、华宁一线均有温泉出露,表明该区内热水的热源和运移严格受到小江断
21、裂构造控制,形成了较滇西水温低、流量大的滇东中低温水热活动区,如图 1 所示。1.2 隧址区地质及地表热显示分布特征隧址区位于小江断裂带中段的东支西侧,由于地处滇东地区昆明系山字形构造的东翼和南北向小江断裂带的复合部位,且该区地壳经历了多期构造运动,地质构造十分复杂,褶皱、断裂构造发育,地层破碎、残缺不连续32,但从构造形态和展布特征上分析,仍然具有一定的规律。隧址区构造展布及热水分布如图 2 所示。隧址区内虽断裂数量较多,纵横交错,初看呈现无规律散布的状态,但前人根据断裂走向特征对区内断裂统计后发现,区内规模最大的断裂组为隶属于小江断裂带中段东支断裂体系的南北向断裂组33。因此,区内虽分布有
22、近北东向和东西向断裂,但断裂总体以南北向为优势方向,呈束状展布。图片参考文献32,有修改。图 1 隧址区区域构造位置及热水分布位置图Fig.1 Location of regional tectonics and hot water distribution in tunnel area 图片参考文献34-35,有修改。图 2 隧址区构造展布及热水分布图Fig.2 Structural and hot spring distribution in tunnel area5251隧道建设(中英文)第 43 卷 该隧道全长 10 957 m,最大埋深约 838 m,隧道围岩以震旦系上统(Zbd、Z
23、bdn),寒武系下统(1l、1c、1q),泥盆系上统(D3)、石炭系中下统(C1dw、C1ds、C2w)、三叠系(T1、T2)地层为主,其中相对含水岩组为Zbd、Zbdn、1l、D3、C1dw、C1ds、C2w。现场调查了隧址区内的 7 处热水出露点,从热水出露位置的平面展布情况分析,热水主要沿近于南北向的小江断裂带分散出露于山涧沟谷之中,表明南北向断裂带为区内主要的控热控水构造,如图 2 所示。隧址区内温泉的出露温度均低于 50,温泉主要出露于震旦系灯影组(Zbdn)、寒武系鱼户村组下段(1ya)、志留系玉龙寺组(S3y)和泥盆系曲靖组(D2q)地层中,地层岩性以白云岩、灰岩和灰质泥岩为主。
24、1.3 隧址区水文地球化学特征1.3.1 水化学类型分析 隧址区水样水化学测试数据如表 1 所示。由图 3所示的 piper 三线图可知,隧址区除通红甸温泉的水化学类型为 HCO3SO4-CaNa 型,其余温泉的水化学类型均为 HCO3-CaMg 型,与地表水和浅层岩溶地下水的水化学类型相似,表明隧址区内的温泉补给和径流主要在广泛分布的强富水性可溶岩地层中进行。隧址区温泉水中,通红甸温泉的溶解固体总量(TDS)相对较高,其他温泉 TDS 普遍较低,与地表水以及浅层冷水的 TDS 属于相同数量级,表明热水在运移过程中受到浅层冷水的混合作用。表 1 隧址区水样水化学测试数据Table 1 Hydr
25、ogeochemical test data of water samples in tunnel area编号名称类型流量/(L/s)pH 值TDS/(mg/L)离子质量浓度/(mg/L)K+Na+Ca2+Mg2+Cl-SO42-HCO3-H2SiO3水化学类型W01象鼻温泉温泉107.095858.8216.1078.231.63.5175.337248.8HCO3-CaMgW02龙潭营温泉温泉307.504231.250.3854.131.60.5412.632314.0HCO3-CaMgW03热水塘 温泉7.174481.522.6860.130.40.9310.334232.2HCO
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