蘭新高鐵甘青段路基凍脹自動監測及分析研究

田士軍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

蘭新高鐵是世界上一次性建成通車里程最長的高速鐵路，是我國中長期高速鐵路規劃網——“八縱八橫”高速鐵路網陸橋通道的重要組成部分，全長1 777 km，其中：新疆段全長710 km，甘肅段全長799 km，青海段全長268 km。蘭新高鐵于2009年11月開工建設，2014年12月開通運營。

蘭新高鐵甘青段東起甘肅省蘭州市，途經青海省西寧市后折向北，穿越大阪山、祁連山山脈后再次進入甘肅省，沿河西走廊一路西行至甘青段終點紅柳河。

蘭新高鐵甘青段路基工程全長599.95 km，占線路長度的56.3%，其中：路塹長度56.78 km，占路基長度的9.5%；路堤長度543.17 km，占路基長度的90.5%。祁連山前后海拔高、降水量大、土壤含水率高、氣候嚴寒，位于海拔2 500 m以上地區的路基有65.54 km，為路基凍脹易發地段。

蘭新高鐵為設計最高時速250 km的無砟軌道高速鐵路，對路基變形要求極為嚴格，要求工后沉降不超過15 mm[1]。路基與橋梁或橫向結構物交界處的工后沉降差不應大于5 mm，不均勻沉降造成的折角不應大于1/1 000[2]。

路基凍脹容易引起軌道面出現不同程度的變形，從而造成軌面不平順，影響高鐵運行安全[3-4]，為明晰蘭新高鐵甘青段路基凍脹機理及填料的凍脹特性，查明路基凍脹原因[5-15]，探索適用的凍脹處理措施，將凍脹變形控制在無砟軌道允許的范圍之內，對路基凍脹先采用人工測量進行了監測，根據人工監測結果又開展了自動監測[16-17]，并對自動監測結果進行系統分析和深入研究，以便對影響高鐵運營的路基凍脹段落采取相應的處理措施[18-23]。

2 凍脹監測情況

2012年～2013年凍結季和2013年～2014年凍結季，利用路基沉降觀測樁對路基凍脹進行了人工監測，監測結果顯示祁連山前后路基凍脹量相對較大，大于4 mm的監測點約占1.7%，最大凍脹量為7.6 mm；其余地段路基凍脹不明顯。

2014年～2015年凍結季，建設單位委托專業測量單位再次對路基凍脹明顯的段落進行了人工監測，監測長度共87.74 km。監測結果顯示：凍脹量<4 mm的監測點占總監測點的82.5%，凍脹量4～8 mm的占13.8%，凍脹量8～12 mm的占2.3%，>8 mm的占1.4%，最大凍脹變形值為21.67 mm。2014年～2015年凍結季凍脹監測值較2012年～2013年凍結季和2013年～2014年凍結季大。

為掌握路基凍脹發生和發展的規律，以便更好地采取針對性的處理措施，2015年～2017年凍結季，對蘭新高鐵甘青段開展自動監測。

3 自動監測系統

根據前期人工監測情況和自動監測需要，考慮路基結構形式，沿線共布設15個代表性監測斷面，其中8個監測斷面安裝變形、水分和溫度傳感器，其余7個監測斷面只安裝變形傳感器。

變形、水分和溫度傳感器均安裝在路肩上，布置形式如圖1所示。每個監測斷面安裝3個凍脹傳感器，深度依次為0.5，1.5，2.7 m，分別安裝在3個不同深度的鉆孔中，水平間距為沿線路方向30～50 cm。溫度傳感器測溫總深度為5 m，間距依次為：0～0.6 m范圍間距5 cm，0.6～1.5 m范圍間距10 cm，1.5～3.0 m范圍間距25 cm，3.0～5.0 m范圍間距50 cm。水分傳感器安裝深度依次為：0.2、0.5、1.0、1.5、2.1、2.7 m。

圖1 自動監測系統布設示意(單位：m)

采用自動監測系統，對路肩以下5 m范圍內路基的地溫、水分、凍脹變形等進行自動實時監測，并通過傳輸系統將監測數據傳輸至數據處理終端。

4 自動監測結果統計分析

4.1 凍結深度發展過程

K2005+948和K2007+908兩個監測斷面相距不足2 km，具有接近相同的微氣象條件，該兩個監測斷面2015年～2016年和2016年～2017年兩個凍結期凍結深度發展情況分別詳述如下。

(1)K2005+948斷面

2015年10月26日，地表開始出現負溫，直到2015年11月4日，地表基本是“夜凍晝消”，持續時間10d左右；從2015年11月5日開始，凍結深度快速增加，直至2016年3月28日，凍結深度達到最大值377 cm；之后氣溫回升，凍深開始逐漸減小，同時表層向下融解，到5月16日凍結層完全融化。2016年10月25日開始出現負溫，地表開始凍結，直至2017年3月30日，凍結深度達到最大值304 cm；之后隨著氣溫回升，凍深開始逐漸減小，同時表層向下融解，到5月12日凍結層完全融化。K2005+948斷面凍結深度隨時間變化趨勢如圖2所示。

圖2 K2005+948凍結深度隨時間變化趨勢

(2)K2007+908斷面

2015年10月26日，地表開始出現負溫，直到2015年11月3日，“夜凍晝消”持續時間9d左右；從2015年11月4日開始，凍結深度快速增加，直至2016年4月7日，凍結深度達到最大值362 cm；之后隨著氣溫回升，凍結層從表層開始融化，凍結厚度逐漸減小，到5月16日凍結層完全融化。2016年10月26日，地表開始出現負溫，“夜凍晝消”的時間持續了僅僅3d；從2016年10月29日開始，凍結深度快速增加，直至2017年4月5日，凍結深度達到最大值315 cm；之后隨著氣溫回升，凍深逐漸減小，同時表層開始向下融解，到5月14日凍結層完全融化。K2007+908凍結深度隨時間變化趨勢如圖3所示。

圖3 K2007+908凍結深度隨時間變化趨勢

對比分析這兩個監測斷面兩個凍結期的凍結深度變化情況，有如下特點。

(1)地表開始凍結的時間基本相同，都是10月末的最后一周，凍結深度從11月初開始快速增加，達到最大凍結深度的時間為3月底到4月初，之后隨著氣溫回升，凍結深度逐漸減小，同時表層開始向下融解，到5月中旬凍結層完全融化。

(2)兩個斷面兩個凍結期凍結深度持續增加的天數為150～160 d，兩個凍結期兩個斷面凍結深度均超過了300 cm，但2016年～2017年度比2015年～2016年度凍結深度減少了50～70 cm。

(3)兩個斷面凍結深度監測數據基本一致，反映出凍結和消融主要受當地氣溫變化的影響。當氣溫達到零度以下時，開始出現凍結，隨著氣溫的下降和低溫的保持，凍結深度持續增長，3月底到4月初達到最大，之后隨著氣溫回升，凍結深度逐漸減少，凍結層開始融化，直至完全消失。

4.2 凍結過程中水分遷移過程

K2005+948和K2007+908監測斷面不同深度的含水量監測結果和凍結深度發展過程分別如圖4、圖5所示。

圖4 K2005+948含水量隨時間和凍結深度變化情況

圖5 K2007+908含水量隨時間和凍結深度變化情況

由圖4、圖5可見，隨著凍結深度的增加，表層0.2 m深度的含水量變化較小，這是由于凍結前后，該深度處的含水量處于1%～4%的較低水平。其他深度的含水量均隨著凍結深度的增加而緩慢增加，這主要是由于凍結過程中水分向凍結鋒面遷移造成的[24-26]。3月底4月初，隨著氣溫回升至0 ℃以上，凍結層逐漸融化，土層中含水量略有增加，后因氣溫逐漸回升，蒸發量增加導致各層含水量均開始下降，且上層表現最為明顯。8月中旬0.5 m以下各層含水量達到最低值，其后隨著蒸發量減少，含水量又逐漸增加。

該兩個監測斷面0.5 m深度以下各層含水量在兩個凍脹期變化趨勢非常相似。0.2 m深度含水量維持在1%～4%的較低水平，差異較小，原因是該處填料為級配碎石，填料保水性差，其含水量的變化主要受降雨、降雪和蒸發的影響。

從凍脹量數據統計分析，凍結過程中的水分變化引起的凍脹變形情況主要包括兩部分：當外界氣溫降低到0 ℃以下，級配碎石填料層中的液態水分原位凍結，產生了一定的凍脹變形；隨著凍結深度的不斷加深，路基填料中的水分開始凍結產生凍脹變形，且下部未凍土層中的水分不斷向上部凍結區遷移、聚集，并凍結成冰透鏡體，進一步增加了凍脹變形。

圖6為2015年～2016年凍融期K2005+948斷面和K2007+908斷面不同路基深度在凍融前后水分空間分布圖。從圖6可以看出，路基斷面在經歷了一個凍融期后，含水率一般均稍微增加。說明凍融期間，除填料中的水分在溫度梯度下發生重分布外，底部液態水也從毛細通道向著凍結鋒面進行遷移聚集，也存在局部地段的外界降雨通過細小裂縫滲入到路基填料中。

圖6 2015-2016年凍融前后含水率隨深度變化曲線

4.3 凍脹變形發展過程分析

(1)K2005+948斷面

圖7為K2005+948斷面2015年～2017年兩個凍結期分層凍脹變形及凍結深度發展趨勢，圖中既有凍脹量監測數據，也有凍結深度監測數據。

圖7 K2005+948凍脹變形、凍結深度隨時間變化趨勢

在2015年11月29日之前，隨著氣溫的波動，路基凍脹量出現了較大幅度的波動。11月30日之后，0.5 m處的凍脹計變形值基本保持穩定，說明表層級配碎石已經完全凍結，而1.5 m和2.7 m兩個凍脹計的變形發展非常迅速。直至2016年12月20日，各層凍脹變形進入相對穩定狀態，凍脹量隨凍結深度增加變化很小，此時凍結深度大約為1.3 m左右，說明1.3 m以下土層凍脹量很小。值得注意的是，進入2017年3月份，隨著氣溫的回升，路基表層出現了短暫的凍融現象，由此產生的凍脹變形值略高于穩定狀態的路基變形值。對比3個凍脹計的監測變形值，可以得出凍結期路基上、中、下層凍脹最大變形值分別為2.1，2.2，0.0 mm。路基凍脹主要發生在深度1.5 m以上的土層。進入3月末，伴隨著氣溫回升，路基表層開始融解，各凍脹計監測到的凍脹量值開始下降。2016年10月底，第二個凍結期開始，整個凍脹變形過程與2015年～2016年非常相似，各凍脹計監測到的凍脹量均比2015年～2016年略大，各凍脹計監測最大值分別為3.4，7.1 mm和6.6 mm。計算3個層位凍脹變形值，可以得出凍結期路基上、中、下層凍脹最大變形值分別為3.4，3.7 mm和-0.5 mm，負值說明基床底層下部略有沉降變形。對比兩個凍結期路基凍脹變形，發現2016年～2017年最大凍脹量比2015年～2016年最大凍脹量增加了2.8 mm左右，凍脹變形主要發生在1.5 m以上深度。

(2)K2007+908斷面

圖8為K2007+908斷面2015年～2017年兩個凍結期分層凍脹變形及凍結深度發展趨勢，圖中既有凍脹量監測數據，也有凍結深度監測數據。

圖8 K2007+908凍脹變形、凍結深度隨時間變化趨勢

2015年11月底，當凍結深度超過50 cm后，0.5 m深度的凍脹計監測到的變形值保持相對穩定狀態，但由于氣候變化原因，出現較小的波動。2015年12月20日后，凍結深度超過150 cm，此時1.5 m深度的凍脹計監測到的變形值保持穩定。但2.7 m深度的凍脹計監測到的變形值始終在波動，直到2016年3月中旬達到最大值。對比3個凍脹計的監測變形值，可以得出凍結期路基上、中、下層凍脹最大變形值分別為5.9，1.2，3.3 mm。進入2016年3月末，伴隨著氣溫回升，路基表層開始融解，各凍脹計監測到的凍脹量值開始下降。2016年10月底，第二個凍結期開始，整個凍脹變形過程與2015年～2016年非常相似，各凍脹計監測到的凍脹量均比2015年～2016年大，各凍脹計監測最大值分別為10.2，11.5 mm和14.8 mm。計算3個層位凍脹變形值，可以得出凍結期路基上、中、下層凍脹最大變形值分別為10.2，1.3 mm和3.3 mm。對比兩個凍結期路基凍脹變形發現2016年～2017年最大凍脹量比2015年～2016年最大凍脹量增加了4 mm左右，凍脹變形主要發生在路基上部。

5 監測結果綜合分析研究

5.1 路基不同部位凍脹變形分析

根據各監測斷面0.5，1.5 m和2.7 m三個凍脹計的監測結果，可以計算得到各監測斷面路基各層凍脹量占總凍脹量的百分數見表1。

表1 路基各層凍脹量占總凍脹量的百分數 %

路基各層凍脹量超過相應點總凍脹量50%的斷面數見表2。

表2 路基各層凍脹量超過總凍脹量50%的斷面數 個

路基各層平均凍脹量占總凍脹量的百分數如表3所示。

表3 各層平均凍脹量占總凍脹量的百分數 %

從表2和表3可以看出，基床表層及基床底層上部1.0 m范圍的凍脹量占總凍脹量的80%以上，說明路基上部凍脹明顯，對總凍脹量的貢獻最大。

5.2 不同路基結構形式對凍脹的影響分析

在15個自動監測斷面中，2015年～2016年，只有1個斷面最大凍脹量小于5 mm，其余14個斷面最大凍脹量均大于5 mm，最大變形23.4 mm；2016年～2017年，所有斷面最大凍脹量均大于5 mm，最大變形24.2 mm。各凍脹量統計范圍監測斷面個數見表4。

表4 各凍脹量統計范圍監測斷面個數 個

低路堤斷面的凍脹量為6～25 mm，高路堤為7～10 mm，路塹為4～21 mm。2015年～2016年和2016年～2017年凍結季，最大凍脹量超過15 mm的5個斷面中均為4個低路堤和1個路塹；2016年～2017年凍結季凍脹量均有所增加。由此可見，較大凍脹變形主要出現在低路堤地段，高路堤地段凍脹變形相對較小。

6 結論

利用自動監測系統，對蘭新高鐵甘青段2015年～2017年凍結季路基凍脹進行實時監測，對監測數據進行統計分析和深入研究，分析總結路基凍脹特點和發展變化規律，提出相應的凍脹處理措施，為蘭新高鐵甘青段的路基維護和凍脹整治提供理論和技術支持，并可指導同類地區鐵路的防凍脹設計及施工。

(1)在填料一定的情況下，凍結深度的發展主要受氣溫的影響，負積溫達到最小值時凍結深度開始發展，達到最大值時凍結深度達到最大值。監測最大凍結深度379 cm，最小凍結深度259 cm。

(2)10月底，地表開始凍結，隨著氣溫下降，凍結深度逐漸增加，表層0.2 m深度的含水量變化較小，其他深度的含水量均隨著凍結深度的增加緩慢增加。3月底4月初，隨著氣溫回升至零度以上，凍結層逐漸融化，土層中含水量略有增加，后氣溫逐漸回升，蒸發量增加導致各層含水量開始下降，8月中旬0.5 m以下各層含水量達到最低值，其后隨著蒸發量減少，含水量逐漸增加。

(3)基床表層及基床底層上部1.0 m范圍凍脹量占總凍脹量的80%以上，對總凍脹量的貢獻最大。設計及施工時基床表層應采用滲透性級配碎石；基床表層以下凍結深度范圍內，采用A、B組不凍脹填料或滲透性級配碎石，基床表層以下凍結深度的填料滲透系數應大于基床表層級配碎石的滲透系數，各填料層間應設置向外4%的坡度，以利排水。

(4)為減少路基凍脹量，應采用全凍結深度防凍脹方案，以填料防凍脹為主，輔以防水、疏水和隔熱等綜合措施。具體措施有：嚴格控制填料中細顆粒含量以提高填料防凍性能；路基面設置防水層，以防地表水下滲；基床底層表面和基床換填底部設置隔水層，以防止地表水下滲和地下水入侵；全線設置完善的排水系統；設置防凍脹護道等。

(5)低路堤地段凍脹變形較嚴重，可采用基床表層級配碎石中摻適量水泥、設置保溫層等對防凍脹措施進行加強。