季凍區重載鐵路路基凍脹融沉監測及規律分析

張玉芝，楊 威，李 銳，趙維剛，張廣遠，李 裴

（1.石家莊鐵道大學 河北省大型結構健康診斷與控制重點實驗室，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學 大型基礎設施性能與安全省部共建協同創新中心，河北 石家莊 050043；3.石家莊鐵道大學 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室，河北 石家莊 050043；4.石家莊鐵道大學 土木工程學院，河北 石家莊 050043；5.朔黃鐵路發展有限責任公司 原平公司，山西 原平 034100）

重載鐵路貨運量大，其社會和經濟效益逐漸提高，因此對于重載鐵路的工作性能和耐久性研究已經成為世界鐵路運輸的熱點領域。我國作為世界第3 凍土大國，朔黃、包神、新準、神朔、大準等多條重載鐵路穿越季節凍土區。重載鐵路路基作為主要的軌道結構基礎（通常＞70%），不僅要承載高于客運的軸重，而且要符合自然環境對填料性能的要求，這就要求重載鐵路路基保持良好的可靠性與穩定性。近年來，朔黃鐵路等重載鐵路進行擴能改造，提高列車軸重和擴大列車編組，大規模開行萬噸和2 萬噸列車，路基出現區間下沉、基床翻漿冒泥或道床板結等病害［1］。尤其是季節凍土區，凍融作用誘發路基及地基內土體水分遷移聚集，在重載列車反復沖擊作用下，容易發生凍脹和融沉壓縮變形，路基沿線凍脹和翻漿冒泥病害頻繁發生，引起軌道不平順，嚴重威脅列車運營安全。鐵路運營部門每年花費大量時間和經費進行路基檢測維修及整治，但由于缺乏對其變形規律及機理的認識，導致病害難以根治。

目前，國內外科研工作者針對季節性凍土區高速鐵路路基的凍脹融沉問題已進行了大量研究工作。通常采用現場監測［2-3］、數值模擬［4-6］以及室內凍融試驗［7-8］等研究方法。哈大高鐵建成運營后的現場監測數據分析表明［2-3］，路基的結構型式等對寒區高鐵路基的地溫、變形等有著顯著的影響，并且季凍區高鐵路基可能產生超過設計規范限值的凍脹變形。為解釋季凍區高鐵路基出現的凍脹現象，張玉芝等［4］考慮冰水相變的作用建立路基力學有限元模型，實現了路基溫度場和變形場的連續計算。Sheng 等［5］考慮列車循環動荷載的泵吸作用建立數值模型，并提出動荷載引發超靜孔壓，將水泵吸至凍結鋒面不斷形成冰層，導致凍脹持續發展。而后Zhang 等［6］又提出，非飽和粗顆粒填料中氣態水遷移成冰是誘發路基發生凍脹的主要原因。然而，以上研究均只能在一定程度上揭示列車動荷載和地溫變化等對季凍區高鐵路基凍脹變形的影響。張玉芝等［7］、賀佐躍等［8］的室內試驗發現，反復凍融循環作用下，高鐵路基粗顆粒填料的水、汽遷移以及相變，將導致路基中冰層的形成和變形的產生。由此可見，現場監測作為直接研究鐵路工程靜動態響應的基本手段，是發現工程中科學問題的關鍵，也是檢驗相應數值模擬和室內試驗等工作是否符合實際情況的依據。但是目前，重載鐵路路基的現場監測工作較少，針對凍土區重載鐵路路基的現場監測也較少涉及。隨著現代監測技術的發展，路基遠程監測的方法種類豐富，可通過多種方法實現對現場數據的遠程采集、傳輸和管理。

本文在季凍區重載鐵路路基典型病害工點建立遠程監測系統，對引起路基病害的主要因素以及變形情況等進行長期自動監測，進而對路基的凍脹融沉發展過程及變形規律進行研究，有利于完善路基防凍脹理論和進一步認識凍脹過程。該研究可為改善季節性凍土區重載鐵路的設計、施工和運營方案，以及采取可靠的手段進行路基工程監測和病害整治提供理論依據。

1 現場監測方案設計

1.1 監測方案制定

監測方案制定的核心工作是監測斷面選擇及測點布設方案制定。監測斷面選擇時除考慮普通路基應注意的原則外，在季凍區還應考慮存在陰陽坡差異的位置，運營期發現的凍脹融沉病害發育工點，以及根據歷史觀測經驗容易發生病害的高填路堤、高陡邊坡等位置。測點布設主要是確定監測指標及監測范圍，并在此基礎上選擇合適的傳感器。

1.1.1 基于路基穩定性的監測指標確定

分析季凍區重載鐵路路基穩定性特點，研究其評價指標及影響因素，進而確定監測指標。

重載鐵路路基在運營期主要關注年沉降速率及差異沉降，尤其是過渡段的差異沉降［9］。重載列車盡管行駛速度不高，但大軸重對路基帶來的動力沖擊較大，因此動力穩定性能需要特別關注［10］。季凍區鐵路路基，地溫的季節性變化會引發土體水分周期性的凍結和融化，加上重載車輛動荷載的周期性抽吸作用，可引起路基土體內水的相態變化、水分遷移和重分布等現象。同時，周期性的凍融可能加劇土顆粒的結構性變化［11］，進而加劇其凍脹敏感性。對于有砟軌道路基，大氣降水尤其是雨季對路基水分的補充及地下水的供給，都可能使土體內含水量增加，進而使凍結期凍脹發育更為充分。因此，溫度是季凍區路基凍脹發生的誘發因素，同時也是影響路基凍深、路基填料凍結過程中水分遷移和成冰作用的主要因素；水分是凍脹產生的必要條件，是凍脹變形大小的決定性因素。

研究季節活動層內的分層沉降變形及加速度等動力性能隨季節的發展變化，可揭示重載鐵路路基的病害發展規律。分析季節活動層路基內部水熱變化規律，是解釋其凍脹機理、防治路基凍脹病害的關鍵。鑒于此，確定季凍區重載路基橫斷面監測指標為：路基分層沉降的凍脹變形，路基土體表層的加速度；路基及路基表面不同位置、不同埋深的地溫；路基不同埋深的含水量。

1.1.2 監測范圍確定

季節性凍土地區主要關注季節凍結層范圍內的地溫、含水量變化以及由此產生的變形和凍融不同時期的動力性能變化，因此對于不需要特殊考慮地基監測的路基，監測范圍主要參考歷年監測到的路基最大凍深（或是根據氣溫推測得到的最大凍深），在此基礎上增加一定深度即可。同時，測點應設在數據容易反饋且不影響路基服役的部位。

現場布設測點時期不同，測點布設方案也有所不同。以地溫測試為例：在路基施工期，傳感器可以隨路基填筑分層埋設，橫斷面可水平布設地溫鏈或沉降傳感器［12］，待其埋設完畢并與土接觸緊密穩定后，繼續下一層路基土體填筑碾壓及傳感器埋設；在鐵路運營期，由于路基已被軌道結構及鋼軌覆蓋，需豎向挖孔布設測點，一般可根據工點情況選在2 線間、左右路肩或是兩側坡腳［13］，也有研究者沿邊坡表面鋪設地溫鏈測試邊坡地溫［14］。為對比路基與天然地表的差異，可同時在天然地表挖孔布設地溫及含水量測點。由于天然地表挖孔可監測到天然地溫，因此挖孔深度可比較深。

1.1.3 傳感器選擇

對于埋入路基土體內的傳感器，一旦埋入，需長期甚至永久留置在土體中，因此，傳感器本身、傳感器之間及安裝防護應具有較好的長期可靠性和耐久性，抗干擾能力較強，具有防凍、防潮、防震、防腐等與環境相適應的性能，并且其安裝過程和長期工作期間不能影響路基土體的性能和鐵路運營系統的穩定性。

傳感器型號選擇主要考慮量程和精度。在現場及文獻資料調研的基礎上，與類似工程對比，預先評判路基監測指標的變化范圍，并適當擴大，且在保證精度的前提下選擇。傳感器量程一般應確定為被測物理量預計最大值的1.5～2 倍［15］。量程越大，傳感器靈敏度、準確度及精確度越低。因此，一般情況下，綜合考慮被測對象的測試要求以及經濟技術效益，選擇合適傳感器。

1.2 監測系統構建原則

路基遠程自動監測系統一般需滿足以下幾個方面的原則：

（1）保證數據采集傳輸的準確性；

（2）監測系統要滿足無線傳輸且信號不間斷和自主監測的要求；

（3）監測系統運行功耗低、性能穩定；

（4）造價經濟合理。

對于寒區鐵路路基監測系統構建，由于環境惡劣、氣候嚴寒，需考慮設備及供電裝置對高低溫的適應性及可靠性，確保路基多參量監測系統能夠便捷、準確、高效、可靠運行，能夠獲取翔實可信的監測數據。

2 現場監測方案及實施

監測斷面布設應選在夏季降水量大、冬季氣溫低、晝夜溫差大且病害頻發地段。通過現場調研和資料整理發現，山西省忻州市朔黃鐵路段凍害頻發。其中山西省忻州市神池縣地下水位高，年平均氣溫為6 ℃，冬季最低氣溫可達到-30 ℃，晝夜溫差最大為30 ℃，選取多個斷面進行對比，最終選取1個凍害易發且較為嚴重的典型斷面。此工點為半填半挖，上行為路堤，下行為路塹，路基面寬度為11.1 m，路肩寬度為1.5 m，最冷月份平均氣溫為-7.7 ℃，最大凍深可達到1.1 m，年平均降水量417.1 mm。現場監測工點如圖1所示。

圖1 現場監測斷面

2.1 傳感器精度和量程的確定

通過分析神池縣的當地氣候、凍結深度、路基填挖形式、地下水位深度及路基監測指標等，確定傳感器量程及精度，并選擇了相應型號的傳感器，詳見表1。表中：g為重力加速度。

表1 傳感器統計

2.2 測點布設方案

路基測點布設如圖2 所示。由圖2 可知：凍脹變形測點在路基以下0.5，1.0 和2.5 m 布設，共9個（兩側路肩及線路中心各3個）；地溫測點在下行側路肩路基面以下0.2，1.0，2.0，3.0和4.0 m各設1個，線路中心和上行側在路基面以下0.2，0.5，1.0 和2.5 m 分別布設，共13 個；含水量測點分別在上行路肩及2 線間路基面以下0.5，1.0 和2.5 m各設1個，在下行側路肩路基面以下1.0，2.0，3.0和4.0 m 各設1 個，共10 個；加速度測點2 個，分別布設在上下行線鋼軌正下方路基面以下0.2 m。

圖2 傳感器與凍脹計布設示意圖（單位：m）

2.3 遠程自動監測系統實現

2.3.1 自動監測系統組成

朔黃鐵路路基遠程自動監測系統是1 套由現場監測站和監測中心站組成的數據采集系統，如圖3所示。現場監測站根據設定的采集時間自動采集各種數據，并通過無線網絡（4G）傳輸給監測中心，在中心完成數據的存儲和檢索功能。現場監測站主要由4G 雙卡路由器、開關電源、網絡繼電器、NI-9185 數采儀、網絡串口服務器、熱電阻采集模塊、電流采集模塊、太陽能板、監測傳感器及儀器保護箱等部分組成。

圖3 監測系統組成示意圖

監測系統覆蓋兩側路肩和2 線間斷面的區域范圍，該系統可實現對凍脹變形、地溫、含水量及加速度等傳感信號的采集、處理、運輸和遠程控制。監測中心信息處理過程由數據接收和控制命令發送、數據采集和現場站管理配置、數據存儲等部分組成。監測中心包括收發解析服務器、監測中心數據庫及數據終端。監測中心的硬件環境為1臺安裝SQL Server 數據庫，運行Windows 操作系統并接入互聯網的計算機；考慮到數據安全性，選擇專用的硬件服務器進行收發、解析、存儲數據，而現場站管理和數據分析軟件是整個監測中心的核心軟件，是用戶管理現場監測站并對監測數據進行查詢的終端軟件，它運行于Windows 工作站上，實施對監測系統的配置及狀態管理、傳感器矯正參數設置、監測數據的查詢分析和報表輸出等。

2.3.2 監測系統現場安裝

考慮到設備防護、現場條件等，選取在上行線防護欄外側路肩修筑基座，基座上錨固安裝采集箱的方式。現場監測基站設置在上行側防護欄外側路肩處，對于下行側的傳感器需要通過道砟下穿線管引到監測基站采集箱內。從下行側路肩一直到上行側路肩大約長度15 m 的范圍內，開挖1 條深0.3 m、寬0.5 m 的溝槽，以便埋設傳感器的傳輸線，傳輸線一律采取高強度PVC管保護。

凍脹計、水分及溫度傳感器，在測點位置進行準確測量放樣后，清除路基道砟形成1 m2工作面，下放支護筒，用手持式鉆機進行鉆孔作業。加速度傳感器設計埋設在路基表層0.2 m 處，空間上處于上下行線外側鋼軌的正下方，傳感器提前進行封裝，考慮到埋設位置要扒開鋼軌下道砟，因此加速度傳感器安裝在溝槽開挖過程中進行。

考慮到鐵路沿線供電條件受限制，遠程傳輸采集的電源可采用獨立的太陽能供電系統提供。寧武位于北緯40°，最佳太陽能板安裝角度為35°，為了方便冬季自動除雪、減小冰雹損害，實際安裝角度為60°。安裝功率為200 W，考慮安裝角度損失，實際功率約為180 W。現場拼裝好后埋設在采集站后方，保證太陽能電池板朝向正南。

在各種傳感器埋設過程中，充填材料和充填要求遵循靜力匹配原則。基于現場開挖情況，路基土基本以黃色粉土和紅棕色黏土為主，路基斷面地層剖面圖如圖4所示。挖孔時，將其分層去除，待傳感器安裝就位后，分層將土回填到原來的土層［13］。

圖4 路基斷面地層剖面圖（單位：m）

3 路基現場監測數據分析

2019年8月路基監測系統施工完成，在現場及遠端進行調試。2019年10月開始正式運行，目前系統運行正常。下文主要分析監測系統獲得的20191017—20210714的監測數據。

3.1 地溫

在季凍區一般發生單向凍結雙向融化，各位置地溫時程曲線如圖5所示。

圖5 監測斷面地溫時程曲線

由圖5 可知：靠近地表處溫度變化比較大，且具有一定的波動性，受大氣溫度變化的影響比較明顯。上下行路基部分土體最低溫度達到0 ℃以下，路基發生凍結；2 線間路基土體最低溫度未達到負溫，都在0 ℃以上，可知2線間未發生凍結。

通過對比近10年和近5年氣溫變化（圖6）可知，2019—2021年這2個冬天，尤其是1月和2月，平均氣溫比較高，凍深值整體偏小。

圖6 路基所在地寒季月平均氣溫對比

對比路肩和2 線間分隔地帶，發現上行側路肩受外界環境影響較下行側路肩明顯，上行側路肩地溫振幅和凍深最大，2 線間并未出現凍結，說明該監測斷面存在陰陽坡效應。進一步分析可知，上行側（填方）毗鄰填方邊坡，且與下行側（挖方）相比，周邊環境更為空曠，因此更容易受到外界冷空氣的影響。而2 線間由于被道砟覆蓋，填土密實性相對較好，并且與邊坡相鄰較遠，受外界擾動較小，與外界環境的熱交換緩慢，因此地溫相對最高。

3.2 含水量

在2 個凍融循環周期內，兩側路肩和2 線間不同位置含水量隨時間變化曲線如圖7 所示。圖中：2 線間路基面以下1.0 m 位置的含水量部分數據丟失。

由圖7 可知：在凍融循環周期內，上行側和下行側距路基頂面0.5 和1.0 m 處，水分變化波動較大；冬季隨著凍結鋒面下移，凍結區內含水量從11月下旬開始降低，2月含水量降到最低，凍結區下方2.5 m 位置含水量逐漸降低；春季隨著氣溫回升，路基凍土和地表積雪融化，在水的重力作用下，水分向下移動，在距路基面0.5 和1.0 m 處，含水量也逐漸增加，距路基面2.5 和3.0 m 處，土體含水量基本不變；從7月至9月，監測范圍內不同深度的含水量呈現較大幅度的增加趨勢。

圖7 路基不同位置含水量時程變化

3.3 凍脹變形

以0 ℃作為土體凍結溫度，采用線性內插法計算兩側路肩的凍結深度。上行側路肩2 個凍融循環周期內不同位置的凍脹變形與凍深變化過程如圖8所示。圖中：日平均氣溫=（當日最高氣溫+當日最低氣溫）/2。下行側路肩及2 線間不同位置的凍脹變形如圖9所示。

圖8 上行側路肩路基凍脹變形與凍深時程變化

由圖8和圖9，并結合圖5和圖7可以得出以下結論。

圖9 下行側路肩及2線間路基凍脹變形時程變化

（1）凍脹發生的時間在歷年11月下旬，路基凍脹過程發展緩慢，不同位置凍脹速度和凍脹量的大小也不同；最大凍脹變形量為19.78 mm，出現在上行側路肩。

（2）以上行側路肩為例分析凍脹變形隨凍深發展的變化：隨著大氣溫度降到0 ℃以下，路基開始凍結，凍結區未凍水減少，下部水分向上積聚，凍脹變形首先出現波動然后迅速增大；而后至1月中旬左右，凍結區未凍水及下部水分遷移基本停止，凍脹穩定，直至2月中旬；春季大氣溫度升至0 ℃以上，2月下旬或3月初路基出現自上而下和自下而上的雙向融化，3月中旬左右融化基本完成；融沉壓縮變形略滯后于路基土體融化過程，3月下旬或4月初開始水分迅速增加，而后在14 d左右迅速發展，凍脹變形回落完成。

（3）分層凍脹變形分析可知，路基的凍脹融沉變形主要是由0～0.5 m 內凍結土體貢獻的；凍結土體可引起0.5～1.0 m 土體產生一定程度的壓縮變形（圖8（b））；1.0～2.5 m 范圍內土體基本不受季節性凍融影響。

3.4 加速度

以C80型2 萬t重載列車滿載經過上行側時的加速度為例，分析非凍結期和凍結期（2020年1月8日，凍脹變形19.58 mm，凍深0.34 m）上行側路基面下方的加速度時程變化，結果如圖10所示。

由圖10 可知：C80型2 萬t 重載列車滿載經過時，在非凍結期和凍結期加速度最大值（取5個加速度最大值的平均值）分別為0.558 和0.745 m·s-2；由于凍結期路基部分凍脹，不均勻變形增加，軌道不平順加劇，路基剛度增大，重載列車通過時，線路與列車的相互作用和振動加劇，路基振動響應增加。

圖10 不同時期振動加速度時程變化

3.5 討論

上行側路肩、邊坡土體外露天然地表，下行側路肩被道砟覆蓋，且下行側邊坡修筑砌體防護坡面，兩側熱交換過程存在差異。監測數據顯示凍結期路基面以下1.0 m 范圍內，上行側平均含水量為21.5%、下行側平均為14.5%，上行側含水量明顯大于下行側。在干密度一定的情況下，土體含水量越大，凍結時釋放熱量越大，延緩凍結鋒面向下推進進程；但含水量越大，導熱越快，將加速凍結鋒面向下推進。熱交換與含水量相互制約，二者的差異共同導致上行路堤側最大凍結深度大于下行路塹側，并且凍脹量也存在比較明顯的差異。

從含水量的季節變化看，由于路基表層凍結，冬季凍深范圍內水分明顯減小，夏季水分增加明顯，可以推知路基水分的補給主要來自大氣降水。上行側路肩距路基頂面2.5 m 處水分變化波動平緩，變化幅值小，說明此位置水分基本不受大氣降水及凍融周期的影響，同時也說明地下水對土體含水量的影響較小。路基的凍脹融沉變形是在大氣溫度的驅動下，土體降溫導致水分相變及重分布引起的。因此，此段路基的防護及整改措施應主要從大氣降水的防排疏堵及保溫等方面著手減少凍深。

朔黃鐵路路基在凍融循環期間的變化規律，與季凍區的高速鐵路路基盡管土質不同，但變形存在一定的相似性［16-17］。同時，需注意到，由于地溫的橫向差異，路基橫斷面存在不均勻的凍脹變形。從監測結果看，不同時期路基加速度能夠一定程度反映出路基剛度及不均勻變形的影響，可作為檢測路基動力性能變化的手段。

在本文分析的2 個監測期，大氣溫度并未降至往年最低溫度平均值，凍結深度較淺，對凍脹分析存在一定影響。后期需要進行多個凍融循環的監測，才能更好地掌握路基凍脹病害的產生機制。

4 結 論

（1）季凍區重載鐵路路基遠程監測系統由現場監測站和監測中心構成，能夠實現動態和靜態采集2 種模式，并且實現了對季凍區重載鐵路路基地溫、含水量、凍脹變形及加速度的長期、全面、連續采集和不間斷的遠程傳輸。

（2）上行側路肩受外界環境影響較下行側路肩明顯，上行側路肩地溫振幅、凍深和凍脹融沉變形最大，2 線間并未出現凍結，監測斷面存在陰陽坡效應。

（3）隨著大氣溫度降低，路基土體溫度降至0 ℃以下時，凍結區未凍水含量下降，凍結鋒面以下水分向上補充遷移，進而引起凍脹變形迅速增大，水分變化穩定對應凍脹變形穩定階段。春融期，水分融化，含水量上升，隨后路基土體出現快速的融沉壓縮變形。大氣溫度引起路基土體的水熱變化是路基凍脹融沉變形發生的直接原因。

（4）路基淺層土體水分在雨季增加明顯，下層土體含水量變化相對較平緩。路基土體水分補給主要來源于夏季大氣降水。

（5）冬季凍結期，路基振動加速度增大，路基土體水分凍結引起的剛度和不均勻變形增大導致路基振動響應加劇。加速度測試可作為路基動力性能檢測的手段。