地下空间资源的物理场特点及其合理利用，本文主要内容关键词为：合理利用论文,地下论文,物理论文,资源论文,空间论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
文章编号：1003—7853（2000）01—0049—02
中图分类号：P313.5；P314.2 文献标识码：A
地下空间是一极为重要的而往往容易被忽视的资源，早在80年代，国际隧道协会（ITA）就提出了“大力开发地下空间， 开始人类新的穴居时代”的口号；日本提出了向地下发展，将国土扩大10倍的设想；美国1974～1984用于地下公共设施的投资额为7500亿美元，占基本建设总投资的30%；1997—10在加拿大魁北克召开第七届地下空间利用国际会议，其主要议题是——地下空间：明天的室内城市。地下空间利用是一个前途广阔的崭新领域，但在国内由于受到认识水平和经济实力的限制，对地下空间利用的理论研究还属于起步阶段，对地下空间利用的价值和意义还远未引起人们的足够重视。当今世界人口不断增加，耕地缩小，环境污染，生态失调，急需开发地下空间这一新资源。地下空间的特性在很大程度上决定着保证地下空间正常工作所需的工程措施和技术手段，这其中有两个物理场可能是主要的，即热力场和应力场。本文分析了热力场和应力场的基本特征，并研究了它们对地下空间合理利用的意义。
1 地下空间的热力场分析与利用
1.1 热力场的分布状态
地温观测资料测得深度可达5000～7000m， 但绝大多数地温观测深度不超过3000m，地壳中地热的分布状态大致可分为3个带；可变温度带、常温带和增温带。
（1）可变温度带 是受太阳辐射能影响的地壳上层， 其热能来源于太阳的辐射和地球内部。地球由太阳得到的热量大约为5.4×10[ 24]J／a，这些热量大都被大气层及地球表面所吸收， 而对地球内部自身温度影响则很小。这一带的温度变化因各地太阳辐射情况不同而产生差异， 变化幅度按一定的规律随深度而递减， 可变温度的厚度大多数为15～20m。
（2）常温带 是地球内部的某一深度温度变化幅度为零的地带。 根据变化周期的不同，可以分为昼夜常温带和年常温带。地球内部的热能与上层可变温度带的影响，在常温带相对平衡，地温接近恒定；昼夜常温带和年常温带分别在地表下1～2m和20～30m，它与地球表面温度的年变化幅度、土壤及岩石的地理性质以及水文地质条件等因素有关。年常温带的温度各地不一，它相当于当地地表的年平均温度，这个数字略高于当地年平均气温。
（3）增温带 常温带以下这一带即为增温带， 它主要受地球内热所控制。
1.2 热力场中的温度梯度特征
地下空间的热力场一般用温度梯度来表示地温增加的规律，它是指每一个单位深度内温度增加的数值，一般以℃／100m或℃／1km表示。 地壳深处的温度因地而异，甚至在相邻很近几个钻孔中，也常常会测出不同的温度，因而地热的温度梯度也就不同，即使在同一钻孔中，不同深度段的地热梯度也不同，一个地区的地热梯度通常是根据该区的观测点的平均地热梯度得来的。各地区的地热梯度大致介于0.6 ～10 ℃／100m之间，沉积岩层测温资料的平均结果是3.0～3.2℃／100m。地热梯度的倒数称为地热陡度（地热增温级），用m／℃表示， 各地的大致变化范围是12～180m／℃，对整个地壳而言，平均值为30～33m／℃。
1.3 热力场的主要影响因素
地下空间的热力场与地质构造的型式和岩石性质有密切关系。①岩石性质的影响，由于各种岩石传热性能不同，在热流密度和其他条件相同的情况下，地热梯度与岩石导热率成反比，即导热良好的岩石（层）地热梯度小，其岩性不同所导致的地温变化可达1～2倍，甚至10倍。②地质构造的影响。在背斜构造的顶部，温度及地热梯度都较两翼为高，即使是在同一深度，由于构造部位不同，顶部的温度比翼部的温度可高1～3℃，背斜构造顶部的热流密度也显著地增加，而在向斜区域热流密度，地热梯度较小，等地温面的间距加大。这是因为沿岩石层面的导热性，大于垂直于层面方向的导热性，因此，背斜构造顶部的热流密度大于两翼的及向斜凹陷地方的热流密度，这种现象也与岩石变质作用及沿裂隙深处的热水、热汽的上升有关。
1.4 热力场的合理利用
地下空间热力场的上述特征表明，在开发利用地下空间时，必须对其热力场进行详细研究，注意做好以下工作：第一，应根据地下空间热力场的3种分布状态和地下空间的用途，选择合理的地下空间层次； 第二，一般岩石的温度梯度为2～4℃／100m，可以选出符合于生产和储存工艺要求的地下空间分布深度；第三，地下空间热力场受岩石和地质构造的影响较大，将地下空间作为某项用途时，尤其是将其作为地下冷库时，必须对岩石的性质和地质构造进行详细调查，做好工程地质评价，以保证地下空间的合理有效利用。
2 地下空间的应力场分析与利用
地下空间的稳定性大多由应力场决定，研究地下空间的应力场，主要是指开挖前存在于岩体中的天然应力，开挖后围岩内的重分布应力。
2.1 岩体的天然应力
地下空间开发利用前，岩土体一般处于天然应力平衡状态，一般认为它由自重应力和构造应力两部分组成。构造应力具有较高的水平压应力，且在一般情况下大于铅直应力，同时具有明显的方向性，它在岩体天然应力形成中起着主导作用。
2.2 围岩内的重分布应力
由于洞室开挖，使洞室周围的岩体失去了原有的支撑，破坏了天然应力的平衡状态，围岩将产生向洞内松胀位移，其位移的结果，又改变了邻近岩体的相对平衡关系，从而引起围岩在一定范围内应力—应变及能量的调整，以达到新的平衡，形成新的应力状态。此为围岩应力重分布，一般规律是：顶底板围岩容易出现拉应力，周边转角处存在很大的剪应力；洞室的高宽比对围岩应力分布的影响极大，设计洞室断面时，应考虑铅直应力与水平应力的比值。〔3〕
2.3 地下空间应力场的合理利用
在一般情况下，地下空间的力学影响常比较小，如果产生的应力不超过岩石的强度，不用支撑也可保证建筑物的稳固。设计时一般使洞室轴向应力与最大水平主应力σ[,1]垂直，以改善洞室周边的应力状态，但当σ[,1]很大时，则洞室轴向最好与之平行，以保证墙的稳定。
（1998—07—23收稿）