新建牡綏鐵路路基凍脹監測與研究

趙曉萌

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津　300251)

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新建牡綏鐵路路基凍脹監測與研究

趙曉萌

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300251)

Frost Heaving Monitoring and Research for the New Musui Railway Embankment

ZHAO Xiaomeng

摘要季節性凍土地區鐵路普遍存在路基凍脹問題，路基凍脹影響鐵路的運營安全。采用基于物聯網技術的凍脹監測系統及水準測量方法對牡綏鐵路路基進行凍脹監測，并對監測成果進行統計分析，研究牡綏鐵路路基凍脹規律。監測結果表明：2014～2015年度牡綏鐵路路基凍脹變形普遍較小，處于可控狀態。

關鍵詞監測系統凍脹變形氣溫含水量地下水位

高速運行的列車對于線路的平順性具有很高的要求[1-2]，路基的穩定和變形控制是保證高速鐵路安全運營的重要環節[3]。隨著我國高速鐵路網的建設，多條高速鐵路覆蓋我國東北地區，在嚴寒地區路基凍脹問題是需要解決的關鍵問題[4]。雖然路基的結構設計均采取了防凍脹措施，但是無法完全消除凍脹影響，所以路基凍脹問題無法避免[5-6]。濱綏鐵路牡綏擴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。引起路基凍脹需滿足三種條件：(1)具有凍融敏感性的土(細顆粒含量)；(2)路基含水量；(3)凍結溫度。預防和控制三種因素是防治路基凍害的主要措施。

構建一套監測系統對牡綏鐵路進行路基凍脹監測，研究寒冷地區路基凍脹規律，為鐵路凍脹病害防治提供依據。

1工程概況

新建牡綏鐵路采用有砟軌道，線路全長約138 km，路基段長53.2 km，其中路堤長度30.61 km，占正線路基長度的57.5%；路塹長22.6 km，占正線路基長度的42.5%；地下水路塹長9.27 km，占正線路基長度的17.4%。線路通過地區主要為低山丘陵及中低山區兩個地貌單元，牡丹江至愛河為低山丘陵區，愛河至綏芬河多為中低山區。

按對鐵路工程影響的氣候分區，沿線屬嚴寒地區。牡丹江地區最大凍深1.91 m，綏芬河地區最大凍深2.42 m。

2監測系統構建

2.1監測目的和內容

為了掌握牡綏線全線路基面凍脹變形情況，不同凍深、不同地質條件及工程措施下凍脹變形規律，分析地下水、環境溫度、含水量及地溫變化對凍脹變形的影響，在全線不同段落布設全方位監測系統，主要監測路基面凍脹變形、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容。

2.2監測系統的組成

(1)數據采集

數據采集分人工采集和自動采集兩種方式。人工采集是利用精密水準儀聯測線下深埋水準點和線路水準基點，建立線上監測基準網，對監測斷面的監測點進行變形觀測。人工監測主要用于路基面凍脹變形。自動監測是在監測斷面的監測點上埋設地溫元件、水分計、水位計和凍脹計，分別對地溫、含水量、地下水位和凍脹變形進行自動數據采集。采樣周期為每天小于等于12次，采樣間隔和采樣時刻可以根據需求隨時調整。測試儀器能按照規定的時間實現自動采集和數據存儲功能，并在適當的時候傳輸出去。現場采集終端采用“太陽能電池板+圈繞密封閥控低溫蓄電池”供電，電池能量儲備能夠保證低氣溫低光照條件下系統正常工作2個月。為防止數據丟失，現場監測站應能存儲一年以上的采集數據且現場監測站能夠利用筆記本電腦下載采集數據。

人工采集采用人工幾何水準測量方式，對全線正線路基面凍脹變形進行觀測。全線正線路基53 km，每50 m一個斷面，布設約1 125個觀測斷面。在此基礎上，結合地質條件、凍結深度及工點類型，共選擇20個斷面進行凍脹變形及地溫的自動監測。自動監測斷面現場采集終端如圖1所示。

圖2　路基凍脹監測系統工作流程

圖1　自動監測斷面布設

(2)數據傳輸系統

數據傳輸系統主要負責數據采集箱和數據接收終端的數據通信，主要采用移動無線通訊網絡GSM和GPRS等方式進行數據通信，將現場的采集數據自動傳輸到監測中心站，并具有自動傳送、系統預約、系統狀態信息發送的功能。在規定的時間內自動采集數據和發送數據，其它時間處于休眠狀態。由于大部分時間系統處于關機狀態，現場采集終端只有在固定的幾個時段才可以與監測中心站取得聯系。每隔一定時間將現場采集終端的狀態信息發送到監測中心站，狀態信息應包括：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)數據分析系統

數據分析系統負責對監測站的采集數據進行匯總、存儲、統計、分析，并可實現對現場監測站的采集方式進行控制。多個監測站長期的監測數據量大，受各種外界因素影響，大量采集數據中可能存在異常數據，數據分析之前要剔除異常值，并且要分析產生異常值的原因。對剔除異常值之后的合理數據進行數理統計分析，結合工點類型和地質條件，分析凍脹變形的原因，利用數學統計、理論分析及數值模擬等方法，研究凍脹變形和地溫、含水量、地下水位、填料細粒土含量、顆粒級配和壓實度的關系及變化規律。

整個路基凍脹監測系統是基于物聯網技術的全天候數據自動采集，無線數據傳輸、存儲、檢索、分析處理系統，系統的工作流程如圖2所示。

3凍脹監測結果分析

2014年～2015年度對牡綏鐵路路基1 125個斷面、2406個觀測點進行了凍脹監測。如圖3所示，全線凍脹變形小于等于4 mm測點占總數83.50%， 4～6 mm測點約占總數10.39%，6～8 mm測點約占總數4.95%，大于8 mm測點占全部測點數1.16%，總體凍脹變形較小。按工點類型統計，各工點類型凍脹變形小于等于4 mm在81.65%～85%范圍內，大致相當。另外，大于8 mm測點共28個，如圖4所示，其中13個約46.4%發生在路堤地段，路塹及路涵過渡段分別各5個，各占17.9%，路橋過渡段3個，占10.7%，涵洞頂2個，占7.1%。

圖3　路基凍脹量統計

圖4　大于8 mm凍脹量的工點分布

圖6　地下水位和含水量變化關系

將牡綏鐵路沿線路方向每10 km劃分成一個區段，統計區段內各路基段凍脹量平均值及最大值，繪制沿線路方向按區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，即沿線平均凍脹量較小。全線人工觀測最大凍脹值為9.28 mm，發生在DK508+765，為一般路堤工點；最大自動監測凍脹變形為10.96 mm，發生在DK416+800，為浸水路堤工點，路基本體易積水。經過現場調查及填料核查，該工點基床表層和底層細顆粒含量分別為3.9%、3.5%～4.2%，細顆粒含量均滿足要求。因此，基床排水效果不理想是造成該工點凍脹量偏大的主要原因。

4牡綏鐵路路基凍脹規律

4.1地下水位和含水量的關系

地下水位影響路基中土的含水率，進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出以下特征：

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

②凍結前地下水位接近4 m左右時就會對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，對基床表層含水量基本無影響。進入凍期后，地下水水位降低，基床底層含水量減小，地下水對基床底層幾乎無補給。當地下水位小于4 m時對基床地層含水量影響更大，會使基床底層含水量在整個凍結期內接近飽和。

4.2凍脹變形和含水量的關系

如圖7所示，牡綏鐵路路基凍脹監測中凍脹變形和含水量表現出如下特征：進入凍期之后，含水量會有明顯的降低階段，對應凍脹變形的快速增長階段，之后含水量相對平穩，凍脹變形量增長趨勢不明顯，進入融期之后，含水量有增大趨勢，凍脹變形相應回落。

圖7　凍脹變形和含水量變化關系

4.3凍結深度和氣溫的關系

為反映氣溫和凍結深度的關系，引入凍期日平均氣溫絕對值代替氣溫變量，研究氣溫和凍結深度的關系。牡綏鐵路路基凍脹監測中典型的凍結深度和氣溫關系如圖8所示。

圖8　凍結深度和氣溫的關系

凍期日平均氣溫和凍結深度隨時間變化過程中，均經歷了逐漸提升、達最大值后又逐漸降低的過程。日平均氣溫絕對值提升，即氣溫降低過程時間短，日平均氣溫絕對值降低，即氣溫回升時間長。凍結深度變化相反，凍結深度提升時間長，回落時間短。凍期日平均氣溫絕對值和凍結深度出現最大值時間不同，后者較前者滯后2個月左右，同時，凍期日平均氣溫絕對值出現峰值時，凍結深度只發展到1/3～1/2，凍期日平均氣溫為0 ℃時進入融期，凍結深度會回升1/5～1/4。

4.4凍脹變形和凍結深度的關系

如圖9所示，牡綏線凍結深度與凍脹變形規律主要表現為三種形式。

圖9　凍脹變形和凍結深度關系

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

②隨凍結深度增大，凍脹變形持續，初始階段逐步增大，當凍深超過一定深度后，凍脹變形不再增加或增加緩慢，凍深提升時，凍脹變形滯后一周左右開始回落，如圖9(b)。

③隨凍結深度增大，凍脹變形持續，初始階段逐步增大，當凍深超過一定深度后，凍脹變形不再增加，凍結深度繼續向下發展，凍脹變形逐步回落，凍深提升時，凍脹變形趨于平穩，如圖9(c)。

5結論

通過對牡綏鐵路路基凍脹監測數據分析，得出以下結論：

(1)基于物聯網技術的路基凍脹監測系統可以全天候、實時自動采集凍脹變形量及其影響因素的數據值，可以實現數據無線傳輸和數據的存儲管理和分析處理。該系統可以準確高效地對鐵路路基進行凍脹監測。

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

(3)嚴寒地區的鐵路路基凍脹問題不可避免，但是路基凍脹存在可循的凍脹規律，通過對其凍脹規律的研究可以有針對性的采取控制措施。

參考文獻

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[7]TB10012—2007鐵路工程地質勘察規范[S]

中圖分類號：TU196+.1

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7479(2016)01-0041-04

作者簡介：趙曉萌，2013年畢業于中國石油大學(北京)，碩士，助理工程師。

收稿日期：2015-12-29