西安地鐵沿線地層溫度冬季分布規律觀測研究＊

任建喜 韓 強 高虎艷 楊智國 周曉燕 馮曉光 高廷廷

（1.西安科技大學建筑與土木工程學院，710054，西安；2.西安市地下鐵道有限責任公司，710016，西安；3.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，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］。在我國地鐵系統中，空調系統的能耗大約占到整個地鐵系統總耗能的30%［2－3］，研究地鐵空調系統的節能可直接為地鐵運行節約成本。地鐵的溫度需要控制在一個合理的范圍內［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、調節地鐵空氣溫度的作用。傳到地鐵周圍土壤的熱量占地鐵產熱量的25%～40%，夏天地鐵內空氣溫度升高時，熱量傳入周圍土體，以減少溫度上升的幅度；相反，冬天地鐵內溫度降低時，熱量將從周圍土體內傳出來，以減小溫度降低的幅度，這對節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，設計合理的空調系統，能大大節約地鐵的運營成本［7］。西安是我國西部黃土地區首個修建地鐵的城市，由于沒有地鐵埋深范圍內（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律觀測研究，以為地鐵隧道和車站的空調設計提供幫助。

1 西安地鐵前期觀測內容

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

（2）長期觀測點傳感器埋深及其布置。根據地鐵車站和隧道實際埋深，結合地貌單元，確定地溫觀測深度為21m和25m兩種規格。地溫觀測中，地溫測試傳感器自制，精度為0.001℃，間距設置，見表2。

表1 地溫觀測點分布統計

表2 西安地鐵地溫長期觀測傳感器節點間距

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

（4）觀測頻率與觀測時間段。在設備埋設完畢48h后方可進行第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。以后每周觀測1次，如遇暴雨應兩天后進行測量，遇強降雨三天后進行測量，遇冰雹、大雪或高溫（35℃）等應一天后進行觀測。觀測時間為冬季（西安采暖的季節），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律

本文通過分析魚化寨的地溫變化規律得出皂河一級階地的地溫變化規律。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監測范圍內的峰值；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 黃土梁洼地區地溫變化規律

本文選取西安工業大學觀測點對此地貌單元地溫變化規律進行分析。西安工業大學地溫變化曲線如圖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，大地溫度達到監測范圍內的峰值；7.5m處至監測孔底部，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 西安工業大學地溫變化曲線

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，同一觀測深度、不同觀測點的地溫值具有差異性，即同一地貌單元內的地溫值不恒定。

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律

通過分析國際港務區的地溫變化規律得出渭河地貌一級階地的地溫變化規律。國際港務區地溫變化曲線見圖5。

圖5 國際港務區地溫變化曲線

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，大地溫度達到監測范圍內的峰值；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，但降低幅度較小；12m至監測孔底部，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律

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

圖6 廣運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，大地溫度達到監測范圍的峰值；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律原位觀測研究。結果表明，西安地鐵車站和區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律，研究結果對地鐵車站和區間隧道的空調初步設計具有重要參考價值。

（4）西安地鐵建成運營后，地鐵車站和區間隧道周圍的土體溫度會發生變化。為了準確了解運營后人流、氣候等因素對地鐵車站和區間隧道周圍土體溫度的影響，為地鐵運營后通風空調系統的科學合理設置提供幫助，建議保留現有的觀測系統，在2011年10月西安地鐵2號線試運營后進行長期觀測研究。

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

［2］ 王樹剛，朱穎心，江億.北京地鐵熱環境壁面熱流的實測與分析［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”對地鐵系統設計溫度的探討［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［M］.北京：中國建筑工業出版社，2001.

［6］ 辛偉寧，趙蕾，朱常琳.地鐵站內空調控制溫度及系統運行模式［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率影響的室內實驗研究［J］.解放軍理工大學學報，2008，9（3）：242.

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

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