寒冷地區(qū)客運(yùn)專線路基凍脹變形觀測(cè)方案研究

夏 健

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

1 路基凍脹產(chǎn)生的機(jī)理及危害

寒冷地區(qū)路基凍脹主要原因?yàn)槁坊倔w或地下水在冬季受低溫影響，溫度較高的水通過土體的孔隙向溫度較低的土層方向轉(zhuǎn)移、聚集，在溫差聚水作用下，水分迅速聚集并逐漸形成聚冰層。路基表層水分不斷增加，結(jié)冰后土體膨脹增大，形成路基凍脹。

客運(yùn)專線列車行車速度高，對(duì)線路平順性、旅客舒適度等要求高。路基本體不均勻凍脹后引起軌道幾何形態(tài)指標(biāo)超限，影響旅客乘坐舒適度，極端情況下危及行車安全。

2 路基凍脹變形觀測(cè)實(shí)施的意義

寒冷地區(qū)客運(yùn)專線路基防凍脹設(shè)計(jì)主要從控制路基基床填料細(xì)顆粒含量、地表水封水、地下水處理等三方面進(jìn)行。為評(píng)估氣溫、路基填料含水量對(duì)路基凍脹的影響，了解路基本體內(nèi)水分的遷移、不同深度范圍土體凍脹的過程和凍脹量，從而為東北地區(qū)客運(yùn)專線路基防凍脹設(shè)計(jì)提供詳實(shí)的基礎(chǔ)資料，迫切需要對(duì)路基凍脹變形的機(jī)理、過程進(jìn)行全面、系統(tǒng)的觀測(cè)。

3 路基凍脹變形觀測(cè)實(shí)施方案研究

3．1 項(xiàng)目概況

盤錦至營(yíng)口鐵路客運(yùn)專線地處遼寧省西部，起自秦沈客專盤錦北站，止于哈大客專下夾河線路所，線路全長(zhǎng)89．314 km，設(shè)計(jì)時(shí)速350 km，采用我國(guó)自主研發(fā)的Ⅲ型板式無砟軌道。沿線主要城市的主要?dú)庀笠厝绫?所示。

表1 沿線主要城市的主要?dú)庀笠乇?/p>

3．2 凍脹變形觀測(cè)方案

3．2．1 自動(dòng)觀測(cè)

自動(dòng)觀測(cè)主要包括地溫觀測(cè)、含水量觀測(cè)、凍脹變形觀測(cè)。均采用自動(dòng)觀測(cè)，該方法能夠全天候、實(shí)時(shí)、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)及報(bào)警，能夠遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)處理。1)地溫監(jiān)測(cè)。無砟軌道底座板邊緣地溫元件自路基級(jí)配碎石頂面以下0．2 m垂直向下布設(shè)至兩倍最大凍結(jié)深度處;路基護(hù)肩下地溫元件自護(hù)肩底面以下0．2 m垂直向下布設(shè)至兩倍最大凍結(jié)深度處;路基坡腳處設(shè)一處地溫觀測(cè)點(diǎn)，與路基本體范圍內(nèi)測(cè)試數(shù)據(jù)相比較。2)含水量監(jiān)測(cè)。無砟軌道底座板邊緣含水量元件自路基級(jí)配碎石頂面以下0．2 m垂直向下布設(shè)。路基護(hù)肩下含水量元件自護(hù)肩底面以下0．2 m垂直向下布設(shè)。3)凍脹變形觀測(cè)。凍脹變形觀測(cè)分定點(diǎn)凍脹變形觀測(cè)和縱向連續(xù)凍脹變形觀測(cè)兩部分。a．定點(diǎn)凍脹變形監(jiān)測(cè)。無砟軌道底座板邊緣凍脹計(jì)自路基級(jí)配碎石頂面以下0．2 m布設(shè)。錨頭埋深:一般路堤地段2 m，低路堤地段混凝土板頂面深度。b．縱向連續(xù)凍脹變形監(jiān)測(cè)。在不同換填深度及路涵過渡段上布設(shè)連續(xù)位移元件，監(jiān)測(cè)路基面的凍脹變形。上述自動(dòng)觀測(cè)方案中觀測(cè)元器件埋設(shè)方法見圖1。4)自動(dòng)變形觀測(cè)元器件主要性能指標(biāo)。經(jīng)過對(duì)國(guó)內(nèi)外儀器設(shè)備公司進(jìn)行的大量調(diào)研工作，通過指標(biāo)性能、技術(shù)參數(shù)以及技術(shù)服務(wù)等方面的調(diào)研分析對(duì)比，結(jié)合以往科研試驗(yàn)采用的傳感器情況，本項(xiàng)目試驗(yàn)傳感器主要技術(shù)指標(biāo)如下:a．地溫傳感器:精度:0．01度;測(cè)量范圍:－40℃～+60℃。b．含水量傳感器:土壤容積含水量0%～100%;電導(dǎo)率(ECb)0～1 200;溫度－40℃～+60℃。c．凍脹計(jì):量程100 mm，分辨率0．01 mm。5)自動(dòng)變形觀測(cè)元器件埋設(shè)。為防止傳感器在施工過程中被破壞，無砟軌道底座邊緣下的元器件在鋪設(shè)表層封堵材料前，在相應(yīng)位置鉆孔成φ100 mm的孔，將傳感器置于孔中，用與路基填筑相同的土回填并采用穿心錘夯實(shí)，做好導(dǎo)線的保護(hù)工作;在護(hù)肩相應(yīng)位置設(shè)置鉆孔平臺(tái)，鉆孔成φ100 mm的孔，將傳感器置于孔中，回填夯實(shí)，并做好護(hù)肩與邊坡的恢復(fù)工作。6)自動(dòng)變形觀測(cè)數(shù)據(jù)采集、傳輸。遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理三大子系統(tǒng)組成，如圖2所示。

圖1 一般路堤斷面元器件布置圖

圖2 遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3．2．2 人工觀測(cè)

1)觀測(cè)方案。人工觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)利用線路上鋪設(shè)的CPⅢ點(diǎn)。無砟軌道地段每個(gè)觀測(cè)斷面布設(shè)4個(gè)凍脹觀測(cè)點(diǎn)，分別位于軌道底座板左右肩上。

2)觀測(cè)精度。沉降變形測(cè)量按變形測(cè)量三等規(guī)定執(zhí)行，主要變形測(cè)量等級(jí)及精度如表2，表3所示。

表2 變形測(cè)量等級(jí)及精度要求 mm

表3 測(cè)網(wǎng)主要技術(shù)要求 mm

3．3 凍脹變形觀測(cè)實(shí)施方案

1)自動(dòng)觀測(cè)。所有元器件埋設(shè)后必須至少測(cè)試5次初始讀數(shù)，剔除異常讀數(shù)后作為初始讀數(shù)。各測(cè)試項(xiàng)目的觀測(cè)頻率如下:2012年6月～9月:1次/d;2012年10月～2013年5月:12次/d。特殊情況下加大觀測(cè)頻率。連續(xù)長(zhǎng)期觀測(cè)時(shí)間不少于3年。

2)人工觀測(cè)。結(jié)合本項(xiàng)目沿線歷年氣象資料及每次觀測(cè)所需的時(shí)間，人工觀測(cè)時(shí)間計(jì)劃如下:第一次:2012年11月5日～2012年11月12日;第二次:2012年12月5日～2012年12月10日;第三次:2013年1月18日～2013年1月23日;第四次:2013年3月1日～2013年3月5日;第五次:2013年3月25日～2013年3月30日;第六次:2013年4月20日～2013年4月25日。

4 結(jié)語

本項(xiàng)目第一年路基凍脹變形自動(dòng)觀測(cè)及人工觀測(cè)均已全部完成，積累了大量的第一手測(cè)量數(shù)據(jù)，目前正在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及整理。為日后寒冷地區(qū)客運(yùn)專線路基凍脹變形整治方案的確定提供了詳實(shí)的基礎(chǔ)依據(jù)，為客運(yùn)專線安全、可靠運(yùn)營(yíng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］TB 10621-2009/J 971-2009，高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)［S］．

［2］TB 10035-2006/J 158-2006，鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［3］趙潤(rùn)濤．客運(yùn)專線路基工程的防凍脹處理措施［J］．鐵道勘察，2011(11):28-30．

［4］陳肖柏．土的凍結(jié)作用與地基［M］．北京:科學(xué)出版社，2006．

［5］鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司．新建盤錦至營(yíng)口鐵路客運(yùn)專線可行性研究報(bào)告［R］．

［6］鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司．新建盤錦至營(yíng)口鐵路客運(yùn)專線路基防凍脹補(bǔ)強(qiáng)Ⅰ類變更設(shè)計(jì)文件［R］．