田士軍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 西安 710043)

哈大高速鐵路路基凍脹自動觀測和深化分析研究

田士軍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 西安 710043)

哈大高速鐵路通車后，路基凍脹變形控制是其一項(xiàng)重要任務(wù)，為查明路基凍脹機(jī)理，探索適用的凍脹處理措施，對路基凍脹進(jìn)行自動觀測和深化分析研究。采用自動觀測系統(tǒng)，對路肩以下5 m范圍內(nèi)路基的地溫、水分、凍脹變形等進(jìn)行觀測，對觀測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和深化研究，研究結(jié)果表明：路基凍脹可分為5個階段，凍深介于100～300 cm，基本上隨著緯度的增大而增大；基床表層凍脹量占總凍脹量的40%～94%；融沉變形穩(wěn)定后，存在4 mm以內(nèi)的殘余變形；路堤與路塹的凍脹發(fā)展過程極為接近，但路堤的凍深一般大于路塹，路堤的凍脹量一般略大于路塹。

哈大高速鐵路；路基凍脹；自動觀測

1 概述

哈爾濱至大連高速鐵路縱貫我國季節(jié)性凍土廣泛分布的東北地區(qū)，線路全長903 km，其中路基長231.245 km。哈大高速鐵路沿線氣候寒冷，極端最低溫度-39.9 ℃，最大積雪厚度30 cm，最大土壤凍結(jié)深度在93～205 cm，土壤每年從10月開始凍結(jié)，次年4～5月全部融化，凍結(jié)時間長達(dá)5～6個月。

哈大高速鐵路為設(shè)計(jì)最高時速350 km的無砟軌道高速鐵路，對路基變形要求極為嚴(yán)格，要求工后沉降不超過15 mm[1]。路基與橋梁或橫向結(jié)構(gòu)物交界處的工后沉降差不應(yīng)大于5 mm，不均勻沉降造成的折角不應(yīng)大于1/1 000[2]。路基工程采取了設(shè)置防凍層、封閉層、隔斷層、防凍脹護(hù)道和加強(qiáng)排水系統(tǒng)等防凍脹措施。

哈大高速鐵路2007年8月開工建設(shè)，2012年2月線下工程基本完工。在建設(shè)之初取得的系列有關(guān)路基凍脹防治方面的研究成果[3-8]，對指導(dǎo)哈大高速鐵路路基防凍脹設(shè)計(jì)及施工起到了積極的作用，但同時也存在一定的局限性。2012年3月，通過對路基段軌面高程進(jìn)行復(fù)測發(fā)現(xiàn)，由于路基局部凍脹引起軌面出現(xiàn)不同程度抬高，最大抬高量超過20 mm，造成部分地段路基軌面不平順[9]。根據(jù)各段凍脹具體情況，分別采取了一系列整治措施進(jìn)行處理[10]。2012年底哈大高速鐵路建成并開通運(yùn)營。

對于投入運(yùn)營后的哈大高速鐵路，如何將凍脹變形控制在無砟軌道允許的標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，是其面臨的一項(xiàng)重要任務(wù)。因此，在現(xiàn)有凍脹研究成果的基礎(chǔ)上[11-12]，根據(jù)哈大高速鐵路路基工程的現(xiàn)狀，對路基凍脹開展了長期自動觀測和深化分析研究工作，分析哈大高速鐵路路基凍脹機(jī)理及填料的凍脹特性，探索研究適用的凍脹處理方案，保證高速鐵路運(yùn)營安全。

2 自動觀測系統(tǒng)

自動觀測系統(tǒng)主要由各種傳感器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和供電控制系統(tǒng)等組成。

2.1 溫度傳感器

采用專門針對凍土溫度變化及分布狀況觀測設(shè)計(jì)的溫度測繩，便于通過鉆孔布設(shè)來觀測路基深度方向的溫度剖面及其隨時間變化的規(guī)律，該設(shè)備測量精度高，長期穩(wěn)定性好，能滿足哈大高速鐵路路基溫度變化觀測的需要。

2.2 水分傳感器

采用測量土壤容積含水率的TDR-3型土壤濕度傳感器。

2.3 凍脹計(jì)

采用YH40110(量程100 mm)型高精度凍脹計(jì)，精度1 mm，使用環(huán)境溫度為-40～+80 ℃。

2.4 數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)

現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、存儲系統(tǒng)采用電阻和電流采集儀，內(nèi)置數(shù)據(jù)存儲芯片可以存儲1 600條數(shù)據(jù)，可實(shí)時自動進(jìn)行溫度補(bǔ)償。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用無線傳輸模塊，以GPRS方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.5 供電控制系統(tǒng)

供電系統(tǒng)由太陽電池板、充電控制器和蓄電池組成，供電系統(tǒng)工作環(huán)境溫度-40～+85 ℃。

2.6 觀測斷面

根據(jù)自動觀測需要，哈大高速鐵路沿線共設(shè)置了42個觀測斷面，分布在全線13個區(qū)間段，涵蓋了哈大高速鐵路沿線所有氣候特征地區(qū)。各觀測斷面在路肩鉆孔，分別在路肩以下0.5 m、1.5 m、2.7 m處布設(shè)溫度、水分傳感器和凍脹計(jì)等觀測設(shè)備，在軌道外合適位置安裝數(shù)據(jù)采集和傳輸設(shè)備。自動觀測系統(tǒng)布設(shè)如圖1所示。

圖1 自動觀測系統(tǒng)布設(shè)示意

3 自動觀測內(nèi)容和方法

采用自動觀測系統(tǒng)，對哈大高速鐵路路肩以下5 m范圍內(nèi)路基的地溫、水分、凍脹變形等進(jìn)行自動實(shí)時觀測，并通過傳輸系統(tǒng)將觀測數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理終端。

根據(jù)觀測及研究需要，按照各個季節(jié)的氣溫情況，凍脹期間每天在氣溫最高(約下午2點(diǎn))和最低時(約清晨5點(diǎn))分別觀測1次，其他時期每2 d在氣溫最低時(約清晨5點(diǎn))觀測1次。

4 自動觀測結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

4.1 凍脹變形統(tǒng)計(jì)分析

在42個路基自動觀測斷面中，凍脹變形≤10 mm的斷面占總數(shù)的38%，10～20 mm的斷面占總數(shù)的43%，20～30 mm的斷面占總數(shù)的12%，>30 mm的斷面占總數(shù)的7%。

4.2 凍深統(tǒng)計(jì)分析

自11月中旬開始，全線路基開始逐漸凍結(jié)變形，凍深隨著時間的推移不斷增大，全線最大凍深在100～300 cm，基本上隨著里程(緯度)的增大而增大，可近似用線性關(guān)系表示，見圖2。

圖2 最大凍深沿里程變化情況

4.3 基床不同部位凍脹變形分析

路基凍脹可以分為級配碎石層凍脹和路基本體凍脹，級配碎石層凍脹量占總凍脹量的40%～94%，大部分?jǐn)嗝婊脖韺拥膬雒洷壤^大。這是由于路基基床表層底部設(shè)置有兩布一膜隔水層，凍融季節(jié)表水在此匯集后不能有效向外排出，基床表層的級配碎石發(fā)生較強(qiáng)烈凍脹，導(dǎo)致路基變形，受不同的地質(zhì)、水文和填料條件影響，其凍脹量比值存在一定波動。

4.4 殘余變形分析

對各斷面的殘余變形進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，全線的殘余變形均小于4 mm，其中：殘余變形≤1 mm的占42%，1～2 mm的占15%，2～3 mm占25%，3～4 mm占18%。這說明高壓密填料發(fā)生凍融后，不能夠完全恢復(fù)原始變形，產(chǎn)生了松脹現(xiàn)象。

5 路基凍脹深化分析研究

5.1 路基凍結(jié)深度隨氣溫條件的發(fā)展過程

根據(jù)氣象部門資料，2012年10月15日到2012年11月15日哈大高速鐵路沿線氣溫在零度上下波動；從2012年11月17日起氣溫持續(xù)下降，并于2012年12月下旬達(dá)到最低，直到2013年1月27日，氣溫一直保持低值，此期間最低氣溫記錄值為-35 ℃；而在2013年1月底，氣溫突然升高，日最高氣溫達(dá)到0 ℃以上，之后氣溫又迅速回落。從2013年2月8日至2013年5月31日，氣溫表現(xiàn)為有波動地持續(xù)升高。氣溫變化情況以四平市為例，詳見圖3。

圖3 四平市最高、最低氣溫變化情況

以K1084+358左側(cè)路肩處觀測點(diǎn)為例，分析實(shí)測凍結(jié)深度隨時間變化的規(guī)律。在2012年11月17日之前，由于氣溫在零度上下波動，出現(xiàn)了反復(fù)的凍結(jié)-融解現(xiàn)象，見圖4。從2012年11月17日至2013年1月27日，由于氣溫持續(xù)較低，路基凍結(jié)深度發(fā)展較快，凍結(jié)深度在2012年12月16日(此時凍深為1.1m)前基本上是以每天3.4 cm的速率隨時間線性增大，從2012年12月17日到2013年1月底，以每天2.20 cm的速率隨時間線性增大。2月1日以后，凍深以每天0.8 cm的速率繼續(xù)增大，直到2013年3月13日達(dá)到最大值241 cm。此時日最高氣溫已經(jīng)達(dá)到零度以上，然后隨著氣溫的升高，凍深開始逐漸減小，同時，表層開始向下融解，在3月份到4月4日，由于氣溫的反復(fù)，表層出現(xiàn)了反復(fù)凍結(jié)-融解的現(xiàn)象，而在4月4日后，由于氣溫的進(jìn)一步上升，表層融解以每天4.9 cm的速率快速發(fā)展，表層穩(wěn)定融解速率為淺層凍深發(fā)展速率的1.5倍。到5月8日，凍層消失。

圖4 K1084+358左側(cè)路肩觀測點(diǎn)凍深、融深、氣溫隨時間變化情況

根據(jù)各觀測斷面的最大凍深值及達(dá)到日期，總體上來看，緯度越大，達(dá)到最大凍深的時間越晚，且最大凍深越大，融透的時間也越晚。路堤觀測點(diǎn)的最大凍深基本上都大于相近的路塹觀測點(diǎn)的最大凍深。最大凍深值隨里程的變化情況見圖5。

圖5 最大凍深值隨里程的變化情況

總之，凍深發(fā)展速率主要受外界氣溫控制，當(dāng)氣溫在零度上下波動時，凍深會隨之表現(xiàn)為反復(fù)出現(xiàn)-消失的過程。當(dāng)氣溫保持在零度以下，穩(wěn)定下降和之后的保持低溫的時段內(nèi)，凍深持續(xù)增長，基本可以分為兩個線性發(fā)展階段，當(dāng)凍深小于1 m時，凍深增長較快，而當(dāng)凍深超過1 m后，其發(fā)展速率變慢。隨后，當(dāng)溫度開始明顯的上升后，凍深以漸減的速率緩慢發(fā)展，并基本在氣溫達(dá)到零度以上時達(dá)到最大凍深，之后開始緩慢減小。與此同時，表層開始融解，在融解初期，由于氣溫的反復(fù)，會出現(xiàn)融解-凍結(jié)反復(fù)的現(xiàn)象，隨著氣溫的進(jìn)一步升高，表現(xiàn)為從上向下穩(wěn)定融解，此時的融解速率明顯大于凍結(jié)初期的凍深發(fā)展速率，直到融解線與凍深線重合，路基凍結(jié)層消失。

5.2 凍脹變形發(fā)展變化過程

對比各觀測點(diǎn)的凍深和凍脹量隨時間發(fā)展規(guī)律，雖然各斷面的凍脹量值差別較大，但其隨時間發(fā)展的規(guī)律卻是基本一致的。以K902+452觀測點(diǎn)為例，其凍脹計(jì)觀測到的凍脹量隨時間變化的規(guī)律如圖6所示。

圖6 K902+452觀測點(diǎn)凍深、凍脹量隨時間變化規(guī)律

所有觀測點(diǎn)的凍脹變形隨時間發(fā)展的規(guī)律有一個共同的特點(diǎn)，即：在開始凍結(jié)的1周內(nèi)凍脹發(fā)展非常迅速，之后凍脹量發(fā)展速率顯著減小，或凍脹量保持恒定、不再繼續(xù)增大。而當(dāng)凍深超過一定界限，也就是地下水能補(bǔ)給到凍結(jié)峰面后，凍脹量將重新開始發(fā)展。在春季，氣溫升高時一般不是穩(wěn)定的上升，而是經(jīng)常劇烈反復(fù)，由于路基淺層在外界氣溫的影響下反復(fù)凍融，而淺層的凍脹量又對總凍脹量的貢獻(xiàn)較大，所以凍脹量表現(xiàn)為劇烈而不規(guī)則的變化，在此期間發(fā)生劇烈凍結(jié)時，特別是有外界水分供給的條件下，將會發(fā)生新的凍脹量增大。當(dāng)路基完全解凍后，部分路基經(jīng)過凍結(jié)作用的影響，將會殘留一定的變形量，這反映了凍結(jié)作用對路基填料密實(shí)度的影響。

5.3 融沉變形發(fā)展變化過程

在凍深達(dá)到最大值時，日最高氣溫也對應(yīng)地達(dá)到零度以上，然后隨著氣溫的升高，凍深開始逐漸減小，同時，表層開始向下融解，觀測到的變形開始減小。此時由于氣溫的反復(fù)，表層會出現(xiàn)反復(fù)凍結(jié)-融解的現(xiàn)象，這一時期的變形有3個顯著特點(diǎn)：一是對應(yīng)于劇烈的反復(fù)融解-凍結(jié)現(xiàn)象，會出現(xiàn)凍脹變形短期劇烈發(fā)展的現(xiàn)象；二是部分?jǐn)嗝鏁霈F(xiàn)明顯大于凍結(jié)期凍脹量的瞬時凍脹量；三是在融解期劇烈變形時期，不同測量范圍3個凍脹計(jì)的變化趨勢和幅度近似相同，說明融解期由于反復(fù)凍融而發(fā)生的凍脹量劇烈變化和增加主要是發(fā)生在路基表層。

5.4 基床不同部位凍脹變形分析

根據(jù)各觀測點(diǎn)0.5 m、1.5 m和2.7 m三個凍脹計(jì)的觀測結(jié)果，可以計(jì)算得到路基填料各層在路基總凍脹量中所占的比例。0.4 m基床表層級配碎石層中發(fā)生的凍脹量一般超過該點(diǎn)總凍脹量的50%，其中8個觀測點(diǎn)0.4 m厚基床表層級配碎石層中發(fā)生的凍脹量甚至超過了相應(yīng)點(diǎn)總凍脹量的80%。把沿線15個觀測斷面各層填料對總凍脹量的貢獻(xiàn)的百分?jǐn)?shù)取平均，則0.4 m基床表層級配碎石層中發(fā)生的凍脹量占總凍脹量的73.5%，1.0 m厚防凍層中的凍脹量占19.2%，而其下1.3 m范圍各土層只占7.3%。

6 結(jié)語

利用自動觀測系統(tǒng)，對哈大高速鐵路2012～2013年冬季路基凍脹進(jìn)行實(shí)時觀測，對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和深化研究，分析總結(jié)了哈大高速鐵路路基凍脹特點(diǎn)和發(fā)展變化規(guī)律，為哈大高速鐵路的維護(hù)整治提供理論和技術(shù)支持，主要研究成果及結(jié)論如下。

(1)路基凍脹可分為初始波動、快速發(fā)展、低速穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展、波動融沉、融沉穩(wěn)定5個發(fā)展變化階段。

(2)路基凍脹可分為基床表層凍脹和路基本體凍脹，基床表層凍脹量占總凍脹量的40%～94%。

(3)全線凍深介于100～300 cm，基本上隨著緯度的增大而增大。

(4)融沉變形穩(wěn)定后，存在4 mm以內(nèi)的部分殘余變形。

(5)路堤與路塹的凍脹發(fā)展過程極為接近，但路堤的凍深一般大于路塹，路堤的凍脹量一般略大于路塹。

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Automatic Observation and Intensive Analysis of Frost Heaving of Harbin-Dalian High-speed Railway Subgrade

Tian Shijun

(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd， Xi’an 710043， China)

After Harbin-Dalian high-speed railway was opened to traffic， the control of subgrade frost-heaving deformation becomes one of the important tasks. Automatic observation and intensive analysis on frost heaving of the subgrade are conducted to ascertain the frost-heaving mechanism and explore applicable treatment measures. Automatic observation system is adopted to observe the temperature， moisture and frost-heaving deformation of subgrade within 5 meters under the shoulder. This article statistically analyzes and studies in detail the observation data. The results show that: subgrade frost heaving can be divided into five stages; frost-heaving deformation increases along with the rising of latitude at the freezing depth between 100～300 cm; frost heaving of surface layer accounts for 40% to 94% of the total amount; the residual deformation is less than 4mm after thawing settlement deformation becomes stable; development processes of frost-heaving in embankment and cutting are very similar， but the deformation and frozen depth in embankment is generally greater than that in cutting．

Harbin-Dalian high-speed railway; Frost heaving of subgrade; Automatic observation

2014-02-18；

：2014-03-01

田士軍(1976—)，男，高級工程師，2001年畢業(yè)于蘭州鐵道學(xué)院鐵道工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：23776692@qq.com。

1004-2954(2014)11-0007-04

U238； U213.1+4

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.002