哈大高速鐵路路基凍脹自動觀測和深化分析研究

田士軍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 西安 710043)

哈大高速鐵路路基凍脹自動觀測和深化分析研究

田士軍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 西安 710043)

哈大高速鐵路通車后，路基凍脹變形控制是其一項重要任務，為查明路基凍脹機理，探索適用的凍脹處理措施，對路基凍脹進行自動觀測和深化分析研究。采用自動觀測系統(tǒng)，對路肩以下5 m范圍內路基的地溫、水分、凍脹變形等進行觀測，對觀測結果進行統(tǒng)計分析和深化研究，研究結果表明：路基凍脹可分為5個階段，凍深介于100～300 cm，基本上隨著緯度的增大而增大；基床表層凍脹量占總凍脹量的40%～94%；融沉變形穩(wěn)定后，存在4 mm以內的殘余變形；路堤與路塹的凍脹發(fā)展過程極為接近，但路堤的凍深一般大于路塹，路堤的凍脹量一般略大于路塹。

哈大高速鐵路；路基凍脹；自動觀測

1 概述

哈爾濱至大連高速鐵路縱貫我國季節(jié)性凍土廣泛分布的東北地區(qū)，線路全長903 km，其中路基長231.245 km。哈大高速鐵路沿線氣候寒冷，極端最低溫度-39.9 ℃，最大積雪厚度30 cm，最大土壤凍結深度在93～205 cm，土壤每年從10月開始凍結，次年4～5月全部融化，凍結時間長達5～6個月。

哈大高速鐵路為設計最高時速350 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]。路基工程采取了設置防凍層、封閉層、隔斷層、防凍脹護道和加強排水系統(tǒng)等防凍脹措施。

哈大高速鐵路2007年8月開工建設，2012年2月線下工程基本完工。在建設之初取得的系列有關路基凍脹防治方面的研究成果[3-8]，對指導哈大高速鐵路路基防凍脹設計及施工起到了積極的作用，但同時也存在一定的局限性。2012年3月，通過對路基段軌面高程進行復測發(fā)現，由于路基局部凍脹引起軌面出現不同程度抬高，最大抬高量超過20 mm，造成部分地段路基軌面不平順[9]。根據各段凍脹具體情況，分別采取了一系列整治措施進行處理[10]。2012年底哈大高速鐵路建成并開通運營。

對于投入運營后的哈大高速鐵路，如何將凍脹變形控制在無砟軌道允許的標準范圍之內，是其面臨的一項重要任務。因此，在現有凍脹研究成果的基礎上[11-12]，根據哈大高速鐵路路基工程的現狀，對路基凍脹開展了長期自動觀測和深化分析研究工作，分析哈大高速鐵路路基凍脹機理及填料的凍脹特性，探索研究適用的凍脹處理方案，保證高速鐵路運營安全。

2 自動觀測系統(tǒng)

自動觀測系統(tǒng)主要由各種傳感器、數據采集、數據傳輸和供電控制系統(tǒng)等組成。

2.1 溫度傳感器

采用專門針對凍土溫度變化及分布狀況觀測設計的溫度測繩，便于通過鉆孔布設來觀測路基深度方向的溫度剖面及其隨時間變化的規(guī)律，該設備測量精度高，長期穩(wěn)定性好，能滿足哈大高速鐵路路基溫度變化觀測的需要。

2.2 水分傳感器

采用測量土壤容積含水率的TDR-3型土壤濕度傳感器。

2.3 凍脹計

采用YH40110(量程100 mm)型高精度凍脹計，精度1 mm，使用環(huán)境溫度為-40～+80 ℃。

2.4 數據采集和傳輸系統(tǒng)

現場數據的采集、存儲系統(tǒng)采用電阻和電流采集儀，內置數據存儲芯片可以存儲1 600條數據，可實時自動進行溫度補償。數據傳輸系統(tǒng)采用無線傳輸模塊，以GPRS方式進行數據傳輸。

2.5 供電控制系統(tǒng)

供電系統(tǒng)由太陽電池板、充電控制器和蓄電池組成，供電系統(tǒng)工作環(huán)境溫度-40～+85 ℃。

2.6 觀測斷面

根據自動觀測需要，哈大高速鐵路沿線共設置了42個觀測斷面，分布在全線13個區(qū)間段，涵蓋了哈大高速鐵路沿線所有氣候特征地區(qū)。各觀測斷面在路肩鉆孔，分別在路肩以下0.5 m、1.5 m、2.7 m處布設溫度、水分傳感器和凍脹計等觀測設備，在軌道外合適位置安裝數據采集和傳輸設備。自動觀測系統(tǒng)布設如圖1所示。

圖1 自動觀測系統(tǒng)布設示意

3 自動觀測內容和方法

采用自動觀測系統(tǒng)，對哈大高速鐵路路肩以下5 m范圍內路基的地溫、水分、凍脹變形等進行自動實時觀測，并通過傳輸系統(tǒng)將觀測數據傳輸至數據處理終端。

根據觀測及研究需要，按照各個季節(jié)的氣溫情況，凍脹期間每天在氣溫最高(約下午2點)和最低時(約清晨5點)分別觀測1次，其他時期每2 d在氣溫最低時(約清晨5點)觀測1次。

4 自動觀測結果統(tǒng)計分析

4.1 凍脹變形統(tǒng)計分析

在42個路基自動觀測斷面中，凍脹變形≤10 mm的斷面占總數的38%，10～20 mm的斷面占總數的43%，20～30 mm的斷面占總數的12%，>30 mm的斷面占總數的7%。

4.2 凍深統(tǒng)計分析

自11月中旬開始，全線路基開始逐漸凍結變形，凍深隨著時間的推移不斷增大，全線最大凍深在100～300 cm，基本上隨著里程(緯度)的增大而增大，可近似用線性關系表示，見圖2。

圖2 最大凍深沿里程變化情況

4.3 基床不同部位凍脹變形分析

路基凍脹可以分為級配碎石層凍脹和路基本體凍脹，級配碎石層凍脹量占總凍脹量的40%～94%，大部分斷面基床表層的凍脹比例較大。這是由于路基基床表層底部設置有兩布一膜隔水層，凍融季節(jié)表水在此匯集后不能有效向外排出，基床表層的級配碎石發(fā)生較強烈凍脹，導致路基變形，受不同的地質、水文和填料條件影響，其凍脹量比值存在一定波動。

4.4 殘余變形分析

對各斷面的殘余變形進行統(tǒng)計，全線的殘余變形均小于4 mm，其中：殘余變形≤1 mm的占42%，1～2 mm的占15%，2～3 mm占25%，3～4 mm占18%。這說明高壓密填料發(fā)生凍融后，不能夠完全恢復原始變形，產生了松脹現象。

5 路基凍脹深化分析研究

5.1 路基凍結深度隨氣溫條件的發(fā)展過程

根據氣象部門資料，2012年10月15日到2012年11月15日哈大高速鐵路沿線氣溫在零度上下波動；從2012年11月17日起氣溫持續(xù)下降，并于2012年12月下旬達到最低，直到2013年1月27日，氣溫一直保持低值，此期間最低氣溫記錄值為-35 ℃；而在2013年1月底，氣溫突然升高，日最高氣溫達到0 ℃以上，之后氣溫又迅速回落。從2013年2月8日至2013年5月31日，氣溫表現為有波動地持續(xù)升高。氣溫變化情況以四平市為例，詳見圖3。

圖3 四平市最高、最低氣溫變化情況

以K1084+358左側路肩處觀測點為例，分析實測凍結深度隨時間變化的規(guī)律。在2012年11月17日之前，由于氣溫在零度上下波動，出現了反復的凍結-融解現象，見圖4。從2012年11月17日至2013年1月27日，由于氣溫持續(xù)較低，路基凍結深度發(fā)展較快，凍結深度在2012年12月16日(此時凍深為1.1m)前基本上是以每天3.4 cm的速率隨時間線性增大，從2012年12月17日到2013年1月底，以每天2.20 cm的速率隨時間線性增大。2月1日以后，凍深以每天0.8 cm的速率繼續(xù)增大，直到2013年3月13日達到最大值241 cm。此時日最高氣溫已經達到零度以上，然后隨著氣溫的升高，凍深開始逐漸減小，同時，表層開始向下融解，在3月份到4月4日，由于氣溫的反復，表層出現了反復凍結-融解的現象，而在4月4日后，由于氣溫的進一步上升，表層融解以每天4.9 cm的速率快速發(fā)展，表層穩(wěn)定融解速率為淺層凍深發(fā)展速率的1.5倍。到5月8日，凍層消失。

圖4 K1084+358左側路肩觀測點凍深、融深、氣溫隨時間變化情況

根據各觀測斷面的最大凍深值及達到日期，總體上來看，緯度越大，達到最大凍深的時間越晚，且最大凍深越大，融透的時間也越晚。路堤觀測點的最大凍深基本上都大于相近的路塹觀測點的最大凍深。最大凍深值隨里程的變化情況見圖5。

圖5 最大凍深值隨里程的變化情況

總之，凍深發(fā)展速率主要受外界氣溫控制，當氣溫在零度上下波動時，凍深會隨之表現為反復出現-消失的過程。當氣溫保持在零度以下，穩(wěn)定下降和之后的保持低溫的時段內，凍深持續(xù)增長，基本可以分為兩個線性發(fā)展階段，當凍深小于1 m時，凍深增長較快，而當凍深超過1 m后，其發(fā)展速率變慢。隨后，當溫度開始明顯的上升后，凍深以漸減的速率緩慢發(fā)展，并基本在氣溫達到零度以上時達到最大凍深，之后開始緩慢減小。與此同時，表層開始融解，在融解初期，由于氣溫的反復，會出現融解-凍結反復的現象，隨著氣溫的進一步升高，表現為從上向下穩(wěn)定融解，此時的融解速率明顯大于凍結初期的凍深發(fā)展速率，直到融解線與凍深線重合，路基凍結層消失。

5.2 凍脹變形發(fā)展變化過程

對比各觀測點的凍深和凍脹量隨時間發(fā)展規(guī)律，雖然各斷面的凍脹量值差別較大，但其隨時間發(fā)展的規(guī)律卻是基本一致的。以K902+452觀測點為例，其凍脹計觀測到的凍脹量隨時間變化的規(guī)律如圖6所示。

圖6 K902+452觀測點凍深、凍脹量隨時間變化規(guī)律

所有觀測點的凍脹變形隨時間發(fā)展的規(guī)律有一個共同的特點，即：在開始凍結的1周內凍脹發(fā)展非常迅速，之后凍脹量發(fā)展速率顯著減小，或凍脹量保持恒定、不再繼續(xù)增大。而當凍深超過一定界限，也就是地下水能補給到凍結峰面后，凍脹量將重新開始發(fā)展。在春季，氣溫升高時一般不是穩(wěn)定的上升，而是經常劇烈反復，由于路基淺層在外界氣溫的影響下反復凍融，而淺層的凍脹量又對總凍脹量的貢獻較大，所以凍脹量表現為劇烈而不規(guī)則的變化，在此期間發(fā)生劇烈凍結時，特別是有外界水分供給的條件下，將會發(fā)生新的凍脹量增大。當路基完全解凍后，部分路基經過凍結作用的影響，將會殘留一定的變形量，這反映了凍結作用對路基填料密實度的影響。

5.3 融沉變形發(fā)展變化過程

在凍深達到最大值時，日最高氣溫也對應地達到零度以上，然后隨著氣溫的升高，凍深開始逐漸減小，同時，表層開始向下融解，觀測到的變形開始減小。此時由于氣溫的反復，表層會出現反復凍結-融解的現象，這一時期的變形有3個顯著特點：一是對應于劇烈的反復融解-凍結現象，會出現凍脹變形短期劇烈發(fā)展的現象；二是部分斷面會出現明顯大于凍結期凍脹量的瞬時凍脹量；三是在融解期劇烈變形時期，不同測量范圍3個凍脹計的變化趨勢和幅度近似相同，說明融解期由于反復凍融而發(fā)生的凍脹量劇烈變化和增加主要是發(fā)生在路基表層。

5.4 基床不同部位凍脹變形分析

根據各觀測點0.5 m、1.5 m和2.7 m三個凍脹計的觀測結果，可以計算得到路基填料各層在路基總凍脹量中所占的比例。0.4 m基床表層級配碎石層中發(fā)生的凍脹量一般超過該點總凍脹量的50%，其中8個觀測點0.4 m厚基床表層級配碎石層中發(fā)生的凍脹量甚至超過了相應點總凍脹量的80%。把沿線15個觀測斷面各層填料對總凍脹量的貢獻的百分數取平均，則0.4 m基床表層級配碎石層中發(fā)生的凍脹量占總凍脹量的73.5%，1.0 m厚防凍層中的凍脹量占19.2%，而其下1.3 m范圍各土層只占7.3%。

6 結語

利用自動觀測系統(tǒng)，對哈大高速鐵路2012～2013年冬季路基凍脹進行實時觀測，對觀測數據進行統(tǒng)計分析和深化研究，分析總結了哈大高速鐵路路基凍脹特點和發(fā)展變化規(guī)律，為哈大高速鐵路的維護整治提供理論和技術支持，主要研究成果及結論如下。

(1)路基凍脹可分為初始波動、快速發(fā)展、低速穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展、波動融沉、融沉穩(wěn)定5個發(fā)展變化階段。

(2)路基凍脹可分為基床表層凍脹和路基本體凍脹，基床表層凍脹量占總凍脹量的40%～94%。

(3)全線凍深介于100～300 cm，基本上隨著緯度的增大而增大。

(4)融沉變形穩(wěn)定后，存在4 mm以內的部分殘余變形。

(5)路堤與路塹的凍脹發(fā)展過程極為接近，但路堤的凍深一般大于路塹，路堤的凍脹量一般略大于路塹。

[1] 余雷.哈大客專路基凍脹變形的觀測與分析[J].路基工程，2013(3):54-58.

[2] 中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009 高速鐵路設計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2009．

[3] 屈振學.季節(jié)性凍土區(qū)鐵路客運專線路基的凍脹特性分析與措施[J]. 鐵道標準設計，2009(12):12-15．

[4] 羅承平，湯赫，宋林.嚴寒地區(qū)高速鐵路路基級配碎石凍脹試驗研究[J].公路交通科技，2013(6):245-247．

[5] 趙成江，王曉榮，夏瓊，金增芳.不同含泥量與含水率下鐵路板結道床的凍脹特性[J].鐵道工程學報，2011(9):36-39．

[6] 羅小剛，陳湘生，吳成義.凍融對土工參數影響的試驗研究[J].建井技術，2000(2):24-26．

[7] 高明星，李小豐，劉文俊，靳建國，王振勇，丁玉新.壓實度和含水率對凍土性質的影響[J].內蒙古農業(yè)大學學報，2012(3):186-189．

[8] 王書娟，陳志國，秦衛(wèi)軍，于麗梅.季節(jié)性冰凍地區(qū)路基凍脹機理分析[J].公路交通科技：應用技術版，2012(7):24-28．

[9] 張先軍.哈大高速鐵路路基凍脹規(guī)律及影響因素分析[J].鐵道標準設計，2013(7):11-15．

[10] 江濤.季節(jié)性凍土路基的凍脹機理及其防治措施[J].土木基礎，2013(2):97-100．

[11] 鐘敏輝，王少斌.季節(jié)性凍土路基凍脹性分析及治理措施[J].鐵道建筑，2009(4):99-101．

[12] 杜兆成，張喜發(fā)，辛德剛，張冬青.季節(jié)凍土區(qū)高速公路路基凍脹試驗觀測研究[J].公路，2004(1):140-145．

Automatic Observation and Intensive Analysis of Frost Heaving of Harbin-Dalian High-speed Railway Subgrade

Tian Shijun

(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd， Xi’an 710043， China)

After Harbin-Dalian high-speed railway was opened to traffic， the control of subgrade frost-heaving deformation becomes one of the important tasks. Automatic observation and intensive analysis on frost heaving of the subgrade are conducted to ascertain the frost-heaving mechanism and explore applicable treatment measures. Automatic observation system is adopted to observe the temperature， moisture and frost-heaving deformation of subgrade within 5 meters under the shoulder. This article statistically analyzes and studies in detail the observation data. The results show that: subgrade frost heaving can be divided into five stages; frost-heaving deformation increases along with the rising of latitude at the freezing depth between 100～300 cm; frost heaving of surface layer accounts for 40% to 94% of the total amount; the residual deformation is less than 4mm after thawing settlement deformation becomes stable; development processes of frost-heaving in embankment and cutting are very similar， but the deformation and frozen depth in embankment is generally greater than that in cutting．

Harbin-Dalian high-speed railway; Frost heaving of subgrade; Automatic observation

2014-02-18；

：2014-03-01

田士軍(1976—)，男，高級工程師，2001年畢業(yè)于蘭州鐵道學院鐵道工程專業(yè)，工學學士，E-mail：23776692@qq.com。

1004-2954(2014)11-0007-04

U238； U213.1+4

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.002