高速鐵路路基凍脹綜合監(jiān)測體系研究

孫英潮，閆宏業(yè)，蔡德鉤，陳鋒，姚建平

(1.哈齊鐵路客運專線有限責任公司，黑龍江哈爾濱150090;2.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

高速鐵路路基凍脹綜合監(jiān)測體系研究

孫英潮1，閆宏業(yè)2，蔡德鉤2，陳鋒2，姚建平2

(1.哈齊鐵路客運專線有限責任公司，黑龍江哈爾濱150090;2.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

闡述了人工水準觀測、自動監(jiān)測(凍脹、凍深、水分)、軌道動態(tài)檢測、軌道狀態(tài)檢查等方式應用于高速鐵路路基凍脹監(jiān)測的功能定位、儀器設備要求、測試要點及數(shù)據處理要求。針對高速鐵路路基凍脹綜合監(jiān)測體系總體要求，探討了高速鐵路建設與運營各階段不同監(jiān)測方式的相互關系。高速鐵路路基凍脹綜合監(jiān)測體系的建立為高速鐵路建設期間的動態(tài)設計及安全運營提供了技術保障。

高速鐵路 路基凍脹 綜合監(jiān)測 自動監(jiān)測 人工觀測 軌道檢測

1 概述

中國正在東北和西北地區(qū)展開大規(guī)模的高速鐵路建設。截至2015年3月，東北地區(qū)已投入運營的高速鐵路超過1 000 km，在建超過2 000 km;西北地區(qū)投入運營的高速鐵路近3 000 km。擬修建的北京到莫斯科的歐亞高速運輸走廊，全長將超過7 000 km。這些高速鐵路穿越了凍土廣泛分布的高寒地區(qū)，面臨著路基凍脹問題。

高速鐵路對路基變形要求極高，凍脹會導致線路平順性降低。對于上述地區(qū)的高速鐵路，路基凍脹的綜合監(jiān)測至關重要。建設期間通過凍脹監(jiān)測可發(fā)現(xiàn)設計或施工質量問題以便及時變更設計或加以整治，使路基狀態(tài)滿足抗凍脹的要求，一般采用人工水準觀測和自動監(jiān)測［1-3］。運營期間通過監(jiān)測可發(fā)現(xiàn)凍害地段沿線路的分布，掌握凍脹發(fā)展與軌道平順性之間的關系，對凍害進行預判，為線路的養(yǎng)護提供依據，一般采用軌道動態(tài)檢測和人工水準測量［4］。

自2012年高寒地區(qū)第一條高速鐵路——哈大高速鐵路運營以來，我國在路基凍脹監(jiān)測和檢測方面取得了一系列研究成果，已經形成了基于人工水準觀測、自動監(jiān)測、軌道動態(tài)檢測等多種方式相結合的綜合監(jiān)測體系。本文對近3年的實踐成果進行梳理，探討人工水準觀測、自動監(jiān)測、軌道動態(tài)檢測、軌道狀態(tài)檢查等方式應用于高速鐵路路基凍脹監(jiān)測的功能定位、儀器設備要求、測試要點及數(shù)據處理要求等，為我國乃至世界高寒地區(qū)高速鐵路建設及運營期間的凍脹監(jiān)測提供參考。

2 高速鐵路路基凍脹綜合監(jiān)測體系

2.1 人工水準觀測

水準測量是用水準儀和水準尺測定測點不同時間的高差，適用于鐵路路基表面、道床面和軌面凍脹變形監(jiān)測。

2.1.1 儀器設備要求

東北地區(qū)高速鐵路處于嚴寒地區(qū)，冬季夜晚最冷時溫度一般在－20℃以下，而電子水準儀工作溫度一般在－20℃～+50℃。因此，在這種條件下必須對儀器采取保暖措施，以保證儀器的正常使用。常用的方法是對電子水準儀采用電熱毯進行加熱，同時必須配備發(fā)電機。

2.1.2 測試要點

1)監(jiān)測網宜采用與高速鐵路高程控制網一致的高程系統(tǒng)和精度等級，監(jiān)測基準網應布設成閉合環(huán)狀或環(huán)形網等形式。水準基點應埋設在所監(jiān)測的凍脹變形區(qū)以外的穩(wěn)固基巖上，亦可利用穩(wěn)固的建筑物或構筑物設立墻上水準點。高速鐵路路基凍脹變形監(jiān)測應按三等水準測量精度要求進行施測，變形監(jiān)測網可采用獨立坐標和高程系統(tǒng)，按工程需要的精度等級建立，并與施工控制網聯(lián)測。

2)變形監(jiān)測點分為基準點、工作基點和凍脹變形觀測點。每個獨立的監(jiān)測網應設置不少于3個穩(wěn)固可靠的基準點，且基準點的間距不宜大于1 km，基準點可使用全線穩(wěn)固的基巖點、深埋水準點、CPⅠ，CPⅡ和二等水準點。

3)路基表面監(jiān)測點宜根據工程建設或運營的需要，在兩側路肩、上下行底座板邊緣、凸臺、路基中心等位置布設凍脹變形觀測點。如無特殊需要，鋪軌前可僅在路基表面上下行中心、路基中心設置監(jiān)測點，鋪軌后無砟軌道路基可只在上下行凸臺及路基中心位置進行設置，對于有砟軌道可僅在兩側路肩和路基中心設置監(jiān)測點。

4)路基表面凍脹變形監(jiān)測應根據當?shù)貧庀髼l件，在臨近地層凍結之前開展監(jiān)測工作，獲取首期觀測值。凍脹變形監(jiān)測頻率應根據當?shù)貧夂驐l件與凍脹變形速率進行設計，在能夠系統(tǒng)地反映凍脹變形過程的前提下盡量減少監(jiān)測工作量。在凍脹監(jiān)測實施過程中，監(jiān)測時間間隔應根據凍脹變形值和凍脹速率作出調整。當出現(xiàn)凍脹變形值突變、地下水位變化及降雨等外部環(huán)境變化時應增加觀測頻次。

5)建設期間應對全線路基地段凍脹展開水準監(jiān)測。第一個冬季，在高速鐵路路基起凍之前一個月，水準觀測不少于1次;凍脹發(fā)展階段，水準觀測至少1次/月;融化前隙，觀測不少于1次;路基融透后，不少于1次。第一個冬季之后，凍脹發(fā)展階段可不用觀測。運營期間，應依據軌道平順性和線路維護整治的要求，結合軌道檢測、水準觀測、自動監(jiān)測結果綜合確定水準觀測范圍，觀測次數(shù)可適當減少。

2.1.3 數(shù)據處理要求

監(jiān)測數(shù)據記錄應采用統(tǒng)一的路基凍脹監(jiān)測記錄表格。要及時記錄和整理監(jiān)測數(shù)據，保證監(jiān)測數(shù)據齊全、詳細、規(guī)范。我國水準監(jiān)測數(shù)據處理采用自主研發(fā)的通用地面數(shù)據處理系統(tǒng)(FSDI-GDPAS)。

2.2 自動監(jiān)測技術

自動監(jiān)測技術通過智能化的傳感監(jiān)測系統(tǒng)對路基凍脹變形、凍深及水分變化進行實時監(jiān)測，以掌握路基凍脹發(fā)生、發(fā)展的規(guī)律，為線路科學維護提供依據。

2.2.1 凍脹監(jiān)測

凍脹自動監(jiān)測用于監(jiān)測高速鐵路路基不同深度的凍脹與融沉變形。凍脹計主要由測量盤、錨固端、電測位移傳感器及測桿等部件組成，將錨固端設置在相對不動點，測量盤設置在待監(jiān)測的高程處。利用測量盤與路基同步變形使電測位移傳感器內部發(fā)生相對滑移來實現(xiàn)監(jiān)測凍脹變形的目的。

1)設備要求

凍脹計精度應不低于0.10 mm，其工作溫度－40～80℃，量程宜選擇凍脹變形預估量的1.5～2.0倍。測桿為不銹鋼材質，具有較低的線膨脹系數(shù)，宜＜10－5/℃。采集、傳輸、控制、供電系統(tǒng)的工作溫度為－40～80℃，電源線和信號線的膠皮應具有耐低溫性能。凍脹計護管采用波紋管，其在垂直方向可自由伸縮變形。應對測試系統(tǒng)受溫度誤差的影響進行評估和標定。

2)測點設置及監(jiān)測要求

建設期間應針對典型斷面、特殊結構和病害地段，設置凍脹自動監(jiān)測斷面，間距不大于50 km。運營后，應根據軌檢動態(tài)檢測、水準觀測結果劃定的凍害地段增加相應凍脹監(jiān)測斷面。

監(jiān)測點可設置在軌道結構下部、混凝土底座外緣、線間、路肩、坡角外原地面。軌道結構下部監(jiān)測點宜在高速鐵路建設期間進行設置，否則，凍脹計頂部測量盤應與混凝土底座固定在一起。運營期間，如無其他要求，新增監(jiān)測斷面可只設1個監(jiān)測點，可設在混凝土底座外緣。

凍脹分層觀測時，凍脹計錨固端宜設置在不同性質填料或路基結構的設計深度處。當監(jiān)測點處同時進行地溫監(jiān)測時，可不必進行凍脹分層監(jiān)測。

應在日平均溫度達到0℃之前15 d進行數(shù)據采集，作為凍脹變形初值。采集傳輸頻率可為1次/d，入冬、春融期間或氣象劇烈變化時期應增加監(jiān)測頻率，可設為1次/h。

3)數(shù)據處理要求

應統(tǒng)計分析路基分層凍脹比例，以明確凍脹明顯層位，同時分析凍脹不同階段發(fā)展變化特征，掌握各階段凍脹量變化和凍脹速率的變化，為后繼凍脹處理提供依據。

2.2.2 凍結深度自動監(jiān)測技術

凍結深度監(jiān)測是通過在路基中不同深度設置溫度傳感器，采集路基中地溫，監(jiān)測路基凍結深度的發(fā)展變化。

1)設備要求

溫度傳感器可選用三線制或四線制溫度計，精度不低于0.01℃，正常使用壽命不低于10年。須對溫度傳感器的導線長度、測試系統(tǒng)的溫度誤差影響進行評估和標定。

2)傳感器間距及監(jiān)測要求

傳感器間距在基床凍結深度影響范圍內可取10～15 cm，其下可增加至30～50 cm。

采用原路基填料進行分層夯填，每層厚度不大于20 cm，保證達到初始路基壓實狀態(tài)。埋設過程中，溫度計須保持垂直拉伸狀態(tài)。應檢查并記錄各個溫度傳感器的埋設深度。

凍結深度監(jiān)測要求與凍脹監(jiān)測要求相同。

3)數(shù)據處理要求

繪制地溫和凍結深度的時程曲線，以掌握凍結深度不同階段特征及凍結深度隨時間變化特征，并統(tǒng)計分析凍結深度沿線路分布情況。

2.2.3 水分自動監(jiān)測技術

水分自動監(jiān)測計用于監(jiān)測高速鐵路路基在凍結過程中基床填料水分變化過程。在標定填料含水率和電信號之間的對應關系后，可通過監(jiān)測路基中電信號的變化來反映路基中含水率的變化。

1)設備要求

水分傳感器精度應不小于±2%，正常使用壽命不低于10年。須對水分傳感器在實際介質條件下的測試性能進行評估和標定，對測試系統(tǒng)的溫度誤差影響進行評估和修定。

2)設置要求

采用路基原料分層回填，每層厚度不大于20 cm，確保其狀態(tài)接近初始路基狀態(tài)，避免對傳感器及傳導線造成損傷。要確保埋設孔采取了分層阻水措施，保證大氣降水不進入測試孔以致影響測試結果。應當采集當?shù)卮髿鈹?shù)據以輔助分析水分變化。

3)數(shù)據處理要求

繪制水分變化時程曲線以掌握大氣降水對不同深度水分的影響特性，分析冬季不同深度水分的變化特性，為路基的凍脹分析提供幫助。

2.3 軌道動態(tài)檢測技術

軌道動態(tài)檢測適用于標準軌距鐵路軌道幾何狀態(tài)的動態(tài)檢測。通過測量軌道幾何狀態(tài)識別軌道病害，并監(jiān)控軌道病害發(fā)展規(guī)律，指導軌道養(yǎng)護維修。測量內容包括高低、軌向、軌距、水平、三角坑(扭曲)、復合不平順、軌距變化率、車體垂向加速度、車體橫向加速度等檢測項目。

1)裝備要求

采用高寒綜合檢測列車對線路進行檢測，檢測車應能在－40～+50℃環(huán)境條件下正常工作。

2)測試要點

按線路實際運營速度進行檢測，檢測標準依批復的線路運營速度進行評價。凍融期相較非凍融期應加密軌道動態(tài)檢測次數(shù)。

3)數(shù)據處理要求

檢測過程中，由于受天氣(陽光、雨雪)以及其他干擾不能真實反映實際軌道幾何狀態(tài)的檢測結果應予以剔除，之后計算出局部峰值偏差等級、長度及軌道質量指數(shù)作為軌道狀態(tài)評價的依據。

軌道幾何狀態(tài)Ⅰ級超限處所應進行靜態(tài)復核，并建立超限處所履歷，包括歷史檢測數(shù)據、維護措施、歷次維護調整量，做到跟蹤監(jiān)控。

2.4 軌道靜態(tài)檢查

軌道靜態(tài)檢查適用于標準軌距鐵路的軌道幾何參數(shù)靜態(tài)檢測。用鐵路軌道檢查儀對軌道的軌向、高低、軌距、水平、扭曲等靜態(tài)幾何參數(shù)進行測量，可快速查找軌道線路病害位置，指導施工人員對線路進行整治。

數(shù)據處理前，需要人工建立包含被測線路曲線起終點里程、半徑、超高、緩長、坡度等曲線要素的線型參數(shù)庫。利用檢測結果指導施工時，單次或搭接后的數(shù)據測點前后20 m出現(xiàn)的病害均不能當作真實病害。須對病害位置進行搭接測量后才能進行分析、整治。對于曲線段，導入線型參數(shù)庫后得到的數(shù)據結果才能進行搭接處理。用檢測結果指導施工時，須人工分析數(shù)據得出調整量，之后才能對軌道病害進行整治。

3 監(jiān)測數(shù)據綜合分析與維護管理

3.1 監(jiān)測數(shù)據綜合分析

1)分析人工水準觀測和軌道檢測結果的時空分布特征，掌握全線主要凍害地段的分布;結合維護措施及扣件調整資料，分析凍脹重點區(qū)段軌道波形變化特征。

2)分析軌道檢測結果與水準觀測結果的關系，得出路基凍脹傳遞特征。

3)分析氣象、凍脹、凍結深度與水分自動監(jiān)測結果的關聯(lián)性，掌握高速鐵路路基凍脹影響因素、發(fā)展規(guī)律和特征。

4)分析軌道動態(tài)檢測、軌道靜態(tài)檢查與凍脹、凍深自動監(jiān)測結果的關聯(lián)性，得出線路維護措施和維護時機。

5)結合氣象、地質、設計等資料及路基各部分演化特點，對比分析檢測、監(jiān)測結果的年際變化，預測線路狀態(tài)變化，形成維護整治建議。

3.2 數(shù)據和設備維護管理

監(jiān)測數(shù)據由中國鐵路總公司統(tǒng)一管理，并建立完善的數(shù)據庫系統(tǒng)，形成具有信息查詢、發(fā)布和綜合分析的信息化體系。

用于監(jiān)測的現(xiàn)場設備應由相關單位或鐵路局工務部門定期維護和檢修?，F(xiàn)場監(jiān)測設備建設期應由監(jiān)測單位維護，運營期可交由鐵路局進行管理，或由鐵路局委托原監(jiān)測單位進行管理。

4 高速鐵路路基凍脹綜合監(jiān)測體系總體要求

高速鐵路路基凍脹監(jiān)測方式應根據高速鐵路建設或運營不同階段特點、凍害具體情況，結合工程地質、氣候條件、環(huán)境特點等因素合理確定。

人工水準觀測費時費力，應以掌握初值、凍脹最大值及融沉值為原則優(yōu)化監(jiān)測次數(shù)。自動監(jiān)測(包括凍脹、凍結深度、水分等參數(shù)的監(jiān)測)，主要是對重點和典型地段的實時監(jiān)測以掌握凍脹發(fā)展的規(guī)律和特征，為線路維護提供依據。建設期間主要采用水準觀測、自動監(jiān)測相結合的方法，掌握路基凍脹的程度和凍害的分布，為施工驗收、動態(tài)設計及凍害整治提供依據。

軌道檢測是高速鐵路線路維護最重要的方式。激光長弦軌道檢查為主要的現(xiàn)場檢查方式之一，可快速對凍脹段路基進行線路狀態(tài)檢測，是線路具體維護方案制定與實施的重要依據。通過測量軌道幾何狀態(tài)，識別軌道病害，并監(jiān)控軌道病害發(fā)展規(guī)律，指導軌道養(yǎng)護維修。線路鋪軌后可采用軌道檢查儀進行凍脹靜態(tài)測量。運營期間凍脹檢測應主要采用綜合檢測列車，同時輔以人工添乘和晃車儀檢查。在路基凍脹上漲和回落期，應加強對軌道幾何狀態(tài)的動態(tài)檢測，實時掌握高速鐵路全線軌道變化狀態(tài)。動態(tài)檢測的范圍和頻率由運營單位根據當?shù)貧夂驐l件及項目實際情況確定。軌道檢測結果應與水準觀測、自動監(jiān)測結果相結合進行綜合分析。運營單位針對動態(tài)檢測發(fā)現(xiàn)的Ⅰ級及以上超限處所應采用軌道檢查儀、水準儀、人工弦線及激光弦線等測量設備進行靜態(tài)復核，確定超限處所和病害的準確位置。

水準觀測和自動監(jiān)測結果應進行相互比對，對存在的偏差應分析原因，必要時更換或維修受損設備。各種監(jiān)測方式的監(jiān)測周期應依據路基凍害整治效果和線路維護水平確定。此外，還應收集氣候、工程地質、設計等資料，并在自動監(jiān)測傳感器埋設時進行填料取樣，作為數(shù)據分析的基礎。

路基凍脹監(jiān)測工作應體現(xiàn)信息化的特色，各項目應建立完善的數(shù)據庫系統(tǒng)，形成具有信息查詢、發(fā)布、數(shù)據處理和綜合分析的信息化體系，并實現(xiàn)觀測單位、建設單位及運營單位的數(shù)據共享，監(jiān)測成果數(shù)據由中國鐵路總公司統(tǒng)一管理。

5 結語

高寒地區(qū)高速鐵路路基凍脹綜合監(jiān)測至關重要，我國高速鐵路路基凍脹綜合監(jiān)測體系的建立將為高速鐵路的建設管理和安全運營提供有力技術支撐。

［1］邰博文.深季節(jié)凍土地區(qū)鐵路路基凍脹融沉現(xiàn)場監(jiān)測分析［D］.石家莊:石家莊鐵道大學，2014.

［2］王春雷，張戎墾，趙曉萌，等.季節(jié)凍土區(qū)高速鐵路路基凍脹監(jiān)測系統(tǒng)及凍脹規(guī)律研究［J］.冰川凍土，2014(4):962-968.

［3］陳則連，冷景巖.哈齊客運專線路基凍脹變形研究［J］.路基工程，2014(6):131-134.

［4］哈大鐵路客運專線有限責任公司.哈大高鐵運營長期連續(xù)觀測技術及凍脹整治技術研究［R］.沈陽:哈大鐵路客運專線有限責任公司，2014.

Research on com prehensive monitoring system for inspecting subgrade frost heave on high speed railway

SUN Yingchao1，YAN Hongye2，CAI Degou2，CHEN Feng2，YAO Jianping2
(1.Harqi Passenger-dedicated Railway Co.，Ltd.，Harbin Heilongjiang 150090，China; 2.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

W hen different methods such as m anual leveling observation，autom atic monitoring(frost heave，frost depth，and m oisture)，track dynam ic inspection and track status inspection are used to inspect subgrade frost heave on HSR，their function，devices requirem ents，testing principium and data analysis requirem ents were d iscussed.Accord ing to the general requirem en ts of com prehensive m onito ring system for inspecting subgrade frost heave on HSR，the relationships of different monitoring methods during different periods such as construction and operation stage w ere investigated.T he estab lishm en t of com prehensive m onitoring system for inspecting subgrade frost heave prov ides technical supports for dynam ic design du ring construction period and safe operation for HSR.

HSR(high speed railw ay);Subgrade frost heave m onitoring;Com prehensive m onitoring;Autom atic m onitoring;M anual leveling observation;T rack inspection

U216.41+7

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.24

1003-1995(2015)06-0092-04

(責任審編李付軍)

2015-02-10;

2015-03-26

鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目(Z2012-062);中國鐵路總公司科研試驗任務(Z2013-038);鐵道科學技術研究發(fā)展中心科研項目(J2014G003);中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目(2013G009-G，2014G003-A);中國鐵道科學研究院基金項目(2013YJ032)

孫英潮(1973—)，男，黑龍江哈爾濱人，工程師。