福州某地鐵車站地熱分布特征及其影響分析

李林峰

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

福州盆地位于閩東火山斷拗帶內的次一級構造單元福鼎-云霄斷陷帶和閩東南濱海斷隆帶上。福鼎-云霄斷陷帶是福建省最主要的火山噴發帶，主要由晚侏羅世-早白堊世中酸性火山巖組成，發育火山構造，后期的巖漿侵入活動極為強烈，斷裂構造亦十分發育。福州盆地四周環山，城區位于盆地中心沖積海積平原，平原上分布著諸多島狀花崗巖殘丘。區域內地貌類型主要為山地地貌、丘陵地貌、堆積平原地貌及河谷地貌[1]。

福州地熱田位于北北西向斷裂(F21)的樹兜-王莊段，為隱伏斷裂構造帶，該斷裂切割深度大，力學性質上以張為主，呈張扭性特征，沿線斷裂分布區域揭示有眾多溫泉，為地熱異常帶，即地熱田。地熱田長約5km，寬約2km，呈北北西向長條狀展布。擬建地鐵車站位于地熱田的中南部。因此，該場地地熱豐富，對地鐵車站設計、施工和運營影響較大，需對場地地熱分布及其熱源進行專項分析。

1 地質環境特征

圖1 地鐵車站區域位置圖

地鐵車站位于福州市鼓樓區，為海陸交互相沖淤平原地貌單元，車站沿道路東西向設置，如圖1所示。地勢較平坦，場地現狀地面標高為6.68m～8.59m。車站為地下二層島式車站，框架結構。車站總長291.32m，標準段寬25.1m，站臺寬度約為15m，車站主體標準段基礎底板埋深約17.20m，車站端頭井埋深約19.54m。

1.1 工程地質特征

地表廣泛分布為雜填土，局部存在填塊石、填砂。填土厚度為2m～6m。填土顏色較雜，主要呈灰色、灰黃色、褐黃色，稍濕～濕，松散～中密，均勻性較差，主要為人工堆填的粘性土，夾雜有碎石、磚塊、砼塊等建筑垃圾，局部含少量粗中砂和淤泥，硬雜質含量大于30%。強度較低、穩定性差，工程地質性能較差。

第四系底部局部發育有殘積黏性土，其下為基巖風化帶。殘積土巖性以含砂黏性土為主，基巖風化帶主要包括全風化、強風化、中風化、微風化。全～強風化頂面埋深為20m～47m，巖性以花崗巖為主，巖石風化劇烈，局部為侵入脈巖。中風化和微風化基巖頂面埋深為23m～50m，巖性以花崗巖為主，裂隙較發育，局部為侵入脈巖。不同巖性接觸帶裂隙發育，含水量較豐富。

1.2 地下水特征

地下水按賦存方式分為上層滯水、松散巖類孔隙水、殘積土及風化巖層中的孔隙-裂隙水和基巖裂隙水4種類型[3]。

(1)上層滯水

第四系人工填土中的地下水主要為上層滯水，其透水性弱～中等，填土層由于物質組成變化較大，滲透性變化大，均勻性差。上層滯水主要接受大氣降水及地表水補給，地下水的水位和水量隨季節變化較大，雨季上層滯水水量較豐富，枯季水量變小，水位變化幅度一般為1m～3m。

(2)松散巖類孔隙水

松散巖類孔隙水主要存在于砂、卵石層中，由于頂板淤泥、淤泥質土、粉質黏土相對隔水層的存在，使該松散巖類孔隙水具有承壓性，為承壓水。承壓水分上下兩層，上層為含泥粗中砂，根據抽水試驗測得滲透系數為14.94m/d，下層為含泥卵石，根據抽水試驗測得滲透系數為19.63m/d，砂、卵石層透水性強，含水量豐富。該含水層與下部基巖存在直接水力聯系，同時接受相鄰含水層的側向徑流補給，地下水位隨季節變化較大，水位埋深較淺，為6.40m～9.40m之間，水位變幅一般為1m～3m。

(3)殘積土及風化巖孔隙-裂隙水(承壓水)

殘積土、風化巖層中的孔隙-裂隙水主要賦存于殘積土、全風化巖及強風化巖孔隙-裂隙中，為弱透水層，富水性較弱，水位埋深較淺。由于上覆淤泥、淤泥質土、粉質黏土等相對隔水層的存在，地下水具有承壓性，為承壓水。該層地下水主要受大氣降水、地表水的下滲補給及相鄰含水層的側向逕流補給，并向相鄰含水層滲流排泄或蒸發排泄，地下水動態變化較大，水位季節變化較大，水位變幅一般為2m～5m。

(4)基巖裂隙水(承壓水)

基巖裂隙水主要賦存在斷裂破碎帶、脈巖帶及其不同巖性接觸帶中，呈帶狀分布，為承壓水。由于裂隙張開和密集程度、連通性及充填情況不均勻，具有各向異性，所以裂隙水的埋藏、分布及水動力特征非常不均勻，主要受巖性和地質構造控制，透水性及富水性一般較弱，裂隙發育處透水性及富水性較好。

2 測孔布設

車站主體結構范圍沿東西軸向布置4排，每排2個地溫測試孔，同時，為進一步測定地溫影響范圍，在西端區間位置布置2個地溫測試孔，共計 10個地溫測試孔，如圖2所示。測試孔內埋置 Φ90mm 的 PVC 塑料管，并預先在塑料管壁四周打眼包網。地溫測試采用THT212便攜式智能數字測溫儀。地溫測試時，沿深度方向每米一個測點，連續測量15d。為減少晝夜溫度變化影響，每天固定在上午進行測量。依據規范要求，測試孔深度布設在隧道上下一倍洞涇深度范圍，且不小于10m[4]。

圖2 地鐵車站地溫測試孔布置

3 地熱分布特征

福州地熱田受北北西向樹兜-王莊張扭性斷裂控制。 熱儲層為燕山晚期花崗巖類巖石。由于其上覆蓋為第四系的砂礫、卵石含水層，因此，福州地熱田可劃分為兩種性質不同的儲熱層：一類為基巖(花崗巖類)構造脈狀裂隙熱水；另一類為第四系層狀孔隙熱水。車站埋設于第四系地層中，該站的熱水為典型的第四系層狀孔隙熱水。

3.1 孔內地溫分布特征

對10個地溫測試孔孔內地溫進行統計分析，各測試孔溫度范圍、平均值、變化幅度及地熱資源溫度分級如表1所示。

表1 各測試孔地溫分布特征表

通過對10個地溫測試孔孔內溫度分布特征進行分析，發現以下特征：

(1)MDZ3-31-30 、MDZ3-31-41、MDZ3-10-01 、MDZ3-10-05、MDZ3-10-09、MDZ3-10-16、 MDZ3-10-19共7個地溫測試孔孔內地溫沿深度幅度增幅巨大，為16.03℃～29.42℃，地溫明顯高于周邊非溫泉區域，如圖3所示。參照《福州市軌道交通建設及網絡規劃對溫泉影響評估報告書》，該地溫測試孔位于地熱田影響區域，受地熱田的熱傳導作用和高溫熱水直接補給，同時由于上部相對隔水層的存在及側向冷水補給，表現為自下而上地溫快速遞減。

(2)MDZ2-A138 、MBKZ3-TT-22共2個地溫測試孔位于車站東側，地溫僅略高于周邊非溫泉區域的地溫值，為3.87～5.17℃，地溫增幅較小。說明該地溫勘察孔遠離地熱田，位于地熱田影響區域邊緣，受地熱田的熱傳導作用和高溫熱水直接補給影響減弱，結果與地熱田影響區域分布相一致。

(3)根據《地熱資源地質勘查規范》(GBT11615-2010)第 6.1.3 條規定，區間地熱異常孔(MDZ3-31-30、MDZ3-31-41)和地鐵車站地熱異常孔(MDZ3-10-01、MDZ3-10-05、MDZ3-10-09、MDZ3-10-16、MDZ3-10-19、MDZ3-10-24)在18.0m～41.0m深度范圍水溫屬于溫熱水范圍，地鐵車站東端兩孔(MDZ2-A138、MDZ3-TT-22)水溫屬于溫水范圍，具體如表1所示[5]。

圖3 MDZ3-10-01孔15d溫度-深度曲線圖

3.2 車站地溫分布特征

根據 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個孔的地溫測試結果，計算地溫沿深度變化的梯度參數。計算地溫梯度參數時，由于地表下約5m深度范圍受地表環境影響大，對這些數據進行剔除后。運用最小二乘線性回歸法計算各孔的K、B值，計算結果如表2所示。其中K值表示深度每增加1m地溫增加值，B值反映了測點的背景溫度值。

表2 各孔地溫梯度參數K、B計算結果

圖4 18m深度處水平面等溫線分布圖

從各孔地溫梯度參數K、B計算結果可知，地鐵車站從西至東，K值大致依次減小，MDZ3-31-30、MDZ3-31-41、MDZ3-10-01、DZ3-10-05孔、MDZ3-10-16、DZ3-10-19孔K值較大；MDZ3-10-09、MDZ3-10-24孔K值略小，MDZ2-A138、MBKZ3-TT-22孔K值最小；推斷地熱的傳輸方向為自西向東。

通過分析可以得出地鐵車站的地溫分布具有以下特征：

(1)地鐵車站西端為整個車站地溫最高區域，溫度最大值為55.69℃。選擇同一天測試數據，繪制鉆孔某一深度水平面等溫線分布圖，如圖4所示。推斷地下熱水來自地鐵車站西側的第四系層狀孔隙熱水和深層花崗巖類基巖構造脈狀裂隙熱水，車站熱源位于地溫測試孔MDZ3-31-41～MDZ3-10-01所在范圍，地熱自下而上、自西往東傳導。該地下熱水流動特征與《福州市軌道交通建設及網絡規劃對溫泉影響評估報告書》中闡述的福州地熱田的整體熱水流動特征相符。

(2)車站中部至東端為地溫相對較低區域。從P1-P1′、P2-P2′剖面地溫等值線分布圖(圖5)分析得出，從西至東溫度呈遞減趨勢，P1-P1′剖面從52℃降至32℃；P2-P2′剖面從53℃降至31℃。分析得出，熱源來源于車站西側，由于西側地下熱源的傳導作用，地熱和地下熱水整體上自西向東依次傳遞，在等值線圖中呈逐漸減弱狀態。

(3)車站范圍內，在約5m深度以下(5m以上受地表溫度影響)地溫隨深度的增加而增加。這是由于地熱源位于車站西端41m深度以下，地下熱水自下而上滲透，同時地下熱水的熱量散發(即熱傳導)從下往上傳遞，導致車站范圍內地溫自上而下呈梯度增加。

(4)不同深度范圍增溫幅度存在一定差異。這是由于車站地下34m～46m深度范圍存在砂、卵石層，為較好的熱儲層，屬第四系層狀孔隙熱水層。砂、卵石層在水平向、垂直向變化大，均勻性差，對熱水的儲存影響大。

圖5 P2-P2’剖面等溫分布圖

4 地熱對地鐵建設、運營的影響分析

地鐵車站的地溫分布在25.78℃～55.69℃，相對于非溫泉區域的地溫普遍高約3.87℃～29.42℃。根據《地鐵設計規范》(GB50157-2013)關于通風、空調與供暖的相關規定，車站站廳內的夏季計算溫度為29℃～30℃[6]。地鐵車站東端地溫為26.20℃～55.69℃，高于規定溫度范圍，設計單位應選擇適宜的通風設備，并考慮因地溫引起的各類通風設備的能耗和磨損增加。必要時，可考慮設置隔熱層，將車站外的溫泉熱源與車站內的環境進行隔離。

根據《混凝土結構耐久性設計規范》(GB50476-2008)分析，地鐵車站地溫對于鋼筋混凝土結構的凝固、耐久性影響較小[7]。

在地鐵車站或區間施工中，若采用凍結法施工，地溫將影響凍結法的凍結效果，建議在凍結法實施過程中采用動態設計，根據地溫選用合適的冷凍管布置和凍結泵功率。

5 結論

(1)該地鐵車站位于北北西向樹兜-王莊張扭性斷裂(F21)東側溫泉帶范圍內地熱田。地鐵車站范圍地下熱水來自車站西側的第四系層狀孔隙熱水和深層花崗巖類基巖構造脈狀裂隙熱水，地熱自下而上、自西向東傳導。車站西端為測試范圍內地溫最高區域，車站東端為地溫較低區域。

(2)地鐵車站影響深度范圍內的儲熱層主要為砂、卵石層，為典型的第四系層狀孔隙熱水儲熱層，根據地溫測試結果，車站地溫在 25.78℃～55.69℃范圍，相對于非溫泉區域的地溫高3.87℃～29.42℃。

(3)車站范圍內，在約5m深度以下(5m以上受地表溫度影響大)地溫隨深度的增加而增加。這是由于地熱源位于車站范圍以下，地下熱水自下而上滲透，同時地下熱水的熱量散發(即熱傳導)自下而上傳遞，導致車站范圍內地溫自上而下呈梯度增加。

(4)地鐵車站地溫對鋼筋混凝土結構的凝固、耐久性影響較小，但對運營期間環境影響大。地鐵車站最高溫度為55.69℃，明顯高于規范規定的溫度范圍(29℃～30℃)，設計時應選擇適宜的通風設備，并考慮因地溫引起的各類通風設備的能耗和磨損增加，必要時，可考慮設置隔熱層，將車站外的溫泉熱源與車站內的環境進行隔離。

(5)在地鐵車站或區間施工中，若采用凍結法施工，地溫將影響凍結法的凍結效果，因此，在凍結法實施過程中應采用動態設計，根據地溫選用合適的冷凍管布置和凍結泵功率。

參考文獻

[1] 簡文彬，李潤.福州軌道交通建設中的巖土工程問題[J].工程地質學報，2010(5)：1004-9665.

[2] GB 50021-2001巖土工程勘察規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2009.

[3] 鄭志強. 福州地鐵規劃建設中的水文地質環境問題分析[J].綠色科技，2013(11)：153-157.

[4] GB 50307-2012城市軌道交通巖土工程勘察規范[S].北京：中國計劃出版社，2012.

[5] GBT11615-2010地熱資源地質勘查規范[S].北京：中國標準出版社，2010.

[6] GB50157-2013地鐵設計規范[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2013.

[7] GB 50476-2008混凝土結構耐久性設計規范[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2009.