川藏铁路折多山段隧道温度场与热害初步预测

doi:10.19657/j.geoscience.1000-8527.2021.022

现代地质 ›› 2021, Vol. 35 ›› Issue (01): 180-187.DOI: 10.19657/j.geoscience.1000-8527.2021.022

川藏铁路折多山段隧道温度场与热害初步预测

赵志宏¹(), 徐浩然¹, 刘峰²^,³, 魏帅超²^,³, 张薇²^,³, 王贵玲²^,³()

1. 清华大学土木工程系,北京 100084
2. 中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北石家庄 050061
3. 自然资源部地热与干热岩勘查开发技术创新中心,河北石家庄 050061

收稿日期:2020-10-08 修回日期:2020-12-25 出版日期:2021-02-12 发布日期:2021-03-12
通讯作者: 王贵玲
作者简介:王贵玲,男,研究员,博士生导师,1964年出生,地热地质专业,从事地热地质、水文地质研究。Email: guilingw@163.com。
赵志宏,男,副教授,博士生导师,1983年出生,岩土工程专业,从事岩石力学与地下工程的教学与科研工作。Email: zhzhao@tsinghua.edu.cn。
基金资助:
中国地质调查局地质调查项目(DD20190128);中国地质调查局地质调查项目(DD20160190);中国地质调查局“支撑服务川藏铁路规划建设地质调查”项目(20190505)

Preliminary Prediction of Temperature Field and Thermal Damage in Zheduoshan Region Along Sichuan-Tibet Railway

ZHAO Zhihong¹(), XU Haoran¹, LIU Feng²^,³, WEI Shuaichao²^,³, ZHANG Wei²^,³, WANG Guiling²^,³()

1. Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
2. Institute of Hydrogeology and Environmental Geology,Chinese Academy of Geological Sciences,Shijiazhuang, Hebei 050061, China
3. Technology Innovation Center of Geothermal & Hot Dry Rock Exploration and Development, Ministry of Natural Resources,Shijiazhuang, Hebei 050061, China

Received:2020-10-08 Revised:2020-12-25 Online:2021-02-12 Published:2021-03-12
Contact: WANG Guiling

摘要/Abstract

摘要：

高温热害是川藏铁路面临的主要地质灾害之一。折多山一带地处地热资源丰富的康定地热田,隧道热害问题突出。由于高原山区的交通和施工条件恶劣,在部分区域钻探或其他物探手段难以施展。为了更加精确地预测隧道沿线围岩温度场分布特征,弥补在困难地区勘察工作的不足,基于现场调查获取的地质资料,考虑断层、岩性、地温、地下水等因素,结合稳态法地热研究理论,建立折多山区域地热场模拟数值模型,揭示A隧道方案沿线围岩温度场分布特征;并在前人研究的基础上,对隧道沿线热害危险性进行了分区评价,为隧道线路的选址、设计和施工方案的确定提供参考依据。

关键词: 川藏铁路, 折多山段隧道, 地温场, 热害, 数值模拟

Abstract:

Heat harm is a common geological hazard in Sichuan-Tibet railway, China. Zheduoshan region is located in the Kangding geothermal field with abundant geothermal resources, which may induce severe thermal damages. Due to the poor traffic and construction conditions in plateau mountainous area, drilling and other geophysical surveys cannot be easily applied. To precisely predict the surrounding rock temperature along the tunnel and compensate for the lack of geological exploration in difficult terranes, a numerical model of tunnel A along the railway line is built and calibrated based on geological data. Faults, lithology, geothermal temperature, groundwater, and other factors are considered in the model based on geothermal theory. The temperature distribution in the surrounding rocks of the tunnel is revealed. In addition, we evaluate the thermal damage risks along the planned tunnel, which would be useful for its site selection, design and construction.

Key words: Sichuan-Tibet railway, tunnel in Zheduoshan region, geothermal field, thermal damage, numericalsimulation

中图分类号:

P642

赵志宏, 徐浩然, 刘峰, 魏帅超, 张薇, 王贵玲. 川藏铁路折多山段隧道温度场与热害初步预测[J]. 现代地质, 2021, 35(01): 180-187.

ZHAO Zhihong, XU Haoran, LIU Feng, WEI Shuaichao, ZHANG Wei, WANG Guiling. Preliminary Prediction of Temperature Field and Thermal Damage in Zheduoshan Region Along Sichuan-Tibet Railway[J]. Geoscience, 2021, 35(01): 180-187.

图/表 13

图1 折多山地区A隧道方案地理位置及构造纲要图(据文献[17]修改)

Fig.1 Location and tectonic map of the A tunnel option in Zheduoshan region (modified after reference [17])

图2 折多山地区地下水循环模式示意图

Fig.2 Schematic diagram of groundwater circulation pattern in Zheduoshan region

图3 A隧道及其围岩几何模型

Fig.3 Geometry model of A tunnel and its surrounding rocks

表1 模型物理参数

Table 1 Physical parameters of the model

岩性	参数	数值	取值依据
中粒黑云母花岗岩	密度/(kg·m^-3)	2 600	一般岩石平均值
	孔隙率	0.010	模型参数校正
	渗透率/(10^-3 μm²)	0.070	模型参数校正
	热容/(J·kg^-1·K^-1)	800	一般岩石平均值
	导热系数/(W·m^-1·K^-1)	3.20	一般岩石平均值
	放射性生热率/(μW·m³)	5.50	文献[31]
细粒黑云母花岗岩	密度/(kg·m^-3)	2 600	一般岩石平均值
	孔隙率	0.015	模型参数校正
	渗透系数/(10^-3 μm²)	0.11	模型参数校正
	热容/(J·kg^-1·K^-1)	800	一般岩石平均值
	导热系数/(W·m^-1·K^-1)	3.20	一般岩石平均值
	放射性生热率/(μW· $m - 3$ )	5.50	文献[31]
变质岩	密度/(kg·m^-3)	2 600	一般岩石平均值
	孔隙率	0.020	模型参数校正
	渗透率/(10^-3 μm²)	0.14	模型参数校正
	热容/(J·kg^-1·K^-1)	800	一般岩石平均值
	导热系数/(W·m^-1·K^-1)	3.20	一般岩石平均值
砂岩及其他岩石	密度/(kg·m^-3)	2 600	一般岩石平均值
	孔隙率	0.030/0.040	模型参数校正
	渗透率/(10^-3 μm²)	0.70/1.70	模型参数校正
	热容/(J·kg^-1·K^-1)	750	一般岩石平均值
	导热系数/(W·m^-1·K^-1)	3.040	一般岩石平均值
断层	密度/(kg·m^-3)	1 200	一般充填物平均值
	孔隙率	0.30/0.60	模型参数校正
	渗透率/(10^-3 μm²)	132/660	模型参数校正
	热容/(J·kg^-1·K^-1)	800	一般充填物平均值
	导热系数/(W·m^-1·K^-1)	3.20	一般充填物平均值

表1 模型物理参数

Table 1 Physical parameters of the model

岩性	参数	数值	取值依据
中粒黑云母花岗岩	密度/(kg·m^-3)	2 600	一般岩石平均值
	孔隙率	0.010	模型参数校正
	渗透率/(10^-3 μm²)	0.070	模型参数校正
	热容/(J·kg^-1·K^-1)	800	一般岩石平均值
	导热系数/(W·m^-1·K^-1)	3.20	一般岩石平均值
	放射性生热率/(μW·m³)	5.50	文献[31]
细粒黑云母花岗岩	密度/(kg·m^-3)	2 600	一般岩石平均值
	孔隙率	0.015	模型参数校正
	渗透系数/(10^-3 μm²)	0.11	模型参数校正
	热容/(J·kg^-1·K^-1)	800	一般岩石平均值
	导热系数/(W·m^-1·K^-1)	3.20	一般岩石平均值
	放射性生热率/(μW· $m - 3$ )	5.50	文献[31]
变质岩	密度/(kg·m^-3)	2 600	一般岩石平均值
	孔隙率	0.020	模型参数校正
	渗透率/(10^-3 μm²)	0.14	模型参数校正
	热容/(J·kg^-1·K^-1)	800	一般岩石平均值
	导热系数/(W·m^-1·K^-1)	3.20	一般岩石平均值
砂岩及其他岩石	密度/(kg·m^-3)	2 600	一般岩石平均值
	孔隙率	0.030/0.040	模型参数校正
	渗透率/(10^-3 μm²)	0.70/1.70	模型参数校正
	热容/(J·kg^-1·K^-1)	750	一般岩石平均值
	导热系数/(W·m^-1·K^-1)	3.040	一般岩石平均值
断层	密度/(kg·m^-3)	1 200	一般充填物平均值
	孔隙率	0.30/0.60	模型参数校正
	渗透率/(10^-3 μm²)	132/660	模型参数校正
	热容/(J·kg^-1·K^-1)	800	一般充填物平均值
	导热系数/(W·m^-1·K^-1)	3.20	一般充填物平均值

图4 模型网格划分示意图

Fig.4 Sketch of mesh generation of the model

图5 模型边界条件

Fig.5 Boundary conditions of the model

图6 雅拉河断裂附近地下水流线及地表温度 (a)色拉哈—康定断裂和雅拉河断裂地下水流线;(b)雅拉河断裂附近地表温度图

Fig.6 Groundwater flow line and surface temperature around Yala River fault

表2 雅拉河断裂附近热泉参数对比

Table 2 Comparison of thermal spring parameters along Yala River fault

参数	野外调查统计	模型计算结果
热泉总流量/(L·s^-1)	54.046	55.227
热泉最高温度/℃	81.0	80.465

图7 探测孔实际温度与模拟温度对比

Fig.7 Comparison of borehole temperature and model temperature

图8 A隧道轴向剖面围岩温度等值线图

Fig.8 Isoline map of surrounding rock temperature along A-tunnel axial section

图9 A隧道沿线围岩温度曲线图

Fig.9 Temperature of surrounding rocks along tunnel A

表3 隧道勘察设计阶段热害预测分级表(据谢君泰等[34]修改)

Table 3 Thermal damage prediction classification for tunnel prospective design (modified after Xie et al.[34])

热害等级	原始围岩温度/℃
Ⅰ	< 37
Ⅱ	37~44
Ⅲ	45~50
Ⅳ	> 50

表4 A隧道热害分段分级评价

Table 4 Segmented thermal damage classification of tunnel A

里程/km	热害等级	备注
0~7.8	Ⅱ	海拔>3 000 m
7.8~11.3	Ⅲ	海拔>3 000 m
11.3~13.0	Ⅳ	海拔>3 000 m
13.0~16.0	Ⅲ	海拔>3 000 m
16.0~17.4	Ⅱ	海拔>3 000 m
17.4~21.6	Ⅲ	海拔>3 000 m,距热泉较近

参考文献 34

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川藏铁路折多山段隧道温度场与热害初步预测

Preliminary Prediction of Temperature Field and Thermal Damage in Zheduoshan Region Along Sichuan-Tibet Railway

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