趙曉萌

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300251)

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新建牡綏鐵路路基凍脹監(jiān)測(cè)與研究

趙曉萌

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300251)

Frost Heaving Monitoring and Research for the New Musui Railway Embankment

ZHAO Xiaomeng

摘要季節(jié)性?xún)鐾恋貐^(qū)鐵路普遍存在路基凍脹問(wèn)題，路基凍脹影響鐵路的運(yùn)營(yíng)安全。采用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的凍脹監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及水準(zhǔn)測(cè)量方法對(duì)牡綏鐵路路基進(jìn)行凍脹監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究牡綏鐵路路基凍脹規(guī)律。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：2014～2015年度牡綏鐵路路基凍脹變形普遍較小，處于可控狀態(tài)。

關(guān)鍵詞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)凍脹變形氣溫含水量地下水位

高速運(yùn)行的列車(chē)對(duì)于線路的平順性具有很高的要求[1-2]，路基的穩(wěn)定和變形控制是保證高速鐵路安全運(yùn)營(yíng)的重要環(huán)節(jié)[3]。隨著我國(guó)高速鐵路網(wǎng)的建設(shè)，多條高速鐵路覆蓋我國(guó)東北地區(qū)，在嚴(yán)寒地區(qū)路基凍脹問(wèn)題是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題[4]。雖然路基的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均采取了防凍脹措施，但是無(wú)法完全消除凍脹影響，所以路基凍脹問(wèn)題無(wú)法避免[5-6]。濱綏鐵路牡綏擴(kuò)能改造工程正線采用有砟軌道，與高鐵軌道形式有所不同，但依然受到凍脹變形的影響。引起路基凍脹需滿(mǎn)足三種條件：(1)具有凍融敏感性的土(細(xì)顆粒含量)；(2)路基含水量；(3)凍結(jié)溫度。預(yù)防和控制三種因素是防治路基凍害的主要措施。

構(gòu)建一套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)牡綏鐵路進(jìn)行路基凍脹監(jiān)測(cè)，研究寒冷地區(qū)路基凍脹規(guī)律，為鐵路凍脹病害防治提供依據(jù)。

1工程概況

新建牡綏鐵路采用有砟軌道，線路全長(zhǎng)約138 km，路基段長(zhǎng)53.2 km，其中路堤長(zhǎng)度30.61 km，占正線路基長(zhǎng)度的57.5%；路塹長(zhǎng)22.6 km，占正線路基長(zhǎng)度的42.5%；地下水路塹長(zhǎng)9.27 km，占正線路基長(zhǎng)度的17.4%。線路通過(guò)地區(qū)主要為低山丘陵及中低山區(qū)兩個(gè)地貌單元，牡丹江至愛(ài)河為低山丘陵區(qū)，愛(ài)河至綏芬河多為中低山區(qū)。

按對(duì)鐵路工程影響的氣候分區(qū)，沿線屬?lài)?yán)寒地區(qū)。牡丹江地區(qū)最大凍深1.91 m，綏芬河地區(qū)最大凍深2.42 m。

2監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

2.1監(jiān)測(cè)目的和內(nèi)容

為了掌握牡綏線全線路基面凍脹變形情況，不同凍深、不同地質(zhì)條件及工程措施下凍脹變形規(guī)律，分析地下水、環(huán)境溫度、含水量及地溫變化對(duì)凍脹變形的影響，在全線不同段落布設(shè)全方位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要監(jiān)測(cè)路基面凍脹變形、路基體分層凍脹變形、氣象資料、地溫、含水量及地下水水位六方面內(nèi)容。

2.2監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

(1)數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集分人工采集和自動(dòng)采集兩種方式。人工采集是利用精密水準(zhǔn)儀聯(lián)測(cè)線下深埋水準(zhǔn)點(diǎn)和線路水準(zhǔn)基點(diǎn)，建立線上監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)，對(duì)監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行變形觀測(cè)。人工監(jiān)測(cè)主要用于路基面凍脹變形。自動(dòng)監(jiān)測(cè)是在監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)上埋設(shè)地溫元件、水分計(jì)、水位計(jì)和凍脹計(jì)，分別對(duì)地溫、含水量、地下水位和凍脹變形進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)采集。采樣周期為每天小于等于12次，采樣間隔和采樣時(shí)刻可以根據(jù)需求隨時(shí)調(diào)整。測(cè)試儀器能按照規(guī)定的時(shí)間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候傳輸出去。現(xiàn)場(chǎng)采集終端采用“太陽(yáng)能電池板+圈繞密封閥控低溫蓄電池”供電，電池能量?jī)?chǔ)備能夠保證低氣溫低光照條件下系統(tǒng)正常工作2個(gè)月。為防止數(shù)據(jù)丟失，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站應(yīng)能存儲(chǔ)一年以上的采集數(shù)據(jù)且現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站能夠利用筆記本電腦下載采集數(shù)據(jù)。

人工采集采用人工幾何水準(zhǔn)測(cè)量方式，對(duì)全線正線路基面凍脹變形進(jìn)行觀測(cè)。全線正線路基53 km，每50 m一個(gè)斷面，布設(shè)約1 125個(gè)觀測(cè)斷面。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合地質(zhì)條件、凍結(jié)深度及工點(diǎn)類(lèi)型，共選擇20個(gè)斷面進(jìn)行凍脹變形及地溫的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。自動(dòng)監(jiān)測(cè)斷面現(xiàn)場(chǎng)采集終端如圖1所示。

圖2　路基凍脹監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程

圖1　自動(dòng)監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)

(2)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集箱和數(shù)據(jù)接收終端的數(shù)據(jù)通信，主要采用移動(dòng)無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)GSM和GPRS等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將現(xiàn)場(chǎng)的采集數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心站，并具有自動(dòng)傳送、系統(tǒng)預(yù)約、系統(tǒng)狀態(tài)信息發(fā)送的功能。在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)，其它時(shí)間處于休眠狀態(tài)。由于大部分時(shí)間系統(tǒng)處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)采集終端只有在固定的幾個(gè)時(shí)段才可以與監(jiān)測(cè)中心站取得聯(lián)系。每隔一定時(shí)間將現(xiàn)場(chǎng)采集終端的狀態(tài)信息發(fā)送到監(jiān)測(cè)中心站，狀態(tài)信息應(yīng)包括：采集模塊工作是否正常、傳輸模塊是否工作正常、電源模塊電量消耗情況等。

(3)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)監(jiān)測(cè)站的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、分析，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站的采集方式進(jìn)行控制。多個(gè)監(jiān)測(cè)站長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量大，受各種外界因素影響，大量采集數(shù)據(jù)中可能存在異常數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析之前要剔除異常值，并且要分析產(chǎn)生異常值的原因。對(duì)剔除異常值之后的合理數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合工點(diǎn)類(lèi)型和地質(zhì)條件，分析凍脹變形的原因，利用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)、理論分析及數(shù)值模擬等方法，研究?jī)雒涀冃魏偷販?、含水量、地下水位、填料?xì)粒土含量、顆粒級(jí)配和壓實(shí)度的關(guān)系及變化規(guī)律。

整個(gè)路基凍脹監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的全天候數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)、檢索、分析處理系統(tǒng)，系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

3凍脹監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

2014年～2015年度對(duì)牡綏鐵路路基1 125個(gè)斷面、2406個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了凍脹監(jiān)測(cè)。如圖3所示，全線凍脹變形小于等于4 mm測(cè)點(diǎn)占總數(shù)83.50%， 4～6 mm測(cè)點(diǎn)約占總數(shù)10.39%，6～8 mm測(cè)點(diǎn)約占總數(shù)4.95%，大于8 mm測(cè)點(diǎn)占全部測(cè)點(diǎn)數(shù)1.16%，總體凍脹變形較小。按工點(diǎn)類(lèi)型統(tǒng)計(jì)，各工點(diǎn)類(lèi)型凍脹變形小于等于4 mm在81.65%～85%范圍內(nèi)，大致相當(dāng)。另外，大于8 mm測(cè)點(diǎn)共28個(gè)，如圖4所示，其中13個(gè)約46.4%發(fā)生在路堤地段，路塹及路涵過(guò)渡段分別各5個(gè)，各占17.9%，路橋過(guò)渡段3個(gè)，占10.7%，涵洞頂2個(gè)，占7.1%。

圖3　路基凍脹量統(tǒng)計(jì)

圖4　大于8 mm凍脹量的工點(diǎn)分布

圖6　地下水位和含水量變化關(guān)系

將牡綏鐵路沿線路方向每10 km劃分成一個(gè)區(qū)段，統(tǒng)計(jì)區(qū)段內(nèi)各路基段凍脹量平均值及最大值，繪制沿線路方向按區(qū)段路基凍脹變形分布(如圖5所示)。

圖5　牡綏鐵路沿線縱向區(qū)段路基凍脹量分布

牡綏鐵路沿線凍脹變形平均值在2.37～4.09 mm范圍內(nèi)，即沿線平均凍脹量較小。全線人工觀測(cè)最大凍脹值為9.28 mm，發(fā)生在DK508+765，為一般路堤工點(diǎn)；最大自動(dòng)監(jiān)測(cè)凍脹變形為10.96 mm，發(fā)生在DK416+800，為浸水路堤工點(diǎn)，路基本體易積水。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及填料核查，該工點(diǎn)基床表層和底層細(xì)顆粒含量分別為3.9%、3.5%～4.2%，細(xì)顆粒含量均滿(mǎn)足要求。因此，基床排水效果不理想是造成該工點(diǎn)凍脹量偏大的主要原因。

4牡綏鐵路路基凍脹規(guī)律

4.1地下水位和含水量的關(guān)系

地下水位影響路基中土的含水率，進(jìn)而影響凍脹量的大小。如圖6所示，牡綏鐵路路基地下水位與含水量主要表現(xiàn)出以下特征：

①凍期前地下水位大于8 m時(shí)，地下水水位變化對(duì)路基本體含水量基本無(wú)影響，如圖6(a)。

②凍結(jié)前地下水位接近4 m左右時(shí)就會(huì)對(duì)路基中土的含水量有影響，如圖6(b)，地下水位僅影響基床底層含水量，對(duì)基床表層含水量基本無(wú)影響。進(jìn)入凍期后，地下水水位降低，基床底層含水量減小，地下水對(duì)基床底層幾乎無(wú)補(bǔ)給。當(dāng)?shù)叵滤恍∮? m時(shí)對(duì)基床地層含水量影響更大，會(huì)使基床底層含水量在整個(gè)凍結(jié)期內(nèi)接近飽和。

4.2凍脹變形和含水量的關(guān)系

如圖7所示，牡綏鐵路路基凍脹監(jiān)測(cè)中凍脹變形和含水量表現(xiàn)出如下特征：進(jìn)入凍期之后，含水量會(huì)有明顯的降低階段，對(duì)應(yīng)凍脹變形的快速增長(zhǎng)階段，之后含水量相對(duì)平穩(wěn)，凍脹變形量增長(zhǎng)趨勢(shì)不明顯，進(jìn)入融期之后，含水量有增大趨勢(shì)，凍脹變形相應(yīng)回落。

圖7　凍脹變形和含水量變化關(guān)系

4.3凍結(jié)深度和氣溫的關(guān)系

為反映氣溫和凍結(jié)深度的關(guān)系，引入凍期日平均氣溫絕對(duì)值代替氣溫變量，研究氣溫和凍結(jié)深度的關(guān)系。牡綏鐵路路基凍脹監(jiān)測(cè)中典型的凍結(jié)深度和氣溫關(guān)系如圖8所示。

圖8　凍結(jié)深度和氣溫的關(guān)系

凍期日平均氣溫和凍結(jié)深度隨時(shí)間變化過(guò)程中，均經(jīng)歷了逐漸提升、達(dá)最大值后又逐漸降低的過(guò)程。日平均氣溫絕對(duì)值提升，即氣溫降低過(guò)程時(shí)間短，日平均氣溫絕對(duì)值降低，即氣溫回升時(shí)間長(zhǎng)。凍結(jié)深度變化相反，凍結(jié)深度提升時(shí)間長(zhǎng)，回落時(shí)間短。凍期日平均氣溫絕對(duì)值和凍結(jié)深度出現(xiàn)最大值時(shí)間不同，后者較前者滯后2個(gè)月左右，同時(shí)，凍期日平均氣溫絕對(duì)值出現(xiàn)峰值時(shí)，凍結(jié)深度只發(fā)展到1/3～1/2，凍期日平均氣溫為0 ℃時(shí)進(jìn)入融期，凍結(jié)深度會(huì)回升1/5～1/4。

4.4凍脹變形和凍結(jié)深度的關(guān)系

如圖9所示，牡綏線凍結(jié)深度與凍脹變形規(guī)律主要表現(xiàn)為三種形式。

圖9　凍脹變形和凍結(jié)深度關(guān)系

①隨凍結(jié)深度增大，凍脹變形持續(xù)增加，凍深加深時(shí)，凍脹變形滯后一周左右開(kāi)始回落，如圖9(a)。

②隨凍結(jié)深度增大，凍脹變形持續(xù)，初始階段逐步增大，當(dāng)凍深超過(guò)一定深度后，凍脹變形不再增加或增加緩慢，凍深提升時(shí)，凍脹變形滯后一周左右開(kāi)始回落，如圖9(b)。

③隨凍結(jié)深度增大，凍脹變形持續(xù)，初始階段逐步增大，當(dāng)凍深超過(guò)一定深度后，凍脹變形不再增加，凍結(jié)深度繼續(xù)向下發(fā)展，凍脹變形逐步回落，凍深提升時(shí)，凍脹變形趨于平穩(wěn)，如圖9(c)。

5結(jié)論

通過(guò)對(duì)牡綏鐵路路基凍脹監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論：

(1)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的路基凍脹監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以全天候、實(shí)時(shí)自動(dòng)采集凍脹變形量及其影響因素的數(shù)據(jù)值，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理和分析處理。該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確高效地對(duì)鐵路路基進(jìn)行凍脹監(jiān)測(cè)。

(2)全線不同路基工點(diǎn)均有凍脹變形，但是普遍凍脹量較小，處于可控狀態(tài)，驗(yàn)證了所采取的防凍脹措施是有效的。

(3)嚴(yán)寒地區(qū)的鐵路路基凍脹問(wèn)題不可避免，但是路基凍脹存在可循的凍脹規(guī)律，通過(guò)對(duì)其凍脹規(guī)律的研究可以有針對(duì)性的采取控制措施。

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中圖分類(lèi)號(hào)：TU196+.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7479(2016)01-0041-04

作者簡(jiǎn)介：趙曉萌，2013年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(北京)，碩士，助理工程師。

收稿日期：2015-12-29