福州某地铁车站地热分布特征及其影响分析

李林峰

(福建省建筑设计研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

福州盆地位于闽东火山断拗带内的次一级构造单元福鼎-云霄断陷带和闽东南滨海断隆带上。福鼎-云霄断陷带是福建省最主要的火山喷发带，主要由晚侏罗世-早白垩世中酸性火山岩组成，发育火山构造，后期的岩浆侵入活动极为强烈，断裂构造亦十分发育。福州盆地四周环山，城区位于盆地中心冲积海积平原，平原上分布着诸多岛状花岗岩残丘。区域内地貌类型主要为山地地貌、丘陵地貌、堆积平原地貌及河谷地貌[1]。

福州地热田位于北北西向断裂(F21)的树兜-王庄段，为隐伏断裂构造带，该断裂切割深度大，力学性质上以张为主，呈张扭性特征，沿线断裂分布区域揭示有众多温泉，为地热异常带，即地热田。地热田长约5km，宽约2km，呈北北西向长条状展布。拟建地铁车站位于地热田的中南部。因此，该场地地热丰富，对地铁车站设计、施工和运营影响较大，需对场地地热分布及其热源进行专项分析。

1 地质环境特征

图1 地铁车站区域位置图

地铁车站位于福州市鼓楼区，为海陆交互相冲淤平原地貌单元，车站沿道路东西向设置，如图1所示。地势较平坦，场地现状地面标高为6.68m～8.59m。车站为地下二层岛式车站，框架结构。车站总长291.32m，标准段宽25.1m，站台宽度约为15m，车站主体标准段基础底板埋深约17.20m，车站端头井埋深约19.54m。

1.1 工程地质特征

地表广泛分布为杂填土，局部存在填块石、填砂。填土厚度为2m～6m。填土颜色较杂，主要呈灰色、灰黄色、褐黄色，稍湿～湿，松散～中密，均匀性较差，主要为人工堆填的粘性土，夹杂有碎石、砖块、砼块等建筑垃圾，局部含少量粗中砂和淤泥，硬杂质含量大于30%。强度较低、稳定性差，工程地质性能较差。

第四系底部局部发育有残积黏性土，其下为基岩风化带。残积土岩性以含砂黏性土为主，基岩风化带主要包括全风化、强风化、中风化、微风化。全～强风化顶面埋深为20m～47m，岩性以花岗岩为主，岩石风化剧烈，局部为侵入脉岩。中风化和微风化基岩顶面埋深为23m～50m，岩性以花岗岩为主，裂隙较发育，局部为侵入脉岩。不同岩性接触带裂隙发育，含水量较丰富。

1.2 地下水特征

地下水按赋存方式分为上层滞水、松散岩类孔隙水、残积土及风化岩层中的孔隙-裂隙水和基岩裂隙水4种类型[3]。

(1)上层滞水

第四系人工填土中的地下水主要为上层滞水，其透水性弱～中等，填土层由于物质组成变化较大，渗透性变化大，均匀性差。上层滞水主要接受大气降水及地表水补给，地下水的水位和水量随季节变化较大，雨季上层滞水水量较丰富，枯季水量变小，水位变化幅度一般为1m～3m。

(2)松散岩类孔隙水

松散岩类孔隙水主要存在于砂、卵石层中，由于顶板淤泥、淤泥质土、粉质黏土相对隔水层的存在，使该松散岩类孔隙水具有承压性，为承压水。承压水分上下两层，上层为含泥粗中砂，根据抽水试验测得渗透系数为14.94m/d，下层为含泥卵石，根据抽水试验测得渗透系数为19.63m/d，砂、卵石层透水性强，含水量丰富。该含水层与下部基岩存在直接水力联系，同时接受相邻含水层的侧向径流补给，地下水位随季节变化较大，水位埋深较浅，为6.40m～9.40m之间，水位变幅一般为1m～3m。

(3)残积土及风化岩孔隙-裂隙水(承压水)

残积土、风化岩层中的孔隙-裂隙水主要赋存于残积土、全风化岩及强风化岩孔隙-裂隙中，为弱透水层，富水性较弱，水位埋深较浅。由于上覆淤泥、淤泥质土、粉质黏土等相对隔水层的存在，地下水具有承压性，为承压水。该层地下水主要受大气降水、地表水的下渗补给及相邻含水层的侧向迳流补给，并向相邻含水层渗流排泄或蒸发排泄，地下水动态变化较大，水位季节变化较大，水位变幅一般为2m～5m。

(4)基岩裂隙水(承压水)

基岩裂隙水主要赋存在断裂破碎带、脉岩带及其不同岩性接触带中，呈带状分布，为承压水。由于裂隙张开和密集程度、连通性及充填情况不均匀，具有各向异性，所以裂隙水的埋藏、分布及水动力特征非常不均匀，主要受岩性和地质构造控制，透水性及富水性一般较弱，裂隙发育处透水性及富水性较好。

2 测孔布设

车站主体结构范围沿东西轴向布置4排，每排2个地温测试孔，同时，为进一步测定地温影响范围，在西端区间位置布置2个地温测试孔，共计 10个地温测试孔，如图2所示。测试孔内埋置 Φ90mm 的 PVC 塑料管，并预先在塑料管壁四周打眼包网。地温测试采用THT212便携式智能数字测温仪。地温测试时，沿深度方向每米一个测点，连续测量15d。为减少昼夜温度变化影响，每天固定在上午进行测量。依据规范要求，测试孔深度布设在隧道上下一倍洞泾深度范围，且不小于10m[4]。

图2 地铁车站地温测试孔布置

3 地热分布特征

福州地热田受北北西向树兜-王庄张扭性断裂控制。 热储层为燕山晚期花岗岩类岩石。由于其上覆盖为第四系的砂砾、卵石含水层，因此，福州地热田可划分为两种性质不同的储热层：一类为基岩(花岗岩类)构造脉状裂隙热水；另一类为第四系层状孔隙热水。车站埋设于第四系地层中，该站的热水为典型的第四系层状孔隙热水。

3.1 孔内地温分布特征

对10个地温测试孔孔内地温进行统计分析，各测试孔温度范围、平均值、变化幅度及地热资源温度分级如表1所示。

表1 各测试孔地温分布特征表

通过对10个地温测试孔孔内温度分布特征进行分析，发现以下特征：

(1)MDZ3-31-30 、MDZ3-31-41、MDZ3-10-01 、MDZ3-10-05、MDZ3-10-09、MDZ3-10-16、 MDZ3-10-19共7个地温测试孔孔内地温沿深度幅度增幅巨大，为16.03℃～29.42℃，地温明显高于周边非温泉区域，如图3所示。参照《福州市轨道交通建设及网络规划对温泉影响评估报告书》，该地温测试孔位于地热田影响区域，受地热田的热传导作用和高温热水直接补给，同时由于上部相对隔水层的存在及侧向冷水补给，表现为自下而上地温快速递减。

(2)MDZ2-A138 、MBKZ3-TT-22共2个地温测试孔位于车站东侧，地温仅略高于周边非温泉区域的地温值，为3.87～5.17℃，地温增幅较小。说明该地温勘察孔远离地热田，位于地热田影响区域边缘，受地热田的热传导作用和高温热水直接补给影响减弱，结果与地热田影响区域分布相一致。

(3)根据《地热资源地质勘查规范》(GBT11615-2010)第 6.1.3 条规定，区间地热异常孔(MDZ3-31-30、MDZ3-31-41)和地铁车站地热异常孔(MDZ3-10-01、MDZ3-10-05、MDZ3-10-09、MDZ3-10-16、MDZ3-10-19、MDZ3-10-24)在18.0m～41.0m深度范围水温属于温热水范围，地铁车站东端两孔(MDZ2-A138、MDZ3-TT-22)水温属于温水范围，具体如表1所示[5]。

图3 MDZ3-10-01孔15d温度-深度曲线图

3.2 车站地温分布特征

根据 MDZ3-31-30、MDZ3-31-41、MDZ3-10-01、MDZ3-10-05、MDZ3-10-09、MDZ3-10-16、MDZ3-10-19、MDZ3-10-24、MDZ2-A138、MDZ3-TT-22共10个孔的地温测试结果，计算地温沿深度变化的梯度参数。计算地温梯度参数时，由于地表下约5m深度范围受地表环境影响大，对这些数据进行剔除后。运用最小二乘线性回归法计算各孔的K、B值，计算结果如表2所示。其中K值表示深度每增加1m地温增加值，B值反映了测点的背景温度值。

表2 各孔地温梯度参数K、B计算结果

图4 18m深度处水平面等温线分布图

从各孔地温梯度参数K、B计算结果可知，地铁车站从西至东，K值大致依次减小，MDZ3-31-30、MDZ3-31-41、MDZ3-10-01、DZ3-10-05孔、MDZ3-10-16、DZ3-10-19孔K值较大；MDZ3-10-09、MDZ3-10-24孔K值略小，MDZ2-A138、MBKZ3-TT-22孔K值最小；推断地热的传输方向为自西向东。

通过分析可以得出地铁车站的地温分布具有以下特征：

(1)地铁车站西端为整个车站地温最高区域，温度最大值为55.69℃。选择同一天测试数据，绘制钻孔某一深度水平面等温线分布图，如图4所示。推断地下热水来自地铁车站西侧的第四系层状孔隙热水和深层花岗岩类基岩构造脉状裂隙热水，车站热源位于地温测试孔MDZ3-31-41～MDZ3-10-01所在范围，地热自下而上、自西往东传导。该地下热水流动特征与《福州市轨道交通建设及网络规划对温泉影响评估报告书》中阐述的福州地热田的整体热水流动特征相符。

(2)车站中部至东端为地温相对较低区域。从P1-P1′、P2-P2′剖面地温等值线分布图(图5)分析得出，从西至东温度呈递减趋势，P1-P1′剖面从52℃降至32℃；P2-P2′剖面从53℃降至31℃。分析得出，热源来源于车站西侧，由于西侧地下热源的传导作用，地热和地下热水整体上自西向东依次传递，在等值线图中呈逐渐减弱状态。

(3)车站范围内，在约5m深度以下(5m以上受地表温度影响)地温随深度的增加而增加。这是由于地热源位于车站西端41m深度以下，地下热水自下而上渗透，同时地下热水的热量散发(即热传导)从下往上传递，导致车站范围内地温自上而下呈梯度增加。

(4)不同深度范围增温幅度存在一定差异。这是由于车站地下34m～46m深度范围存在砂、卵石层，为较好的热储层，属第四系层状孔隙热水层。砂、卵石层在水平向、垂直向变化大，均匀性差，对热水的储存影响大。

图5 P2-P2’剖面等温分布图

4 地热对地铁建设、运营的影响分析

地铁车站的地温分布在25.78℃～55.69℃，相对于非温泉区域的地温普遍高约3.87℃～29.42℃。根据《地铁设计规范》(GB50157-2013)关于通风、空调与供暖的相关规定，车站站厅内的夏季计算温度为29℃～30℃[6]。地铁车站东端地温为26.20℃～55.69℃，高于规定温度范围，设计单位应选择适宜的通风设备，并考虑因地温引起的各类通风设备的能耗和磨损增加。必要时，可考虑设置隔热层，将车站外的温泉热源与车站内的环境进行隔离。

根据《混凝土结构耐久性设计规范》(GB50476-2008)分析，地铁车站地温对于钢筋混凝土结构的凝固、耐久性影响较小[7]。

在地铁车站或区间施工中，若采用冻结法施工，地温将影响冻结法的冻结效果，建议在冻结法实施过程中采用动态设计，根据地温选用合适的冷冻管布置和冻结泵功率。

5 结论

(1)该地铁车站位于北北西向树兜-王庄张扭性断裂(F21)东侧温泉带范围内地热田。地铁车站范围地下热水来自车站西侧的第四系层状孔隙热水和深层花岗岩类基岩构造脉状裂隙热水，地热自下而上、自西向东传导。车站西端为测试范围内地温最高区域，车站东端为地温较低区域。

(2)地铁车站影响深度范围内的储热层主要为砂、卵石层，为典型的第四系层状孔隙热水储热层，根据地温测试结果，车站地温在 25.78℃～55.69℃范围，相对于非温泉区域的地温高3.87℃～29.42℃。

(3)车站范围内，在约5m深度以下(5m以上受地表温度影响大)地温随深度的增加而增加。这是由于地热源位于车站范围以下，地下热水自下而上渗透，同时地下热水的热量散发(即热传导)自下而上传递，导致车站范围内地温自上而下呈梯度增加。

(4)地铁车站地温对钢筋混凝土结构的凝固、耐久性影响较小，但对运营期间环境影响大。地铁车站最高温度为55.69℃，明显高于规范规定的温度范围(29℃～30℃)，设计时应选择适宜的通风设备，并考虑因地温引起的各类通风设备的能耗和磨损增加，必要时，可考虑设置隔热层，将车站外的温泉热源与车站内的环境进行隔离。

(5)在地铁车站或区间施工中，若采用冻结法施工，地温将影响冻结法的冻结效果，因此，在冻结法实施过程中应采用动态设计，根据地温选用合适的冷冻管布置和冻结泵功率。

参考文献

[1] 简文彬，李润.福州轨道交通建设中的岩土工程问题[J].工程地质学报，2010(5)：1004-9665.

[2] GB 50021-2001岩土工程勘察规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[3] 郑志强. 福州地铁规划建设中的水文地质环境问题分析[J].绿色科技，2013(11)：153-157.

[4] GB 50307-2012城市轨道交通岩土工程勘察规范[S].北京：中国计划出版社，2012.

[5] GBT11615-2010地热资源地质勘查规范[S].北京：中国标准出版社，2010.

[6] GB50157-2013地铁设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2013.

[7] GB 50476-2008混凝土结构耐久性设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2009.