天津地区地温变化特征研究

2021-10-20温伟光刘晓磊

岩土工程技术 2021年5期

温伟光路清王辉，2 刘晓磊，2

（1.天津市勘察设计院集团有限公司，天津 300191；2.天津泰勘工程技术咨询有限公司，天津 300191）

0 引言

地温是地表面和地面以下不同深度处地层温度的统称，包括地面温度和地中温度两类[1]。其中，地中温度按深度又可分为浅层地温和深层地温。地温的相关研究开始较早，19世纪80年代，Forbes[2]、Everett[3]等就对土壤温度进行了试验测定和调查分析；20世纪90年代，地温研究主要集中在对人类影响较大的农林领域，如Cannon[4]、Reddick[5]等对土壤温度影响植物生长发育的分析研究；进入21世纪，随着城市大力开发建设及人们环境保护意识的增强，地温除在农林方面有进一步研究外，开始延伸到工程及能源领域，如张虎元、朱江鸿[6]等对兰州地铁地温的研究、李浩哲[7]对影响矿井地温异常的因素及危害分析、张瑛[8]对甘肃省天水市浅层地温能的应用前景探讨等。

天津作为北方重要港口城市，在京津冀协同发展中承担着重要角色。近年来，随着城市高速发展，地铁、综合管廊等地下空间的开发成为天津城市规划的重要一环。在地铁等大型地下工程建设中，地温是设计结构温度应力、暖通设计等所需的重要参数[9]，影响着施工的质量及安全，对后期的运营维护也起着重要作用。截至目前，天津地区尚未开展过地温专项研究，地温资料除气象部门统计的地面温度外，仅在近年新近规划地铁线路的勘察过程中开展过地温测试工作，系统性的地温分析研究工作亟待开展。

1 地温测试方法及数据

1.1 地温测试方法

天津地区地温测试主要采用钻孔稳态测温法，其操作简易，测温更符合实际情况。该测试方法采用PT100型铂热电阻温度传感器，测试间隔在0～10 m深度为0.5 m，10 m以下为1 m。测试原理为：当温度为0 ℃时PT100的阻值为100 Ω，在100 ℃时它的阻值约为138.5 Ω，阻值随温度上升呈匀速增长，其关系表达式见式（1）、式（2）。

金属热电阻

半导体热敏电阻

式中：Rt为温度t时阻值；Rt0为t0（通过为t0=0 ℃）时对应电阻值；α为温度系数；A、B取决于半导体材料结构常数。

1.2 测试数据

本次研究地温数据来源于天津地铁4号线、7号线、11号线和B1线的岩土工程勘察资料，时间集中在3月−12月，共38组。地温测试的最大深度为25 m，测试点主要分布在天津市中心城区、环城四区和滨海新区。地温测试数据见表1。

表1 地温测试数据统计表

2 地温测试成果分析

2.1 环境气温分布规律

天津属暖温带大陆与海洋过渡型半湿润季风气候，春季多风、夏季炎热、秋季气爽、冬季寒冷。近10年，天津地区的环境温度平均在14.0～15.3 ℃，1月为全年最低，平均气温在−3.6～0.9 ℃，7月为全年最高，平均气温在27.7～29.1 ℃。2011年−2019年天津市环境气温月平均值如图1所示。

图1 2011年−2019年月平均温度变化规律

2.2 不同季节地温变化规律

通过对地温的测试时间段进行划分，分别对不同季节的地温变化规律进行分析研究。结果表明：①地温变化在地层浅部和深部存在明显差异。一般来说，浅部地温变化较为剧烈，随深度增加，地温变幅呈递减趋势；深部地温相对稳定，随深度增加，地温变幅较小或趋近于零。②根据地温变化特征，当地温测试中上下相邻测点的温度开始不发生变化时，定性认为地温达到“稳定”，该深度视为“稳定深度”，此时温度近似视为“稳定温度”。总体来看，地温达到稳定时的深度及温度均与环境气温相关。其中，稳定深度在春夏两季较浅、秋冬两季较深；稳定温度则在夏季最高、春秋两季次之、冬季最低。不同季节地温变化情况见图2。

由图2可知，天津地区春季地温达到稳定时的深度在8 m附近，稳定温度在16.1 ℃左右；夏季时的稳定深度在6 m附近，稳定温度在17.4 ℃左右；秋季时的稳定深度在9 m附近，稳定温度在16.1 ℃左右；冬季时的稳定深度在10 m附近，稳定温度在13.2 ℃左右。

图2 不同季节地温变化情况

2.2.1 地温与环境气温的关系

由于地表土壤与外部大气环境直接接触，地表温度的大小与环境气温基本保持一致，其在时间上的变化也同环境气温保持同步。通过对天津地区各组地温与其对应地表温度进行对比分析可知：天津地区地表至地层埋深10 m范围，地温受环境气温影响明显，随环境气温变化，地温变幅较大；地层埋深10～25 m范围，地温受环境气温影响较小，变幅最大不超过0.4 ℃。以地下埋深1 m处为例，天津地区地温在夏季变幅最大，平均为7.2 ℃，春秋两季次之，平均为1.5 ℃，冬季变幅最小，平均为0.5 ℃。

2.2.2 地温平均值的分布规律

由天津地区不同季节的平均地温与深度变化规律可知，地层埋深10 m范围内，随深度增加，全年地温呈减小趋势，其中，春季地温平均值呈先减后增趋势，夏、秋两季呈减小趋势，冬季呈增大趋势。地层埋深10～25 m时地温随深度变化小幅波动，全年和各季节的地温变幅均较小，一般小于0.2 ℃。图3显示为天津地区不同季节地温平均值与深度的关系。

图3 不同季节地温平均值随深度变化规律

通常埋深10 m以上地层，地表热量通过土内较大的孔隙通道进行快速传导，随深度的增加，地温在春、夏、秋三季呈减小趋势，冬季则呈增大趋势。埋深在10～25 m的地层，孔隙通道减少，热量主要通过土体本身进行传导，传导效能和速率大大降低，随着土层深度的增加，地温保持相对稳定。一般来说，天津地区10～25 m深度段地温在春夏两季变幅一般小于0.2 ℃，秋冬两季则一般小于0.4 ℃。

3 地层中恒温层深度的确定

3.1 恒温层深度的确定

随着地层深度增加，地层温度在一定深度范围内会保持相对恒定，该范围土层即为恒温层，其深度一般采用上部变温层的底面埋深来确定[10−12]。

为使本地区地下恒温层深度的确定方法量化统一，此次依据地温测试中的地温–土层深度关系曲线，利用关系曲线上浅部与深部地层的温度变化率存在较为明显差异的特征，以温度变化率指标来确定恒温层深度，该方法确实可行且符合实际。地温–土层深度关系曲线上的温度变化率可由单位深度（1 m）的温度变幅绝对值表示。

根据表2对38组地温数据达到稳定时相应的温度变化率进行汇总统计，可知：天津地区地温达到稳定时的温度变化率不超过0.2，其中在0.1及其以内的占近60%。因此，天津地区恒温层深度可由地温–土层深度关系曲线上的温度变化率递减至0.2或其以下时对应的最小深度确定。

表2 地温达到稳定时的温度变化率统计表

根据上述方法，各组地温数据确定的恒温层深度可见表3。

表3 恒温层深度统计表

3.2 恒温层温度计算

外部环境气温变化会影响浅部地层温度的分布[13−15]，其影响随土层深度的增加而递减，天津地区一般超过25 m，所以天津恒温层温度可通过与外部环境气温的相关关系进行简化计算。

通过对天津不同月份恒温层温度测量值与大气年平均气温、大气月平均气温进行分析，发现天津地区恒温层温度和大气年平均气温与大气月平均气温的差值变化趋势十分相近。为进一步分析恒温层温度和大气年平均气温与大气月平均气温之间的响应关系，根据上述确定的恒温层，采用其在9个月实测温度的平均值进行拟合运算，既反映出了三者间的真实相关性，又避免了因采用全部地温数据而导致的运算量增加和拟合公式的复杂化，给出了本地区适用于不同时段的恒温层温度简化计算公式。经分析，该公式计算结果与实测值的相关性较好，相关系数可达0.91（见图4）。拟合公式见式（3）。

图4 恒温层温度和环境气温之间相关关系图

式中：Th为恒温层温度，℃；Tn为大气年平均气温，℃；Tm为大气月平均气温，℃。

因此，对于天津无地温实测资料地区，根据年平均气温、各月平均气温，可利用上述公式计算确定该地区的恒温层温度。

4 恒温层深度及温度变化规律

天津地区地势西北高、东南低，海拔高度一般为3～5 m，受地形地貌、气象水文、区域地层等影响，天津不同地区的恒温层深度及温度均存在一定差异。为此，本文对天津中心城区、环城四区及滨海新区的恒温层深度、温度分别进行统计（见表4）。

表4 天津地区恒温层深度及温度统计表

据表4可知，天津地区恒温层深度平均在10 m左右；其中，中心城区恒温层埋深最小，环城四区次之，滨海新区最大，平均深度分别为9.4 m、10.3 m和10.8 m。天津地区恒温层温度一般在16 ℃左右；中心城区和环城四区差别不大，平均温度为16.4 ℃，滨海新区由于地温测试集中在冬季，平均温度仅13.7 ℃，不具该地区恒温层温度代表性。