連續與智能壓實控制技術在高速鐵路建設中的應用

徐光輝　高輝　雒澤華

0 引 言

中國高速鐵路建設正在蓬勃發展，其工程質量決定著后期的安全運營狀況。由于高速鐵路使用無砟軌道，因此路基已成為當前高速鐵路建設中最薄弱的環節。從某種意義上講，高速鐵路的成功與否取決于路基的工程質量。路基必須具有足夠的抵抗變形的能力和均勻性，才能為高速行駛的列車提供安全、舒適和平穩的運行環境。決定路基結構性能的關鍵要素是選擇優良的填料并進行充分合理的壓實，壓實質量控制更是施工階段的焦點。

路基壓實質量控制的傳統方法是事后抽樣檢驗，該方法存在諸多弊端，很難控制路基的整體質量，特別是均勻性。目前，利用振動壓路機碾壓過程中的振動信號進行連續控制的技術已成為現代壓實控制方法的代表，被歐美譽為“筑路技術的第三次革命”。這類技術在歐洲被稱作連續壓實控制（CCC），美國稱作智能壓實（IC），中國則采納了這兩種稱謂。

這類技術的核心之一就是控制指標。早期以振動壓路機響應信號中不同諧波的比值作為控制指標，俗稱“諧波比”或壓實計方法，但與傳統檢測結果（如地基系數K30、變形模量Ev2、壓實系數K等）的一致性很差，嚴重影響了普及推廣[1]。德國在21世紀初期提出了利用振動壓路機動態響應獲取填筑體振動模量的新方法，在一定程度上使大家重新認識了這項技術，但德國技術與特定型號的壓路機捆綁在一起，并且技術保密、價格昂貴，限制了其普及應用。本研發團隊從1993年開始研究這項技術，采用動力學方法對振動壓路機與填筑體相互作用問題進行了長期研究，于1998年提出采用填筑體結構抗力作為壓實控制指標的動力學方法，并進行了大量的實踐驗證工作[2]。在此基礎上提出了鋼輪與路基相互作用的連續體模型、離散體模型、碰撞模型和鋼輪動力學模型以及相應的求解方法。該方法經過參數識別可以得到填筑體結構的模量、抗力和剛度系數等與壓實質量直接相關的控制指標，解決了振動壓路機彈跳狀態下無法正確識別壓實質量這一國外還未解決的問題，并在實踐中得到了驗證，同時也為高級智能壓實設備的研發奠定了基礎。

2008年以來，在原鐵道部的大力支持下，本研發團隊承擔了鐵道部重點科研項目和相關技術標準的編制任務。結合高速鐵路的特點，從技術原理、測試技術、技術標準和工程應用等方面進行系統研究，取得了具有完全自主知識產權的系列成果，為在高速鐵路建設中的應用奠定了基礎。目前這項技術已經在鐵路建設中開始普及應用，對于提高高速鐵路路基壓實質量起到了促進作用。本文將對近年來這項技術在高速鐵路建設中的應用情況進行概述。

1 技術原理

連續與智能壓實控制技術的實質是一個“剛性圓柱體在彈塑性體上振動和移動狀態下的動力學求解以及參數識別與控制”問題，目前尚無理想的解析解答，但可以進行近似解答，前提條件是要滿足工程精度要求。

圖1為振動壓路機碾壓路基填筑體時的動力學模型，其中路基結構物性參數采用模量E、泊松比μ和密度ρ表征。振動碾壓過程中，鋼輪受到的力為：旋轉激振力 Psin ωt、自重Mg和路基結構抗力Fr，如圖1（a）所示。其中路基結構抗力Fr與壓實力是作用力與反作用關系，為狹窄條狀荷載，分布特征如圖1（b）所示。

對于鋼輪與填筑體的相互作用，可以分別建立填筑體的連續模型和鋼輪的振動模型，它們之間以壓實力建立聯系。經過復雜的求解（正問題）和參數識別（反問題），理論上可以得到路基結構的抗力Fr、模量E、泊松比μ和密度ρ等參數。一般在實際應用時以識別模量為主，并且將依據振動壓路機響應信息得到的路基模量稱之為估算模量“Eest”或“Est”。在得到連續控制指標后，就可以利用振動壓路機碾壓過程中的相關信息進行連續與智能壓實控制了。

2 測試模式

由于壓路機的移動性，在碾壓過程中無法在路基填筑體上進行連續量測。目前惟一可行的測試方案就是將量測系統布置在壓路機上，以連續獲取鋼輪的動態響應信息，再按照動力學模型求解和識別。這是一種間接的量測技術，以振動壓路機碾壓過程中的動態響應為基本信息來間接識別路基填筑體的力學性能參數。

圖2顯示了一個完整的振動壓實測試方案。安裝在鋼輪上的傳感器可以感知攜帶了路基壓實質量相關信息的振動信號，駕駛室內裝有自行研制的量測系統，可進行信號采集等各種信息處理，經過復雜的計算等步驟，可以得到路基結構的抗力、模量和剛度系數等與壓實質量直接相關的參數（統稱振動壓實值VCV）。根據壓實質量控制準則，對壓路機和路基填筑體發出反饋控制指令，實現在碾壓過程中的連續與智能壓實控制。

3 應用流程與應用條件

3.1 連續與智能壓實控制應用程序

根據《鐵路路基填筑工程連續壓實控制技術規程》（TB 10108—2011）要求，連續與智能壓實控制技術按照4個工藝流程進行操作：設備檢查——檢測振動壓路機和量測系統是否符合技術要求；相關校驗——檢驗所采用的連續控制指標與常規檢測指標具有是否較好的一致性（要求相關系數不小于0.70）并確定目標控制值；過程控制——在碾壓過程中對壓實程度、壓實穩定性和均勻性進行實時控制；質量檢測——對碾壓面進行全面的連續檢測，確定壓實薄弱區域，以便在薄弱區內選點進行常規驗收檢驗。

3.2 應用條件

在路基填筑碾壓過程中，可以采用連續與智能壓實控制技術的必要條件是，連續指標與常規指標之間的相關系數不得小于0.70。相關系數通過相關校驗試驗予以確定。所謂相關校驗試驗就是在試驗段上進行的對比試驗，一般要求測得不少于18組對比試驗數據，然后進行統計回歸處理，得到相關系數、相關方程以及連續控制的目標值，如圖3所示。其中常規控制值[K30]=130 MPa·m1，對應的目標振動壓實值[VCV]=[Eest]=160 MN·m2。后面將利用這個結果進行過程控制。

這里強調這項技術應用條件的主要目的之一是為了保證連續檢測與常規檢測結果的一致性。由于連續與智能壓實控制是一類技術的統稱，受商業利益驅使，許多以控制碾壓遍數的數字化施工技術混入其中，如國外趨于淘汰的壓實計（諧波比）技術，經過包裝和不熟悉這項技術的強勢部門的推薦，又開始在高鐵建設中強行使用。但由于控制指標與常規檢測指標之間的一致性很差，經常出現矛盾的檢測結論，不但會造成施工管理上的混亂，更會給高鐵路基壓實質量帶來安全隱患。因此，有關部門應該嚴格把關，杜絕“偽技術”泛濫。

4 控制要素與控制準則

根據高速鐵路的特點，路基結構必須在強度、剛度、穩定性和均勻性方面滿足相關技術要求。因此，在碾壓過程中需要控制壓實程度、壓實穩定性和壓實均勻性這3個要素。

4.1 壓實程度控制準則

控制壓實程度的目的是控制路基填筑體物理力學性能達到規定值，解決路基填筑體是否有足夠強度和剛度支承上部結構的問題。壓實程度判定由下式給出。

VCVi ≥[VCV]

式中：VCVi 為碾壓面上第i個檢測單元的振動壓實值（連續檢測）結果，代表1.0 m2面積上的綜合值，[VCV]為目標振動壓實值。

對于整個碾壓面而言，受各種條件的影響（如施工水平、填料變異或分布不均等），要求碾壓面上每一點的壓實程度都達到目標值是一個很苛刻的要求，因此提出一個碾壓面壓實程度通過率控制準則。一般要求碾壓面壓實程度的通過率要達到規定的要求，即

式中：[]為規定的通過率標準值，可以根據工程等級和技術要求進行設定；ST為壓實程度通過的面積；S為碾壓面積。高速鐵路規定為，其中不通過的檢測單元應呈分散分布狀態，連通面積不得大于5.0 m2。

4.2 壓實穩定性控制準則

壓實穩定性主要是從控制填筑體物理力學性能的穩定程度方面考慮的，是指壓實狀態隨碾壓遍數變化程度的相對大小。一般用前后2遍壓實振動值之差的相對大小表示，即

式中：[δ]為規定的控制精度，應視具工程等級、填料粗細、壓路機噸位和工藝參數等而定，一般可取[δ]=1%～3%；VCV（n+1）為n+1次碾壓的壓實振動值；VCVn為第n次碾壓的壓實振動值。

4.3 壓實均勻性控制準則

壓實均勻性是指路基結構性能在碾壓面上分布的一致性。壓實均勻性控制的是路基填筑體物理力學性能的均勻分布程度，解決能否均勻支承上部結構的問題。對于高速鐵路而言，壓實均勻性非常重要。根據現有的調查資料，目前僅對壓實狀態的低值區域進行控制還是符合實際情況的，因為高速鐵路安全運營最怕的還是路基的不均勻沉降問題。鑒于此，標準中給出了一種簡單易行的控制準則，即

式中：為壓實振動值得均值；為系數，在壓實標準中規定λ=0.80。因此，上述準則的實質是對壓實數據按照“0.8倍均值”進行控制。

5 工程應用

連續與智能壓實控制技術是從2008年開始在高速鐵路和普通鐵路建設中應用的；曾先后在哈大高鐵、京滬高鐵、成灌鐵路和蘭新鐵路中進行試驗性應用；2012年中國首部連續壓實控制標準頒后，開始在鐵路建設中正式應用，并在滬昆高鐵貴州段、京沈高鐵、石濟高鐵、商合杭高鐵、濟青高鐵以及呼準鄂鐵路和黔張常鐵路等建設中成功應用。下面首先給出應用的全過程實例 ，然后討論幾個常見的優點。

5.1 碾壓全過程控制

對于路基填筑碾壓來講，在進行完相關校驗試驗、確認技術可用并取得目標值后，便可以在與試驗段性質相同的施工段中進行碾壓全過程控制了。根據圖3給出的相關數據，壓實程度可以按照[VCV]=[Eest]=160 MN·m2進行控制，壓實穩定性按照[δ]=3%控制，壓實均勻性按照控制。其控制結果見圖4～6。這種可視化的圖形式檢測結果簡單明了，由安裝在駕駛室中的設備顯示給操作者，以便于進行反饋控制。

圖4顯示的是路基碾壓面的壓實程度隨碾壓遍數的變化情況。在振動碾壓第6遍之后，碾壓面上達到目標值的區域占總面積的94%（即通過率），此時可以停止碾壓，再進行1遍連續檢測（起到補充碾壓作用），其通過率便可以達到95%。

圖5所示為壓實穩定性隨碾壓遍數的變化情況。由于填料性質很好，相鄰2遍壓實值的相對差δ逐漸減小，直至小于3%。圖中紅色代表δ大于3%，綠色代表符合規定的精度要求。

圖6所示的是壓實均勻性隨碾壓遍數的變化情況。可以看出，盡管每一遍數下的壓實數據的平均值都不相同，但是均沒有出現小于0.8倍均值的區域。這說明在振動壓路機壓實工藝穩定的條件下，壓實均勻性主要取決于填料的性質，并不隨碾壓遍數而發生太大的變化。因此，對于均勻性而言，控制好填料是關鍵。

在結束碾壓過程控制后，需要對碾壓面進行1遍連續質量檢測，以便最終確定碾壓面的壓實程度分布和壓實狀態分布，識別壓實薄弱區域。按照標準要求，需要在壓實薄弱區內即（圖7的壓實狀態分布中的紅色區域）進行常規質量驗收檢驗。對其中2點檢測K30，其結果均大于[K30]=130 MPa·m1，顯示出2種檢測結果的一致性和連續與智能壓實控制的可靠性。但這是以相關檢驗試驗通過為前提條件的。

5.2 連續與智能壓實控制的幾個優點

上述實例是填料比較理想的情況，實際遇到的情況比較復雜。下面以京沈高鐵遼寧段施工中遇到的情況為例，闡述連續與智能壓實控制的一些優點。

5.2.1 防止欠壓和常規抽樣檢測的漏檢

某站場，填料為土石混填，第三方（外國）檢測單位進行抽檢，選取6個點進行常規抽檢（K30），其結果全部合格，如圖8所示。但經過連續檢測，發現其中有20 m長范圍內的VCV值明顯低于其他區域，沒有達到目標值要求，處于不合格狀態，對該區域檢測K30，發現不合格。增加2遍碾壓后，連續檢測達到目標值要求，同時K30檢測結果合格。分析其原因，系填料分布不均勻造成的。

可見連續檢測避免了局部的欠壓問題，也避免了以往因局部壓實質量差而對碾壓面全部進行處理，以及常規抽樣檢驗不足的問題。

5.2.2 優化碾壓遍數

某施工段，填料為砂性土。根據試驗段結果，要求碾壓7遍，但是K30檢測總是不合格。采用連續與智能壓實控制后，發現碾壓5遍后VCV達到目標值，此時K30檢測也合格，而再增加碾壓遍數時，VCV值反而開始降低，如圖9所示。

上述實例說明，單純依靠試驗段結果進行碾壓遍數控制是不可靠的，因為填料總會發生一些變異。連續控制方法可以優化碾壓遍數，節省工時和費用，同時也避免了過壓問題。

5.2.3 識別填料的可壓實性

某施工段，填料為粗粒料，經過十幾遍碾壓，K30檢測仍然不合格。采用連續壓實后發現，其VCV值并不隨碾壓遍數發生太大的變化（圖10（a）），與正常碾壓規律（圖10（b））不同。究其原因，系填料級配不好所致（粒徑大且單一）。經多方研究，采用改善填料的方案處理（摻加一定量的不同粒徑細料），經過8遍碾壓，達到規定要求。上述現象也可以用壓實穩定性進行說明。

6 結語

本文概述了連續與智能壓實控制技術在高速鐵路建設中的一些應用情況，給出了應用流程、必要條件和碾壓過程控制準則，以實例的方式闡述了其具體應用過程和一些常規控制方法很難實現的優點。連續與智能壓實控制技術已經在高速鐵路建設中應用，提高了高鐵路基的施工質量，但同時也存在一些問題。目前突出問題之一就是數字化施工技術以及與常規檢測結果不一致的早期技術泛濫，應引起有關管理部門的重視。

從國內外不同領域關注這項技術的情況來看，主流發展方向將是高級智能壓實技術。隨著理論研究的深化、測試技術的進步以及高級智能壓實設備的研發和應用，相信該技術會引起筑路技術新的革命，推動相關領域科技的進步。

參考文獻：

[1] 徐光輝，雒澤華.連續壓實控制技術中壓實計方法的諧波比指標的局限性問題研究[J].筑路機械與施工機械化，2015，32（8）：34-38.

[2] 徐光輝.路基連續壓實控制動力學原理與工程應用[M].北京：科學出版社，2016.