高速铁路路基冻胀监测及数据分析研究

2015-03-16李新增石德斌

铁道勘察 2015年2期

关键词：基准点水准高速铁路

李新增　石德斌

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251)

Research on the Subgrade Frost heave Monitoring and Data Analysis of High-Speed Railway

LI Xinzeng　SHI Debin

高速铁路路基冻胀监测及数据分析研究

李新增石德斌

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251)

Research on the Subgrade Frost heave Monitoring and Data Analysis of High-Speed Railway

LI XinzengSHI Debin

摘要介绍高速铁路路基冻胀监测及数据分析的方法，包括基准网和变形监测的布设与测量，外业水准处理及数据的统计分析。

关键词高速铁路路基冻胀监测

高速铁路路基冻胀监测是一项全新的监测工作，需要监测路基冻胀的高速铁路一般集中在我国的东北及西北等高寒地区，一个年度的观测周期一般从每年的9月至次年的5月，即一个完整的冻融周期。

1基准网

对于路基冻胀监测，如何建立监测基准网是首先要解决的重要问题。要解决基准点稳定性的问题，基准网点不能和路基同时发生冻胀，也不能因地面沉降等原因而影响监测的精度。另外，基准点的间距太远监测点的精度会降低，间距太近影响测量成本及工作效率。

因线下地面精密水准网点受冻胀影响，不能直接作为路基冻胀监测的基准，所以只能考虑将基准点埋设在线上。路基两端的桥梁及其中间的框构桥和涵洞的基础埋设深度远远超过当地冻土深度，不受冻胀影响。另外，高速铁路路基段落的长度一般比较短，一般均在5 km以下，可以认为地面沉降对路基及其中间的框构桥及涵洞等的影响一致。由各期路基冻胀监测标的高程值与第一周期高程值做差求冻胀量时，可以把由地面沉降引其的误差予以抵消。所以，在路基两端的桥梁及路基中部涵洞的帽石上和框构桥上设立基准点是可行的。

另外，根据多条线路建设期间积累的沉降观测资料分析，路基冻胀量应该在10～20 mm左右，那么监测精度按照冻胀量的1/10考虑其应该在1 mm左右，所以设置基点的距离应小于1 km并采用三等变形监测精度进行监测。当路基中间没有距离合适的涵洞或框构桥时，可以利用一个距离合适的CPⅢ点代替，但每次测量前需要用其前后的稳定基准点对其进行修正。

2人工变形监测点的布设

路基冻胀监测点的布设，需要考虑路基本体的不同结构和不同部位。要求既要能全面反映出路基不同结构及部位的冻胀变形规律，布设的点又不能过多，否则将影响测量的效率，并给数据分析带来困难。

应根据路基专业的设计意图要求，合理制定变形监测点的布设方案，有效地监测路基及过渡段、轨道中心及路肩。布点方案要求：观测断面沿线路方向的间距一般不大于50 m，每个监测单元不少于2个监测断面，过渡段处要在距离横向构筑物边墙5～10 m处加设一个断面。每个断面布设4个点，分别位于线路左、右线凸形挡台上及路基左右路肩上(如图1所示)。

图1　冻胀监测断面布点示意

3自动化变形监测点的布设

冻胀严重地段可埋设自动化监测设备，在底座板边缘、路肩、路堤坡脚外和堑顶外等位置不同深度安装设备，实时监测温度变化，以分析路基温度场和变形场变化规律。每处自动化监测设备均在不同的深度埋设了3个自动化形变监测点，最下方的监测点埋设在冻层以下10 cm，最上边的测点埋设在级配碎石层底部，第三个埋设在这两个监测点之间，以分析不同结构层的冻胀规律。

4路基冻胀监测方式

4.1　基准网的建立

在首次监测前，对线下精密基准网点采用二等水准进行检核，对超限点进行更新。在确保线下水准点满足二等精度的前提下，采用二等水准或不量仪器高及棱镜高的三角高程法将线下基准引测至线上。三角高程测量时，保证路基首尾必须各有一个三角高程点，路基中间根据现场情况联测，当三角高程点不能满足线上间距1km时，采用二等水准内插法进行加密，完成线上基准网的建网工作。

4.2　冻胀监测点的测量

对于路基冻胀监测点，由于数量众多，综合考虑监测频次、监测成本及天窗时间等情况，路基监测观测方式如下：

①每次路基变形监测前，需采用二等水准联测的方式对线上基准点进行检核，如果各个基准点间满足二等水准的限差要求，则采用原值；如果不满足可采用内插法进行调整。

②监测时，以CPⅢ为主水准路线(单侧)，采用二等水准往返测的形式测量，以中视方式观测测站附近的断面监测点，并保证每个监测点往返测时是以相同的CPⅢ点测量两次。水准路线附合到路基两端桥梁上的线上水准基准点上，并联测路基中部涵洞或框构桥上的水准基点。

③首次观测应编制好水准线路图，以后每次观测均固定水准路线，并且规定仪器的摆放位置。

4.3　监测周期确定

监测周期需包含一个完整的冻融期，以便完整地掌握路基的冻胀发展规律，即冻胀前测量第一次，冻胀量达到最大值时测量第二次，开始融化前测量第三次，融化后测量第四次。另外，需根据铁路局动检资料进行加密周期测量，线上基准网点每周期均需进行检测。

5数据处理方法

对于往返测监测点高差较差按照2 mm进行控制，最终成果取往返测量的平均值。

各期监测点高程值与第一周期高程值之差即为当前冻胀量。

6综合分析

数据分析是路基冻胀监测的核心问题。路基冻胀监测的数据有人工监测数据、自动化监测数据及铁路局的动检数据，数据量大，分析困难。数据分析时不仅要对各周期监测数据进行比较，以分析路基冻胀的变化趋势及冻胀量，还应分析延线路方向监测点的差异冻胀量情况。

首先，根据路基的不同结构形式，按变形区间进行比例统计，以掌握不同结构形式路基段的大致变化情况。

为了分析不同纬度间冻胀量变化情况，(由南往北)每20 km划分成一个区段，统计区段内各路基段冻胀量均值，从总体上掌握温度对路基冻胀的影响，如图2为某条高速铁路以20 km为区段的平均冻胀量统计。

根据自动化监测数据，分析不同结构层的冻胀情况及路基冻胀的发展趋势，如图3所示。

图2　某高速铁路以20 km为区段的平均冻胀量统计

对动检资料及人工监测的数据进行对比，验证冻胀量与轨道平顺性的关系。从大量数据统计分析中可知，人工监测数据及动检数据之间在量值上相一致(如表1所示)。

图3　某高速铁路自动化监测冻胀量统计

动检资料运营里程/km行别长度/m峰值/(mm或g)超限类型80681下行14.12左高低108551下行14.1右高低119759上行14.84左高低119760上行14.78右高低123410下行14.57左高低128561下行25.08左高低129888下行1-4.14右高低129891下行2-4.37左高低129895下行35.62右高低129899下行14.09右高低129900下行55.79左高低130132下行1010.42长波长-左高低人工监测情况起点里程终点里程距离不平顺性值/mm起点冻胀量/mm终点冻胀量/mmK0080+666K0080+782442.490.753.24K0108+550K0108+595454.970.835.8K0119+745K0119+695502.561.133.69K0123+397K0123+44548-2.584.291.71K0128+545K0128+59550-2.485.583.1K0129+895K0129+94550-3.924.820.9K0129+895K0129+94550-3.924.820.9K0129+895K0129+94550-3.924.820.9K0130+145K0130+245100-4.975.650.68

7结束语

路基冻胀监测工作周期长、测量精度要求高并且数据量大，为了掌握路基冻胀的变化规律，必须保证路基冻胀监测的时效性，尤其是每年第一期监测时必须在上冻前完成。应充分利用监测数据分析冻胀变形、差异变形和变形速率等信息，并做好与动检车检测数据的综合比对，以客观合理判定冻胀现象。

另外，在已运营线上进行作业时，必须积极策划、合理组织，加强现场管理，不影响列车的运营。

参考文献

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