哈齊客專涵洞凍脹監測方案探討

李坤衡

（中國鐵路設計集團有限公司,天津市 300142）

1 概述

哈齊客專是我國第一條建在高緯度嚴寒地區的客運專線，線路正線長280 km，分布140余座不同孔徑的涵洞，全線采用Ⅰ型板式無砟軌道。自哈齊客專開工以來，雖然部分竣工涵洞經歷了1～2個冬季，經現場巡檢及走訪施工方，均未發現出現凍害情況。但是沒有細致的測試，微小的凍脹是難以發現的，運營后一旦有凍脹出現，就會影響軌道的平順性，甚至影響行車安全。結合臨近運營線路，如濱洲線、平齊線、濱北線等既有涵洞歷年多發的凍脹病害情況，有必要對哈齊客專涵洞開展凍脹監測，本次有機會結合路基凍脹研究選取了哈齊客專線上4處有代表性涵洞進行凍脹監測，開創了嚴寒地區監測的先河，通過兩年的數據積累取得了初步成果。本文主要對此次嚴寒地區的涵洞凍脹監測方案及具體實施情況予以介紹，通過對實測數據整理和分析為嚴寒地區類似鐵路涵洞監測提供技術儲備和理論基礎[1-12]。

2 涵洞監測實施方案

2.1 測試工點選取

哈齊客專保護涵均埋于地下，且涵洞出入口設置有封堵墻或者檢查井，可不考慮凍脹影響。所以，不選取保護涵作為凍脹監測工點。

立交涵孔徑樣式較多，有3 m、4 m、5 m、6 m等多種，從豐富監測工點的類型、總結不同條件下涵洞的凍脹規律來說，應該選取部分代表性的立交涵進行監測。但是，立交涵洞內埋設監測設備，極易損壞而起不到監測效果。

哈齊客專全線共設置145座線間排水涵，受項目特點限制，這些排水涵孔徑均為1～2 m。選取工點時，從填土高度、涵洞長度、地基處理形式等方面豐富監測類型，結合2012～2013年度路基凍脹監測成果，并考慮監測工點相對集中的原則，綜合選取工點見表1。

表1 選取工點匯總表

2.2 監測方案

為確保涵洞凍脹監測的時序性和準確性，此次監測主要采用自動化監測輔助人工監測的手段，雙管齊下。本次監測的內容分為框架涵整體豎向位移變化、涵洞翼墻及基礎承受的凍脹力、凍結深度在涵洞洞內的軸向分布以及涵洞基底以下土體的凍脹位移等四個方面。具體監測方案如下：

（1）涵洞整體豎向位移測量

涵洞施工期間已經預埋的沉降觀測標見圖1，要求結合沉降觀測進行人工測量。

圖1 涵洞人工監測布置圖（單位：mm）

凍脹監測期間涵洞豎向位移觀測頻次，無砟軌道鋪設前為1周1次，無砟軌道鋪設后為2周1次。

（2）涵洞翼墻及基礎凍脹變形測量

在涵洞一側出口處，端部翼墻及基礎內側地面以下部分粘貼應變計。每座涵洞共布置1處，與地溫計在同一側。

應變測量采用表面應變計，應變片即傳感器溫度適用范圍要求在-40℃以上。要求內置溫度傳感器，同時監測環境溫度，對溫度影響進行自動補償修正，以求應變測量結果為凍脹影響實際值。采集方式為遠程自動化數據采集。

應變計布置見圖2。

圖2 涵洞應變計布置圖（單位：m）

（3）涵洞軸向地溫分布測量

在涵洞軸向間隔埋布地溫計，同時測量外界氣溫，以求測得最大凍結深度與大氣溫度的關系，以及凍結深度在涵洞軸向的分布情況。布點選在涵洞的一側，即出口或入口，不同涵洞間交錯布置，與應變計在同一側。布點時在涵洞出入口段適當加密，涵洞中間可以稀疏，見圖3。

圖3 涵洞軸向地溫分布測量圖（單位：m）

地溫計埋設時每個測試孔深度3.5 m，深度范圍內間隔0.4 m 1個測點，布置豎向測點時注意須測量涵洞底板等混凝土結構的溫度。地溫元件要求溫度適用范圍-40℃以上，采集方式采用自動化數據采集。

（4）涵洞基底凍脹測量

涵洞軸向范圍內凍脹計測孔布置同溫度計，凍脹計與溫度計同時埋設，測量涵洞基底以下凍結深度范圍內各層土體（包括涵洞底板）的凍脹位移，即分層凍脹變形監測。凍脹計適應反復凍脹環境，能夠在-40℃情況下正常工作。數據自動化采集。

圖4為單個涵洞監測系統結構組成形式，對于每個監測點而言，在涵洞出入口外側打1孔水位觀測井，用于研究地下水位與土體凍脹的相互關系。觀測期內水位井頂部采取保暖措施。所有傳感器線纜套P V C保護管保護，并埋置地面以下，且保持地面平整。

圖4 單個涵洞監測系統結構示意圖

2.3 設備安裝

由專業人員現場安裝元件，監測人員現場指導，并保留安裝過程的影像記錄（見圖5～圖9）。

圖6 涵內鉆孔

圖7 安裝應力計

圖8 凍脹計

圖9 數據采集箱連接及調試

本次凍脹監測為期2 a，監測期利用事先布設好的傳感器，通過數據自動化采集的完成大氣溫度、涵洞各測點地溫、凍脹變形量以及應變量數據采集。傳感器設置的是每天分別在 0：00、6：00、12：00和18：000采集四次數據。利用實測數據，將其按不同位置、不同深度和不同時間階段進行整理分析，尋找出凍脹規律性。

2.4 數據采集方法

本次涵洞凍脹監測采用遠程無線數據采集監控系統實現了對數據的自動化采集。監控系統主要由自動采集箱、無線傳輸模塊和數據采集軟件三部分組成，具體架構形式見圖10、圖11。

圖10 遠程無線數據采集監控系統架構圖

圖11 現場無線系統結構圖

自動采集箱可以控制傳感器在指定的時間自動進行測量，并將結果保存在傳感器內。無線傳輸模版與自動采集箱配合，在有G S M網絡覆蓋地方，通過無線傳輸模版進行采集控制和數據傳輸。數據采集軟件用于將各種方式采集到的數據匯總到數據庫，并進行進一步的顯示、處理、分析。可將測量數據保存為Excel文件，便于用戶的后續分析、處理。

2.5 監測設備維護與保養

針對沉降觀測標而言，要經常檢查其有無變動，并防止外力破壞。表面應變計很容易損壞，其埋設后維護中需特別注意，回填時應將儀器全部覆蓋，在埋設后半徑1.5 m內禁止鉆孔等有震動的作業。各設備儀器均安排人員定期進行檢查、校核，以保證儀器的正常使用。

3 數據整理及分析

3.1 溫度監測

以D K97+900涵為例，環境及地溫各測點的溫度變化曲線見圖12。

圖12 環境及地溫各測點的溫度變化曲線

根據監測數據結果，可發現以下規律：

（1）在冬季，埋深越淺地基土溫度越低，即地溫隨著到地表距離的增加而增大；

（2）埋深等差變化時，溫度遞增的速率越來越小；

（3）地溫曲線比氣溫曲線平緩，且埋深越大處越平緩；

（4）地溫曲線比氣溫曲線的拐點滯后，埋深越大滯后時間越長，地面以下0.3 m處，地溫極值比氣溫極值晚出現約1 d。

3.2 涵洞基礎埋置深度研究

季節性凍土地區涵洞的病害絕大部分與涵洞基礎埋置深度不足有關，忽視涵洞水流對凍土上限下降的影響，這些都是凍土地區涵洞產生病害的主要因素。涵洞基礎埋置深度，應根據凍土的工程地質特征，涵洞結構類型等因素綜合確定。

3.2.1 凍結深度確定

涵洞測試區地質情況均以厚層粉質粘土，其下為風化砂巖。以0℃作為土發生凍結的臨界溫度點，推算地溫計實測土層凍結深度。鑒于四處涵洞地溫變化規律基本一致，以D K97+174涵為例進行說明。

地溫沿豎向變化曲線見圖13。

圖13 地溫沿豎向變化曲線圖

從圖13中可以看出：

（1）哈齊客專涵洞監測地區涵洞范圍內地層凍結深度一般在1.75 m左右；

（2）在2014年～2015年的監測期間，地表溫度最低發生在一月中下旬，約為-10.5℃；

（3）由于土層傳熱延性影響，地表溫度最低時并非為凍結深度最大時，凍結深度最大約發生在三月中下旬至四月初。

3.2.2 凍結深度沿軸向變化

通過對四處監測工點實測地溫數據的整理發現，對于地溫而言四處工點變化規律基本一致，以D K97+174涵為例具體描述涵洞凍結深度沿涵軸方向變化趨勢。

涵洞凍結深度沿涵軸方向變化趨勢見圖14。

圖14 涵洞凍結深度沿涵軸方向變化趨勢圖

從圖14中可以看出：

（1）由于涵洞洞口直接與外界進行熱交換，洞口處地基的凍結深度大于洞身中間部分。

（2）針對涵洞試驗區域而言，涵洞過渡段為距洞口2.5～4.0 m范圍內。

如圖14所示為2014～2015年監測期間涵洞各位置處最大凍結深度，觀測期沒有達到當地最大凍結深度（2.14 m）。

3.2.3 埋置深度確定

以D K97+174位置處涵洞為例，結合涵洞軸向各位置處凍結深度，對比分析涵洞埋深是否在凍結線以下的土體凍脹變形量，見圖15。

圖16 凍脹變形量對比圖

從實測凍脹變形數據上來看，凍脹變形在凍結線以上時實測土體凍脹變形量為1.75mm，而在凍結線附近時實測土體凍脹變形量僅為0.36mm。說明越靠近地面凍脹力越大，凍脹線附近凍脹力很小。

4 結語

通過對哈齊客專橋涵凍脹監測以及對基礎埋深分析，對嚴寒地區涵洞凍脹監測方案及具體實施方案有了進一步的認識，監測數據初步分析成果表明，哈齊客專設計的涵洞選型、基礎埋深能夠滿足凍脹要求，也驗證《橋梁地基和基礎設計規范》中有關凍土地基修建涵洞基礎埋置深度的相關要求，為今后類似涵洞凍脹監測提供了技術支撐。

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