周安荔

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

地?zé)崴淼缹砧F路選線的影響研究

周安荔

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

通過對拉日鐵路高地?zé)岱植继卣鳌⒌責(zé)嵝纬稍?、高溫隧道熱害對工程的影響分析，利用地?zé)嵫芯坷碚?，建立?jì)算模型，采用數(shù)值模擬技術(shù)對隧道地溫場進(jìn)行模擬分析，揭示隧址區(qū)地?zé)岱植家?guī)律，提出可供線路通過的地溫異常區(qū)相對低溫通道，并以拉日鐵路吉沃西嘎隧道高地?zé)犷A(yù)測和線路方案選擇為例予以說明?？偨Y(jié)高海拔地?zé)岬貐^(qū)選線思路及原則，為類似地區(qū)工程的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供借鑒。

拉日鐵路；地?zé)岱治觯坏責(zé)崴淼?；線路方案

1 概述

新建拉薩至日喀則鐵路地處青藏高原西南部，行經(jīng)西藏自治區(qū)的拉薩市和日喀則地區(qū)，是西藏自治區(qū)鐵路網(wǎng)中承東啟西的一條重要干線鐵路，對促進(jìn)鐵路沿線地區(qū)及西藏口岸經(jīng)濟(jì)發(fā)展、增強(qiáng)民族團(tuán)結(jié)、鞏固國防具有重要意義。線路全長253 km，2010年10月開工，2014年8月開通運(yùn)營。

拉薩至日喀則鐵路解決了高強(qiáng)度地?zé)峄顒訁^(qū)、高寒缺氧、高海拔風(fēng)沙等3項(xiàng)世界性難題，其中高地?zé)峄顒訁^(qū)所引發(fā)的隧道內(nèi)的高溫?zé)岷栴}，是影響本項(xiàng)目建設(shè)方案的關(guān)鍵因素之一。

拉薩至日喀則鐵路通過區(qū)屬于喜馬拉雅地?zé)釒У囊徊糠?，位于那曲—?dāng)雄(羊八井) —尼木水熱活動帶的南部。拉日鐵路正面以隧道群方式穿透40 km地?zé)釒Ш诵牡囟?，屬國?nèi)首次。

通過拉日鐵路雅魯藏布江地?zé)釁^(qū)選線的研究，總結(jié)高海拔地?zé)岬貐^(qū)選線思路及原則，為類似地區(qū)工程的設(shè)計(jì)提供借鑒。

2 高溫隧道熱害

近年來，我國鐵路建設(shè)高速發(fā)展，路網(wǎng)布局逐步完善，長大、深埋、地質(zhì)復(fù)雜、邊遠(yuǎn)山區(qū)、特殊地區(qū)的隧道工程越來越多。高溫地?zé)崴淼老嗬^在拉日鐵路、吐庫二線、向莆鐵路、玉蒙鐵路、蒙河鐵路、大瑞鐵路等項(xiàng)目出現(xiàn)[4]。隧道地?zé)岵『σ阎饾u成為一大難題，隧道熱害不僅影響工程的施工進(jìn)度和投資，甚至還決定線路方案的可行性，地?zé)釋λ淼拦こ痰牟焕绊懼饕憩F(xiàn)如下：

(1)作業(yè)人員生理不適可能引發(fā)疾病，主要表現(xiàn)為體溫調(diào)節(jié)發(fā)生障礙，導(dǎo)致代謝紊亂，生理異常，甚至導(dǎo)致疾病，嚴(yán)重威脅到施工人員的健康和安全；

(2)洞室內(nèi)的高溫高濕，惡化作業(yè)環(huán)境，導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備的工作條件惡化、效率降低、故障增多；

(3)影響施工及建筑材料的選取和混凝土的耐久性；

(4)產(chǎn)生的附加溫度應(yīng)力還可能引起襯砌開裂，嚴(yán)重影響隧道的穩(wěn)定性和安全性，并加大運(yùn)營期間的養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度。

鑒于高溫?zé)岷λ淼拦こ痰奈：?，有必要對熱害隧道及鐵路選線進(jìn)行深入研究。

3 拉日鐵路地?zé)岱治?/h2>

3.1 拉日鐵路地?zé)岱植继卣?/p>

根據(jù)地表地?zé)岱植紶顩r、區(qū)域地?zé)嵫芯砍晒翱碧綔y溫資料，拉日線地?zé)岱植继卣魅缦隆?/p>

(1)地?zé)岱植贾饕軘嗔褬?gòu)造控制，尤其是受區(qū)域性深大斷裂控制。

(2)區(qū)域性深大斷裂與次級斷裂交匯附近，地?zé)岙惓Ｃ黠@。如吉沃希嘎隧道洞身高溫段就位于幾條斷層的交匯部位。

(3)雅江峽谷區(qū)隧道地?zé)嵋缘蜏?中高溫帶為主。

3.2 拉日鐵路地?zé)嵝纬稍?/p>

拉日鐵路位于喜馬拉雅地?zé)釒?，該地?zé)釒俏覈箨懮系責(zé)嶙顝?qiáng)烈的地?zé)釒е唬堑厍虻蒯：偷貧み\(yùn)動的產(chǎn)物。地?zé)崤c隧道埋深、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及地下水活動等因素有關(guān)。

拉日鐵路雅魯藏布江峽谷區(qū)正好位于雅魯藏布江縫合帶與當(dāng)雄—羊八井—尼木-多慶措地?zé)峄顒訋У慕粎R部位，當(dāng)雄—羊八井—尼木-多慶措地?zé)峄顒訋遣啬献顬榛钴S的水熱顯示區(qū)。雅魯藏布江峽谷附近下部的熔融巖漿埋深淺，是地?zé)岬闹饕獊碓?；峽谷區(qū)區(qū)域性深大斷裂構(gòu)造發(fā)育，如F1、F1-1、F4-1(尼木斷裂)、F4-2等，為地?zé)岬男纬商峁┝肆己玫膬Υ妗⑦\(yùn)移空間，熱水一方面通過斷層溢出地表形成溫(熱)泉，另一方面通過熱傳導(dǎo)、熱輻射的作用，導(dǎo)致巖體溫度升高，從而形成高巖溫，是雅魯藏布江兩岸地?zé)岚l(fā)育的主要原因。拉日鐵路地?zé)釁^(qū)地質(zhì)構(gòu)造見圖1。

圖1 拉日鐵路地?zé)釁^(qū)地質(zhì)構(gòu)造

3.3 地?zé)嵫芯坷碚?/p>

(1)地?zé)釄隹臻g分布規(guī)律研究

①根據(jù)測溫鉆孔實(shí)測數(shù)據(jù)，建立測溫鉆孔-溫度曲線，應(yīng)用最小二乘法對曲線進(jìn)行擬合，建立各鉆孔深度-溫度曲線回歸方程，并應(yīng)用該方程對鉆孔地面以下高程的地溫進(jìn)行預(yù)測。

②以地?zé)嵴{(diào)查、物探、鉆探、實(shí)驗(yàn)測試成果為依據(jù)，應(yīng)用格里克插值法，對區(qū)域地?zé)徇M(jìn)行數(shù)值模擬和分布規(guī)律進(jìn)行研究。

(2)隧道地?zé)釄鲇邢拊獢?shù)值模擬

①根據(jù)線路平、縱斷面以及工程地質(zhì)資料，對地?zé)崴淼澜⒌刭|(zhì)模型，爾后建立有限元熱分析計(jì)算模型，通過獲取相關(guān)參數(shù)，對隧道進(jìn)行地?zé)峥臻g分布規(guī)律研究，并繪制等值線圖。

②應(yīng)用隧道地?zé)釄鰯?shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合區(qū)域地?zé)釄龇植家?guī)律，提出可供線路通過的地?zé)岙惓^(qū)相對低溫通道，據(jù)此對線路方案進(jìn)行選擇和優(yōu)化。

4 拉日鐵路吉沃西嘎隧道高地?zé)犷A(yù)測案例

4.1 測溫鉆孔-溫度曲線

為查明地下不同深度的溫度分布及熱流值，根據(jù)線路平縱斷面資料，在隧道位置布設(shè)適量的鉆孔測量研究區(qū)內(nèi)的地溫，且同一鉆孔進(jìn)行多次測溫并取其平均值，依此繪制各鉆孔的深度-溫度曲線，從測溫鉆孔-溫度曲線能夠反應(yīng)出鉆孔所測的實(shí)際巖溫。

4.2 鉆孔測溫曲線的擬合及預(yù)測

由于各種因素制約，鉆孔的數(shù)量和深度達(dá)不要求時(shí)，就需要對鉆孔底面以下的地溫進(jìn)行預(yù)測。

(1)對孔底以下30 m以內(nèi)的深度-溫度曲線呈線性變化，可用地溫梯度預(yù)測方法，地溫梯度計(jì)算公式為

T=T0+H·G

式中T——預(yù)測溫度，℃；

T0——對應(yīng)H的實(shí)測溫度，℃；

G——地溫梯度，℃/100 m；

H——相對深度，m。

(2)對孔底以下30 m以內(nèi)深度-溫度曲線呈非線性變化的地溫預(yù)測，需采用曲線擬合的最小二乘法，建立鉆孔深度-溫度曲線回歸方程進(jìn)行預(yù)測。

如對可吉沃西嘎隧道鉆孔底面以下的地溫進(jìn)行預(yù)測。RZ-1鉆孔的回歸方程為

y=-0.002x3+0.0178x2+0.4116x+13.077，

該方法預(yù)測地溫和實(shí)際地溫誤差小于5%，可見該方法預(yù)測孔底以下巖溫正確。

4.3 采用數(shù)值模擬技術(shù)對隧道地溫場進(jìn)行模擬分析

根據(jù)鉆孔實(shí)測及預(yù)測數(shù)據(jù)，應(yīng)用克里格插值法對線路軌底和高程平面的地?zé)徇M(jìn)行數(shù)值模擬分析。圖2為研究區(qū)域地溫場等值線圖，從圖2可以看出：線路從色麥村隧道，先通過一段低溫區(qū)后，在吉沃西嘎隧道進(jìn)入地溫異常區(qū)，附近最高地溫在57 ℃以上，之后線路軌底地溫逐漸降低，在吉沃西嘎隧道出口處降至20 ℃以下，之后通過均為低溫區(qū)。

圖2 研究區(qū)地溫預(yù)測等值線

通過以上分析可以得出隧道軌底大致的溫度，吉沃西嘎最高溫度達(dá)到57 ℃。

另外，通過高程地?zé)釄龅戎的M，分析區(qū)域地?zé)釄鲭S深度的變化規(guī)律。通過分析，該區(qū)域地?zé)岢室韵绿卣鳎簠^(qū)域地?zé)犭S深度的增加而增大；地?zé)岱植家?guī)律大致呈中部高，兩端低。

4.4 計(jì)算模型建立

通過對拉日鐵路吉沃西嘎隧道的場地工程地質(zhì)條件、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造特征等綜合分析，在獲得了隧道巖體熱分析的基本認(rèn)識基礎(chǔ)上，建立隧道巖體的地質(zhì)模型并由此建立計(jì)算模型，采用Ansys有限元軟件，對吉沃西嘎隧道巖溫分布情況進(jìn)行熱分析和數(shù)值模擬，從而作出隧道的地溫場等值線圖，為低溫通道的選取和高溫?zé)岷υu價(jià)提供依據(jù)。

根據(jù)隧道地溫場的數(shù)值模型的尺寸，在隧道豎向采用1∶1，橫向1∶10建模，對隧道內(nèi)不同材料類型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分采用四邊形網(wǎng)格，長度為5 m。并選取相應(yīng)材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ參數(shù)和和上、下邊界的溫度荷載溫度等數(shù)據(jù)。

吉沃西嘎隧道取3 740～3 880 m的范圍建模，共劃分了3 223個(gè)節(jié)點(diǎn)，2 807個(gè)單元，其地質(zhì)模型、網(wǎng)格劃分見圖3、圖4。

圖3 吉沃西嘎隧道地溫場模擬地質(zhì)模型

圖4 吉沃西嘎隧道地溫場有限元網(wǎng)格劃分

4.5 吉沃西嘎隧道地溫場數(shù)值模擬分析

根據(jù)以上數(shù)值計(jì)算模型，將測溫孔數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證條件，隧道地溫場數(shù)值模擬等值線見圖5。 隧道不同里程處的地溫線見圖6。

圖5 吉沃西嘎隧道地溫場模擬等值線云圖

圖6 吉沃西嘎隧道沿走向地溫曲線

從圖5可以看出，等值線從高溫區(qū)處向外呈擴(kuò)散狀，隧道經(jīng)過處所遇到的最高溫度為57.64 ℃，所在里程為IIIDK118+732附近，屬于異常高溫區(qū)域。

從該隧道區(qū)域的整體情況分析，隧道區(qū)域內(nèi)部地溫的分布大致隨深度增加而升高。地溫等值線的形狀主要受底部溫度和坡體地形影響較大。

5 吉沃希嘎隧道線路方案選擇案例

拉日鐵路通過地?zé)釁^(qū)的吉沃希嘠等8座隧道已順利完成施工，并交付運(yùn)營。地?zé)釁^(qū)隧道的實(shí)施方案在原設(shè)計(jì)方案研究階段的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，下面以吉沃希嘎隧道為例予以說明。方案示意見圖7。

(1)隧道地?zé)岱治?/p>

通過對吉沃希嘎隧道地?zé)岱治觯撍淼来嬖诘責(zé)釂栴}。根據(jù)區(qū)域地?zé)釄鲱A(yù)測，該隧道長3 985 m，大致在1 780 m范圍內(nèi)存在地溫異常。

此段范圍隧道中心線距離雅魯藏布江左側(cè)巖體坡面約250 m，由于此處雅江兩岸巖體高陡。以50 m為基本單位，分別對線路靠近雅江左移50、100、150、200 m進(jìn)行地?zé)釄鰯?shù)值模擬，以計(jì)算出相對地溫通道的最佳線位，其研究結(jié)果見圖8。

由圖8可以看出，線位向左側(cè)優(yōu)化100 m后，隧道所經(jīng)過的最高溫度從原來42.5 ℃降為36.35 ℃，下降了6.15 ℃，可見優(yōu)化后的線位對降低隧道地溫有很好的效果。根據(jù)這一研究結(jié)論，確定了線位盡量靠近雅江。

另外，從地?zé)釄瞿M云圖分析可以看出，適當(dāng)抬高線路高程，減小隧道埋深亦可有效降低隧道地?zé)?，以線路左移100 m為例，高程每抬高5 m，隧道地?zé)嶙兓€如圖9所示。

圖9 地?zé)犭S高程變化曲線

可見，線路靠近雅江，同時(shí)抬高線路高程可有效減小地?zé)釋λ淼赖挠绊憽?/p>

(2)線路方案優(yōu)化

該段線路走行于雅江峽谷區(qū)，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。線路若左移大于200 m，則會造成線路以明洞或偏壓隧道工程通過，可能導(dǎo)致隧道施工受地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)加大、隧道結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性降低、隧道養(yǎng)護(hù)工作加大等問題。故該段線路應(yīng)結(jié)合不良工程地質(zhì)、地?zé)峒熬€路技術(shù)條件進(jìn)行綜合比選。

①原方案

該隧道走行于雅江北岸，遠(yuǎn)離靠近公路的滑坡及巖堆，線路走向與雅江基本平行，距江邊約500 m。該方案線路短順，繞避了不良地質(zhì)，技術(shù)條件較好，但高地?zé)釂栴}嚴(yán)重。

②優(yōu)化后方案

此段線路方案結(jié)合地?zé)峒安涣嫉刭|(zhì)等控制因素，優(yōu)化后的線路方案盡量靠近雅江邊，線路靠近雅江在原方案線位外移大約130 m，結(jié)合不良地質(zhì)分布、線路高程等因素進(jìn)行綜合優(yōu)化，優(yōu)化后的線路平、縱斷面經(jīng)施工及運(yùn)營的實(shí)踐，證明優(yōu)化后的方案經(jīng)濟(jì)合理。

6 峽谷區(qū)地?zé)岫芜x線思路和原則

6.1 選線的普遍性規(guī)律

尋求線路通過相對低的地?zé)嵬ǖ?，以繞避地?zé)岙惓^(qū)，減少地?zé)釋λ淼赖牟焕绊?，線路方案原則以控制地?zé)釣橹攸c(diǎn)，按隧道相關(guān)規(guī)范，隧道內(nèi)溫度控制在28 ℃以內(nèi)，并繞避滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。線路盡量靠近河(溝)谷，隧道適當(dāng)靠近坡面，以降低線路附近巖體溫度，在控制溝谷或可能出現(xiàn)地?zé)岬臄鄬痈浇謩e以淺埋隧道、明洞或明線等工程措施通過，縮短橫通道的長度，以便于對地?zé)徇M(jìn)行處理。

6.2 地?zé)釁^(qū)選線設(shè)計(jì)原則

拉日鐵路雅江峽谷區(qū)的選線，具有典型的高原峽谷區(qū)地?zé)徼F路選線的特點(diǎn)。由于通過的區(qū)域海拔高、河谷深、地質(zhì)異常復(fù)雜，特別是分布有地?zé)峄顒訋В哂歇?dú)特的地?zé)?、地質(zhì)特征，使線路方案具有特殊的考慮因素。通過對拉日鐵路地?zé)崴淼啦煌牡刭|(zhì)、地?zé)釛l件的分析研究，合理確定了地?zé)崴淼谰€路方案的選線原則及線路基本方案。

(1)線路盡量繞避河谷兩岸的滑坡、錯(cuò)落、泥石流、巖堆、危巖落石、斷層等不良地質(zhì)區(qū)，特別是要繞避地?zé)岚l(fā)育地段。當(dāng)線路必須通過規(guī)模較大的地?zé)岬刭|(zhì)體時(shí)，應(yīng)選擇地?zé)徇吘?、?gòu)造簡單、地?zé)釓?qiáng)度弱的地段。

(2)線路盡量與地?zé)岱植紟Т蠼嵌认嘟?，以最短距離通過。要特別注意：避免通過有溫泉出露或古溫泉地段。

(3)線路盡量靠近河谷，在控制溝谷或可能出現(xiàn)地?zé)岬臄鄬痈浇扇\埋隧道方案，縮短橫通道的長度；同時(shí)盡量拔高線路高程，減少隧道埋深，降低線路附近的巖體溫度，以便于對地?zé)峒皶r(shí)進(jìn)行處理。

7 結(jié)論

(1) 根據(jù)線路平、縱斷面以及工程地質(zhì)資料，依據(jù)地?zé)嵫芯坷碚摚瑢Φ責(zé)崴淼捞岢隹晒┚€路通過的地溫異常區(qū)相對低溫通道，據(jù)此確定線路方案。

(2)高強(qiáng)度地?zé)峄顒铀l(fā)的隧道內(nèi)高巖溫會導(dǎo)致隧道內(nèi)的高溫?zé)岷栴}，會直接影響隧道工程的施工安全、效率、進(jìn)程和投資?？偨Y(jié)拉日鐵路的經(jīng)驗(yàn)，線路應(yīng)盡量繞避地?zé)岚l(fā)育地段，優(yōu)先采用明線方案；當(dāng)線路必須通過規(guī)模較大的地?zé)岬刭|(zhì)體時(shí)，應(yīng)選擇地?zé)徇吘壍貛?、?gòu)造簡單、地?zé)釓?qiáng)度弱的地段?？梢赃x擇傍山隧道方案、淺埋隧道方案等，最大限度減小隧道的埋置深度，從巖溫相對較低的表層通過，同時(shí)線位應(yīng)有利于橫通道位置選擇，縮短橫通道的長度，為施工增加工作面及加強(qiáng)通風(fēng)降溫創(chuàng)造條件，以便于對地?zé)徇M(jìn)行處理。

(3) 通過對地?zé)岱植家?guī)律等研究結(jié)果，分析拉日鐵路雅魯藏布江地?zé)釁^(qū)選線的成功經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了高海拔地?zé)岬貐^(qū)選線思路，為類似地區(qū)類似工程的設(shè)計(jì)及建設(shè)提供了可靠依據(jù)。

[1] 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.吉沃希嘎隧道工程地質(zhì)勘察報(bào)告[R].西安 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2010．

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Study on the Influence of Geothermal Tunnel on Route Selection of Lhasa-Shigatse Railway

ZHOU An-li

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd.， Xi’an 710043， China)

Through the analysis of highland heat distribution， geothermal formation causes and the adverse effects of high temperature heat tunnel on the engineering of the Lhasa-Shigatse Railway， the calculation mode established with geothermal research theory and numerical simulation are employed to simulate and analyze tunnel geothermal field and reveal the pattern of geothermal distribution in the tunnel area. As a result， a relatively low temperature channel is proposed to pass through areas with abnormal ground temperature， which is justified by the practice in route selection of Jiwoxi GA tunnel on Lhasa-Shigatse railway. This paper summarizes the concept and principles of route selection in high altitude geothermal areas， which provides

for the design and construction in similar areas．

Lhasa-Shigatse Railway; Geothermal analysis; Geothermal tunnel; Route scheme

2015-02-04；

2015-02-16

中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司科研項(xiàng)目(院科12-20)

周安荔(1966—)，男，高級工程師，1991年畢業(yè)于上海鐵道學(xué)院鐵道工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail： xyczal@163.com。

1004-2954(2015)10-0001-05

U212.32

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.001