西安地鐵沿線地層溫度冬季分布規(guī)律觀測研究＊

任建喜 韓 強(qiáng) 高虎艷 楊智國 周曉燕 馮曉光 高廷廷

（1.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，710054，西安；2.西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，710016，西安；3.中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，710043，西安；4.陜西工程勘察研究院，710068，西安∥第一作者，教授）

地鐵已經(jīng)成為解決大城市交通問題的重要手段之一［1］。在我國地鐵系統(tǒng)中，空調(diào)系統(tǒng)的能耗大約占到整個地鐵系統(tǒng)總耗能的30%［2－3］，研究地鐵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能可直接為地鐵運(yùn)行節(jié)約成本。地鐵的溫度需要控制在一個合理的范圍內(nèi)［4－5］，而地鐵周圍的土壤是一個很大的容熱體，能起到夏儲冬放、調(diào)節(jié)地鐵空氣溫度的作用。傳到地鐵周圍土壤的熱量占地鐵產(chǎn)熱量的25%～40%，夏天地鐵內(nèi)空氣溫度升高時，熱量傳入周圍土體，以減少溫度上升的幅度；相反，冬天地鐵內(nèi)溫度降低時，熱量將從周圍土體內(nèi)傳出來，以減小溫度降低的幅度，這對節(jié)約能量起到了很重要的作用［6］。因此，測量出地鐵沿線地層的溫度，設(shè)計合理的空調(diào)系統(tǒng)，能大大節(jié)約地鐵的運(yùn)營成本［7］。西安是我國西部黃土地區(qū)首個修建地鐵的城市，由于沒有地鐵埋深范圍內(nèi)（地表以下25 m左右）的地層溫度分布資料，急需開展西安地鐵沿線地層溫度分布規(guī)律觀測研究，以為地鐵隧道和車站的空調(diào)設(shè)計提供幫助。

1 西安地鐵前期觀測內(nèi)容

（1）長期觀測點(diǎn)的布置。西安市地鐵沿線共設(shè)立長期地溫觀測孔9處，跨4個地貌單元。各觀測點(diǎn)的位置見表1。

（2）長期觀測點(diǎn)傳感器埋深及其布置。根據(jù)地鐵車站和隧道實(shí)際埋深，結(jié)合地貌單元，確定地溫觀測深度為21m和25m兩種規(guī)格。地溫觀測中，地溫測試傳感器自制，精度為0.001℃，間距設(shè)置，見表2。

表1 地溫觀測點(diǎn)分布統(tǒng)計

表2 西安地鐵地溫長期觀測傳感器節(jié)點(diǎn)間距

（3）觀測方法。長期地溫測試采用預(yù)成孔、埋設(shè)永久地溫傳感器的測試方法，具體為：傳感器制作→標(biāo)定校核→鉆孔→埋線→回填→觀測→整理分析。

（4）觀測頻率與觀測時間段。在設(shè)備埋設(shè)完畢48h后方可進(jìn)行第1次地溫觀測。第一周前三天每天觀測3次，間隔4～5h；第一周的第四、五兩天每天觀測2次，間隔6～8h；第一周的第六天至第三周結(jié)束，每天觀測1次；第四、五周每兩天觀測1次。特殊天氣增加觀測次數(shù)。以后每周觀測1次，如遇暴雨應(yīng)兩天后進(jìn)行測量，遇強(qiáng)降雨三天后進(jìn)行測量，遇冰雹、大雪或高溫（35℃）等應(yīng)一天后進(jìn)行觀測。觀測時間為冬季（西安采暖的季節(jié)），自2010年12月16日開始，2011年3月16日停止。

2 觀測成果

2.1 皂河一級階地地溫變化規(guī)律

本文通過分析魚化寨的地溫變化規(guī)律得出皂河一級階地的地溫變化規(guī)律。魚化寨地溫變化曲線如圖1所示。

圖1 魚化寨地溫變化曲線

從圖1可以看出，地表至地下2m的位置，大地溫度受大氣溫度影響較為靈敏，大地溫度先減小后增加，并隨著大氣溫度的升高而逐步向土體深部延伸；2m至6m處，大地溫度隨時間的變化逐漸減小，隨著深度的增加，大地溫度逐漸增大直至到達(dá)監(jiān)測范圍內(nèi)的峰值；6m處至初見水位面，隨著土體深度的增加，大地溫度逐漸降低，但降低幅度較小；初見水位面以下至監(jiān)測孔底部，大地溫度受大氣溫度的影響最小，隨著深度的增加大地溫度略有升高。由此可以得出，西安地鐵車站和區(qū)間隧道所處的皂河一級階地的恒溫層在地表以下6m，溫度為16℃。

2.2 黃土梁洼地區(qū)地溫變化規(guī)律

本文選取西安工業(yè)大學(xué)觀測點(diǎn)對此地貌單元地溫變化規(guī)律進(jìn)行分析。西安工業(yè)大學(xué)地溫變化曲線如圖2所示。

由圖2可以看出，地表至地下4m的位置，大地溫度受大氣溫度影響很靈敏，隨外部大氣溫度的變化較為明顯；4m至初見水位面處，大地溫度受大氣溫度影響較為靈敏，大地溫度達(dá)到監(jiān)測范圍內(nèi)的峰值；7.5m處至監(jiān)測孔底部，大地溫度變化很小，隨著深度的增加溫度先升高后減小。由此可以得出，西安地鐵車站和區(qū)間隧道所處的黃土梁洼地的恒溫層在地表以下7.5m，溫度為17℃。

圖2 西安工業(yè)大學(xué)地溫變化曲線

圖3 、圖4分別為2011年2月2日黃土梁洼地貌單元埋深25m和21m觀察孔的地溫變化曲線。由圖3和圖4可以看出，同一地貌單元內(nèi)，同一觀測深度、不同觀測點(diǎn)的地溫值具有差異性，即同一地貌單元內(nèi)的地溫值不恒定。

圖3 25m埋深4個孔地溫變化曲線

圖4 21m埋深2個孔地溫變化曲線

2.3 渭河一級階地地溫變化規(guī)律

通過分析國際港務(wù)區(qū)的地溫變化規(guī)律得出渭河地貌一級階地的地溫變化規(guī)律。國際港務(wù)區(qū)地溫變化曲線見圖5。

圖5 國際港務(wù)區(qū)地溫變化曲線

由圖5可以看出，地表至地下4m的位置，大地溫度受大氣溫度影響很靈敏，隨外部大氣溫度的變化較為明顯；4m至7.5m處，大地溫度受大氣溫度影響較為靈敏，大地溫度達(dá)到監(jiān)測范圍內(nèi)的峰值；7.5m處至初見水位面，隨著土體深度的增加大地溫度逐漸降低，但降低幅度較??；12m至監(jiān)測孔底部，大地溫度幾乎不變，隨著土體深度的增加大地溫度先升高后減小。由此可以得出，西安地鐵車站和區(qū)間隧道所處的渭河一級階地的恒溫層在地表以下7.5m，溫度為16℃。

2.4 渭河三級階地地溫變化規(guī)律

通過分析廣運(yùn)潭大道的地溫變化規(guī)律得出渭河地貌三級階地的地溫變化規(guī)律。廣運(yùn)潭大道地溫變化曲線見圖6。

圖6 廣運(yùn)潭大道地溫變化曲線

由圖6可以看出，地表至地下3m的位置，大地溫度受大氣溫度影響較為靈敏；3m至7.5m處，大地溫度變化相對前一范圍不靈敏，大地溫度達(dá)到監(jiān)測范圍的峰值；7.5m以下，大地溫度受大氣溫度的影響不靈敏，7.5m至初見水位面，大地溫度隨深度增加逐漸減低，水位面至監(jiān)測孔底部，大地溫度隨深度增加逐漸增加。由此可以得出，西安地鐵車站和隧道區(qū)間所處的渭河三級階地恒溫層在地表以下7.5m，溫度為16.5℃。

3 結(jié)論和建議

（1）本文首次完成了西安地鐵沿線地層地溫分布規(guī)律原位觀測研究。結(jié)果表明，西安地鐵車站和區(qū)間隧道所處的皂河一級階地的恒溫層在地表以下6m，恒溫層溫度為16℃；黃土梁洼的恒溫層在地表以下7.5m，恒溫層溫度為17℃；渭河一級階地的恒溫層在地表以下7.5m，恒溫層溫度為16℃；渭河三級階地的恒溫層在地表以下7.5m，恒溫層溫度為16.5℃。

（2）大地溫度隨著大氣溫度的變化而變化，但大氣溫度對土體溫度的影響不是即時的而是有一定的滯后性。大氣對土體的溫度影響自土體表面向土體深部發(fā)生熱傳遞，但此熱傳遞并不是無限的，而是有一定的范圍，熱傳遞對初見水位面以下的土體影響較小。

（3）分析了冬季西安地鐵典型地貌單元的地溫分布規(guī)律，研究結(jié)果對地鐵車站和區(qū)間隧道的空調(diào)初步設(shè)計具有重要參考價值。

（4）西安地鐵建成運(yùn)營后，地鐵車站和區(qū)間隧道周圍的土體溫度會發(fā)生變化。為了準(zhǔn)確了解運(yùn)營后人流、氣候等因素對地鐵車站和區(qū)間隧道周圍土體溫度的影響，為地鐵運(yùn)營后通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的科學(xué)合理設(shè)置提供幫助，建議保留現(xiàn)有的觀測系統(tǒng)，在2011年10月西安地鐵2號線試運(yùn)營后進(jìn)行長期觀測研究。

［1］ 陳云娜.淺談地鐵環(huán)控通風(fēng)［J］.地下工程與隧道，1995（3）：38.

［2］ 王樹剛，朱穎心，江億.北京地鐵熱環(huán)境壁面熱流的實(shí)測與分析［J］.地下工程與隧道，1997（3）：32.

［3］ 高曼.日本地鐵排熱利用介紹［J］.能源研究與信息，1995，11（1）：50.

［4］ 樊玲，馮煉.利用“相對熱流指標(biāo)”對地鐵系統(tǒng)設(shè)計溫度的探討［J］，城市軌道交通研究，2002（1）：50.

［5］ 章熙民，任澤霈，梅飛鳴.傳熱學(xué)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

［6］ 辛偉寧，趙蕾，朱常琳.地鐵站內(nèi)空調(diào)控制溫度及系統(tǒng)運(yùn)行模式［J］，都市快軌交通，2009，22（4）：57.

［7］ 肖琳，李曉昭，趙曉豹，等.含水量與孔隙率對土體熱導(dǎo)率影響的室內(nèi)實(shí)驗研究［J］.解放軍理工大學(xué)學(xué)報，2008，9（3）：242.

［8］ 肖琳，楊成奎，胡增輝，等.地鐵隧道圍巖內(nèi)溫度分布規(guī)律的模型試驗及其熱導(dǎo)率反算研究［J］，巖土力學(xué)，2010，31（S2）：86.

［9］ 龍?zhí)?地鐵能源管理系統(tǒng)［J］.城市軌道交通研究，2010（2）：77.