大西客運(yùn)專線路基凍脹監(jiān)測與分析

劉海江（大西鐵路客運(yùn)專線有限責(zé)任公司，山西 太原　030027）

大西客運(yùn)專線路基凍脹監(jiān)測與分析

劉海江
（大西鐵路客運(yùn)專線有限責(zé)任公司，山西 太原030027）

高速鐵路對軌道的平順性要求高，路基凍脹產(chǎn)生的不均勻變形會(huì)傳遞給軌道，影響列車運(yùn)行安全性與舒適度。大西客運(yùn)專線原平—運(yùn)城段屬于寒冷地區(qū)，為了控制該段路基凍脹變形，采取了不同的凍脹控制措施，并選擇了4段典型段落開展了凍脹監(jiān)測。經(jīng)過一個(gè)凍融周期監(jiān)測發(fā)現(xiàn)：凍融循環(huán)周期內(nèi)地溫發(fā)展變化大致可以分為快速降溫、慢速降溫和升溫3個(gè)階段；絕大部分測試的最大凍結(jié)深度小于設(shè)計(jì)的最大凍結(jié)深度；基床底層采用A，B組填料的路堤工點(diǎn)的最大凍脹變形略小于基床底層采用改良土的路塹工點(diǎn)；凍脹變形均＜8 mm，凍脹變形主要集中在≤4 mm范圍內(nèi)，說明防凍脹措施是有效的。

客運(yùn)專線；路基凍脹；監(jiān)測；凍結(jié)深度；凍脹變形

寒區(qū)鐵路路基凍害產(chǎn)生的主要原因是土壤中的水（包括原位水和遷移水）在凍結(jié)形成冰晶時(shí)會(huì)發(fā)生體積的膨脹，使路基發(fā)生凍脹。通常情況下由于路基填料或其特性不均勻，往往造成路基表面縱橫向凍脹高度的差異，從而使軌面高度產(chǎn)生不均勻的變化，影響行車。路基凍脹影響因素眾多，但對于我國大部分寒區(qū)鐵路路基凍害來說，其主要可歸納為土質(zhì)、水、溫度、附加應(yīng)力等。

在寒冷地區(qū)修建無砟軌道，路基凍脹問題是必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。路基凍脹的危害主要體現(xiàn)在冬季凍脹和春季融沉。為了降低填料含水量，進(jìn)而降低凍脹危害，沈丹、哈齊等高鐵施工過程中采用了 A，B組土（細(xì)顆粒含量控制在5%以內(nèi)）作為填料。針對大西客專區(qū)域工程地質(zhì)條件和氣候特點(diǎn)，采取不同填料控制路基凍脹，監(jiān)測結(jié)果驗(yàn)證了所采取的凍脹控制措施的有效性。本文對此予以總結(jié)。

1　線路概況

大西客運(yùn)專線原平西—運(yùn)城北段全長477.51 km，正線采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道。沿線河流分屬海河及黃河水系。河流水流量受季節(jié)影響變化大，河流均具有典型的雨洪特征，流量、水位與降水量成正比，動(dòng)態(tài)極不穩(wěn)定。除較大河流常年有水，流量較大外，山間溝谷多為深溝峽谷，呈樹枝狀，旱季流量很小甚至干涸，雨季流量大。沿線受極地大陸性冷空氣團(tuán)控制時(shí)間長，受海洋熱帶暖氣團(tuán)影響時(shí)間短，冬季長，熱天短，日照富，溫差大，降水少，風(fēng)沙大，季風(fēng)氣候特征明顯，四季干濕冷熱分明。近年來氣候趨向轉(zhuǎn)暖。

大西客運(yùn)專線原平西—晉中段最冷月平均氣溫為-5～-15℃，最大凍結(jié)深度為0.81～1.21 m，按對鐵路工程影響的氣候分區(qū)屬于寒冷地區(qū)。地層以黃土為主。冬季在負(fù)溫條件下，路基易產(chǎn)生不均勻變形，因此采取相應(yīng)的防凍脹措施是關(guān)鍵。

2　路基凍脹影響因素與防凍脹措施

2.1路基凍脹的影響因素

路基填補(bǔ)土體的礦物成分、密實(shí)度及粒度成分是路基減小凍脹的主要影響因素。隨著路基土土顆粒粒徑的減小，土顆粒與水之間的相互作用增強(qiáng)，土壤滲透性減弱。顆粒粒徑由大變小時(shí)，其比表面積由小變大，與水的作用和土在凍結(jié)過程中水分遷移的能力也隨之加大。路基土中的水分是產(chǎn)生凍脹的必要條件。負(fù)溫是土體凍結(jié)的前提條件，是決定土的凍結(jié)過程、路基凍脹以及凍土物理力學(xué)性質(zhì)的基本因素。

2.2路基防凍脹措施

針對大西線地理位置、地層條件、氣候條件以及路基類型，路堤表層采用0.4 m級(jí)配碎石填筑、底層凍深影響范圍內(nèi)采用非凍脹填料填筑（非凍脹填料是指粒徑＜0.075 mm顆粒含量 ＜15%的 A，B組土或改良土）。基床底層下部及基床以下路堤均采用A，B組土或改良土。路塹段落基床表層采用0.4 m級(jí)配碎石填筑，基床底層2.3 m或至基巖范圍內(nèi)換填A(yù)，B組土或改良土。

3　監(jiān)測段落選擇

根據(jù)大西客運(yùn)專線路基段落的氣候氣象條件、凍結(jié)深度、地下水位深度、路基填料、路基填挖形式以及不同凍脹控制措施選擇監(jiān)測段落。

太原以北凍結(jié)深度＞1 m，是全線最寒冷和凍結(jié)深度最大的地區(qū)，分別選取一段填方、基床底層填料為A，B組土和一段挖方、基床底層填料為水泥改良土路基作為凍脹監(jiān)測代表性段落。通過監(jiān)測能夠掌握大西客專經(jīng)過的最寒冷地區(qū)的路基凍脹變形情況，并對不同基床填料對凍脹的影響作對比分析。

晉中站附近路基地下水位較高，選取晉中一段路基作為凍脹監(jiān)測代表性段落。分析沿線的氣象特點(diǎn)可知，靈石地區(qū)的降水量大，且凍結(jié)深度比相鄰的南北區(qū)域都大，考慮到降水量大是影響凍脹發(fā)生的重要因素，因此在靈石附近選擇一段路基作為凍脹監(jiān)測代表性段落。

最終在原平、忻州、晉中、靈石各選1段作為路基凍脹監(jiān)測段落，各段落基本情況見表1。

表1　路基凍脹監(jiān)測段落基本情況

4　監(jiān)測方案

監(jiān)測內(nèi)容主要包括凍脹變形、地溫和路基填料含水量，通過在路基表面基床內(nèi)不同深度埋設(shè)傳感器來監(jiān)測。凍脹變形監(jiān)測、地溫監(jiān)測和含水量監(jiān)測均采用自動(dòng)實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)和傳輸?shù)姆绞健?/p>

4.1路基凍脹變形監(jiān)測

路基凍脹變形監(jiān)測采用橫向定點(diǎn)分層測試方法和縱向連續(xù)凍脹變形監(jiān)測2種方式。對每1觀測斷面在路基兩側(cè)底座板中心處或路基兩側(cè)底座板外側(cè)埋設(shè)變形測試元件?？v向連續(xù)式測試路基面（底座板）凍脹變形。開展至少一個(gè)凍融周期的監(jiān)測，比較分析不同類型、不同位置路基的變形情況。

在選取的4個(gè)區(qū)段內(nèi)沿線路共設(shè)置了34個(gè)監(jiān)測斷面，每個(gè)監(jiān)測斷面在線路左右線對稱布置分層凍脹傳感器，對不同凍結(jié)深度區(qū)、不同填料類型的路基進(jìn)行縱向連續(xù)凍脹變形監(jiān)測。共布設(shè)5段縱向連續(xù)變形傳感器，分別安裝在底座板兩側(cè)，每個(gè)測試斷面設(shè)1根測線，每根測線3個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)間距5 m。

4.2路基溫度場監(jiān)測

對試驗(yàn)段路基不同部位和深度進(jìn)行溫度監(jiān)測，分析路基溫度場變化規(guī)律及其與結(jié)構(gòu)和環(huán)境溫度變化的關(guān)系。每個(gè)觀測斷面在路基兩側(cè)底座板中心處或路基兩側(cè)底座板外側(cè)設(shè)置地溫監(jiān)測孔，采用鉆機(jī)成孔，埋設(shè)地溫傳感器并采用原土回填密實(shí)。

每段路基地溫計(jì)安裝在兩側(cè)底座板外側(cè)或線路左右線中心線處，元器件在級(jí)配碎石頂面以下 0.2～2.0 m布設(shè)，每孔8～10個(gè)。

4.3路基含水量監(jiān)測

對試驗(yàn)段各斷面路基不同部位和深度進(jìn)行含水量監(jiān)測，分析路基內(nèi)水分場的變化規(guī)律。每個(gè)觀測斷面在路基兩側(cè)底座板中心處或路基兩側(cè)底座板外側(cè)設(shè)置含水量監(jiān)測孔。每段選擇2個(gè)斷面布設(shè)含水量監(jiān)測元件，自路基級(jí)配碎石頂面以下0.2 m垂直向下布設(shè)，間距0.6～0.8 m，每孔3個(gè)。監(jiān)測斷面測點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1　監(jiān)測斷面測點(diǎn)布置（單位：m）

5　監(jiān)測結(jié)果分析

5.1地溫

原平段地溫隨時(shí)間變化典型曲線見圖2，其余4個(gè)測試工點(diǎn)大部分監(jiān)測斷面的地溫隨時(shí)間發(fā)展變化規(guī)律基本與此一致?？梢姡粋€(gè)凍融循環(huán)周期內(nèi)地溫發(fā)展變化大致可以分為快速降溫、慢速降溫、升溫3個(gè)階段。2013年12月中旬—2014年1月初表現(xiàn)為地溫降低快速發(fā)展期；2014年1—2月為地溫緩慢降溫階段，至3月上旬地溫普遍＞0℃。距離地面0.2，0.4 m深的地溫受短期外部氣溫升降影響較大，而距離地面0.6 m以下的地溫受短期外部氣溫的升降影響較小，地溫變化延遲效應(yīng)相應(yīng)增大。

圖2　原平段地溫隨時(shí)間變化典型曲線

5.2凍結(jié)深度

原平段、忻州段、晉中段、靈石段最大凍結(jié)深度分別為1.10，1.09，1.14，0.93 m。原平段凍結(jié)深度隨時(shí)間變化典型曲線見圖3?？梢?，2013年12月—2014 年3月完成一次凍融循環(huán)，2013年12月中旬—2014 年2月，凍結(jié)深度總體呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。2014年2月下旬地溫開始逐漸升高，凍結(jié)深度開始減小，2014 年3月初凍結(jié)深度減小到基本為0。

圖3　原平段凍結(jié)深度隨時(shí)間變化典型曲線

5.3凍脹變形

原平路堤工點(diǎn)凍脹變形最大值為2.45 mm，忻州路塹工點(diǎn)凍脹變形最大值為7.91 mm，晉中路堤工點(diǎn)凍脹變形最大值為6.60 mm，靈石路塹工點(diǎn)凍脹變形最大值為7.97 mm。原平段凍脹變形與凍結(jié)深度的關(guān)系典型曲線見圖4。

4個(gè)監(jiān)測段落凍脹變形總體較小，最大凍脹變形均＜8 mm，最大凍脹變形主要集中在≤4 mm范圍內(nèi)，原平、忻州、晉中和靈石工點(diǎn)最大凍脹變形在≤4 mm范圍內(nèi)的測點(diǎn)數(shù)分別占總測點(diǎn)數(shù)的100%，68.2%，94.4%和77.8%。凍脹量較小，說明凍脹控制措施效果明顯。

分層凍脹監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，路基頂以下0.5 m范圍內(nèi)凍脹量占總凍脹量的65%以上，表明淺表層凍脹是主要的，淺表層也是控制路基凍脹的關(guān)鍵部位。

圖4　原平段凍脹變形與凍結(jié)深度的關(guān)系典型曲線

5.4路基體積含水量

原平段體積含水量隨時(shí)間變化典型曲線見圖5?？梢钥闯觯?.2 m深處的體積含水量受外部環(huán)境影響較大，監(jiān)測時(shí)間內(nèi)體積含水量最大變動(dòng)約5%，同一監(jiān)測區(qū)段2個(gè)監(jiān)測斷面表現(xiàn)出很好的一致性；深層處的體積含水量在監(jiān)測時(shí)間內(nèi)總體表現(xiàn)出減小的趨勢，但減小甚微，表明地下水對凍結(jié)鋒面補(bǔ)給不明顯。

圖5　原平段體積含水量隨時(shí)間變化典型曲線

6　結(jié)論

1）1個(gè)凍融循環(huán)周期內(nèi)地溫發(fā)展變化大致可以分為快速降溫、慢速降溫和升溫3個(gè)階段。12月中旬到次年1月初表現(xiàn)為地溫降低快速發(fā)展期，1—2月為地溫緩慢降溫階段，至3月上旬地溫普遍＞0℃。

2）除個(gè)別監(jiān)測點(diǎn)外，絕大部分監(jiān)測點(diǎn)的最大凍結(jié)深度小于設(shè)計(jì)的最大凍結(jié)深度，4個(gè)監(jiān)測段落各測試孔的最大凍結(jié)深度平均值忻州段（0.83 m）＞原平段（0.80 m）＞晉中段（0.69 m）＞靈石段（0.61 m）；

3）基床底層采用A，B組填料的路堤工點(diǎn)的最大凍脹變形略小于基床底層采用改良土的路塹工點(diǎn)。

4）凍脹變形均 ＜8 mm，凍脹變形主要集中在≤4 mm范圍內(nèi)，說明防凍脹措施是有效的。

［1］葉陽升，王仲錦，程愛君，等.路基的填料凍脹分類及防凍層設(shè)置［J］.中國鐵道科學(xué)，2007，28（1）：1-7.

［2］張建明，劉端，齊吉琳.青藏鐵路凍土路基沉降變形預(yù)測［J］.中國鐵道科學(xué)，2007，28（3）：12-17.

［3］劉華，牛富俊，牛永紅，等.季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基填料及防凍層設(shè)置研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30 （12）：2550-2557.

［4］陳肖柏，劉建坤，劉鴻緒，等.土的凍結(jié)作用與地基［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.

［5］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(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013（7）：8-10.

［6］郭建文，付衛(wèi)平，劉豐.青藏鐵路路基穩(wěn)定性模型的GIS集成工作環(huán)境應(yīng)用研究［J］.冰川凍土，2012，34（4）：877-883.

［7］張喜發(fā)，辛德剛，張冬青，等.季節(jié)凍土區(qū)高速公路路基土中的水分遷移變化［J］.冰川凍土，2004，26（4）：454-460.

［8］石剛強(qiáng)，張先軍.嚴(yán)寒地區(qū)客運(yùn)專線路基凍脹影響因素及防治技術(shù)［J］.鐵道建筑，2011（6）：93-95.

［9］蘇凱，張建明，劉世偉，等.高溫-高含冰量凍土壓縮變形特性研究［J］.冰川凍土，2013，35（2）：369-375.

［10］張蓮海，馬巍，楊成松，等.土在凍結(jié)及融化過程中的熱力學(xué)研究現(xiàn)狀與展望［J］.冰川凍土，2013，35（6）：1505-1518.

［11］于暉，吳青柏，劉永智.青藏鐵路多年凍土區(qū)工程長期監(jiān)測系統(tǒng)［J］.冰川凍土，2008，30（3）：475-481.

［12］石剛強(qiáng)，王珣.哈大鐵路客運(yùn)專線路基填料凍脹性試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2011（10）：61-63.

［13］陳虎，張戎墾，冷景巖.大西客運(yùn)專線寒冷地區(qū)路基凍脹現(xiàn)場試驗(yàn)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2014（12）：6-8.

（責(zé)任審編李付軍）

Monitoring Technology of Subgrade Frost Heaving for Datong-Xi'an Passenger Dedicated Railway

LIU Haijiang
（Datong-Xi'an Passenger Dedicated Railway Co.，Ltd.，Taiyuan Shanxi，030027，China）

High speed railway raises the requirement for track regularity，as the frost heaving of the subgrade results in the irregularityof track，therefore undermines operational safetyandpassengercomfort.Giventhat the Yuanping-Yuncheng section on Datong-Xi'an railway locates in cold area，the paper takes it as the study objects and adopts different approaches of frost heaving control to mitigate the hazard induced.Afterwards，it puts 4 sections under a complete cycle of frost heaving monitor.T he results indicated that in terms of the development of ground temperature，the freezing-thawing cycle could be generally divided into three stages，namely the stage of temperature slump，that of temperature decrease and that of temperature rise.In most cases，the maximum freezing depths fell below the designed depth obtained.At the same time，the frost heaving deformation occurred at the sampled points at the embankment，where set A and set B fillings were applied to the bottom layer of the subgrade，fell behind that occurred at the cut points-where improved soil was applied to the bottom layer-by a small margin，yet both stood below 8 mm.Given that most data collected stood at or below 4 mm，it could be said that the measures were effective.

Passenger dedicated railway；Frost heaving performance of subgrade；M onitor；Freezing depth；Frost heaving deformation

U213.1+4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.27

1003-1995（2016）08-0108-04

2016-03-22；

2016-05-26

劉海江（1975— ），男，高級(jí)工程師。