新建牡绥铁路路基冻胀监测与研究

2016-04-13赵晓萌

铁道勘察 2016年1期

关键词：基床含水量路基

赵晓萌

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251)

新建牡绥铁路路基冻胀监测与研究

赵晓萌

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251)

Frost Heaving Monitoring and Research for the New Musui Railway Embankment

ZHAO Xiaomeng

摘要季节性冻土地区铁路普遍存在路基冻胀问题，路基冻胀影响铁路的运营安全。采用基于物联网技术的冻胀监测系统及水准测量方法对牡绥铁路路基进行冻胀监测，并对监测成果进行统计分析，研究牡绥铁路路基冻胀规律。监测结果表明：2014～2015年度牡绥铁路路基冻胀变形普遍较小，处于可控状态。

关键词监测系统冻胀变形气温含水量地下水位

高速运行的列车对于线路的平顺性具有很高的要求[1-2]，路基的稳定和变形控制是保证高速铁路安全运营的重要环节[3]。随着我国高速铁路网的建设，多条高速铁路覆盖我国东北地区，在严寒地区路基冻胀问题是需要解决的关键问题[4]。虽然路基的结构设计均采取了防冻胀措施，但是无法完全消除冻胀影响，所以路基冻胀问题无法避免[5-6]。滨绥铁路牡绥扩能改造工程正线采用有砟轨道，与高铁轨道形式有所不同，但依然受到冻胀变形的影响。引起路基冻胀需满足三种条件：(1)具有冻融敏感性的土(细颗粒含量)；(2)路基含水量；(3)冻结温度。预防和控制三种因素是防治路基冻害的主要措施。

构建一套监测系统对牡绥铁路进行路基冻胀监测，研究寒冷地区路基冻胀规律，为铁路冻胀病害防治提供依据。

1工程概况

新建牡绥铁路采用有砟轨道，线路全长约138 km，路基段长53.2 km，其中路堤长度30.61 km，占正线路基长度的57.5%；路堑长22.6 km，占正线路基长度的42.5%；地下水路堑长9.27 km，占正线路基长度的17.4%。线路通过地区主要为低山丘陵及中低山区两个地貌单元，牡丹江至爱河为低山丘陵区，爱河至绥芬河多为中低山区。

按对铁路工程影响的气候分区，沿线属严寒地区。牡丹江地区最大冻深1.91 m，绥芬河地区最大冻深2.42 m。

2监测系统构建

2.1监测目的和内容

为了掌握牡绥线全线路基面冻胀变形情况，不同冻深、不同地质条件及工程措施下冻胀变形规律，分析地下水、环境温度、含水量及地温变化对冻胀变形的影响，在全线不同段落布设全方位监测系统，主要监测路基面冻胀变形、路基体分层冻胀变形、气象资料、地温、含水量及地下水水位六方面内容。

2.2监测系统的组成

(1)数据采集

数据采集分人工采集和自动采集两种方式。人工采集是利用精密水准仪联测线下深埋水准点和线路水准基点，建立线上监测基准网，对监测断面的监测点进行变形观测。人工监测主要用于路基面冻胀变形。自动监测是在监测断面的监测点上埋设地温元件、水分计、水位计和冻胀计，分别对地温、含水量、地下水位和冻胀变形进行自动数据采集。采样周期为每天小于等于12次，采样间隔和采样时刻可以根据需求随时调整。测试仪器能按照规定的时间实现自动采集和数据存储功能，并在适当的时候传输出去。现场采集终端采用“太阳能电池板+圈绕密封阀控低温蓄电池”供电，电池能量储备能够保证低气温低光照条件下系统正常工作2个月。为防止数据丢失，现场监测站应能存储一年以上的采集数据且现场监测站能够利用笔记本电脑下载采集数据。

人工采集采用人工几何水准测量方式，对全线正线路基面冻胀变形进行观测。全线正线路基53 km，每50 m一个断面，布设约1 125个观测断面。在此基础上，结合地质条件、冻结深度及工点类型，共选择20个断面进行冻胀变形及地温的自动监测。自动监测断面现场采集终端如图1所示。

图2　路基冻胀监测系统工作流程

图1　自动监测断面布设

(2)数据传输系统

数据传输系统主要负责数据采集箱和数据接收终端的数据通信，主要采用移动无线通讯网络GSM和GPRS等方式进行数据通信，将现场的采集数据自动传输到监测中心站，并具有自动传送、系统预约、系统状态信息发送的功能。在规定的时间内自动采集数据和发送数据，其它时间处于休眠状态。由于大部分时间系统处于关机状态，现场采集终端只有在固定的几个时段才可以与监测中心站取得联系。每隔一定时间将现场采集终端的状态信息发送到监测中心站，状态信息应包括：采集模块工作是否正常、传输模块是否工作正常、电源模块电量消耗情况等。

(3)数据分析系统

数据分析系统负责对监测站的采集数据进行汇总、存储、统计、分析，并可实现对现场监测站的采集方式进行控制。多个监测站长期的监测数据量大，受各种外界因素影响，大量采集数据中可能存在异常数据，数据分析之前要剔除异常值，并且要分析产生异常值的原因。对剔除异常值之后的合理数据进行数理统计分析，结合工点类型和地质条件，分析冻胀变形的原因，利用数学统计、理论分析及数值模拟等方法，研究冻胀变形和地温、含水量、地下水位、填料细粒土含量、颗粒级配和压实度的关系及变化规律。

整个路基冻胀监测系统是基于物联网技术的全天候数据自动采集，无线数据传输、存储、检索、分析处理系统，系统的工作流程如图2所示。

3冻胀监测结果分析

2014年～2015年度对牡绥铁路路基1 125个断面、2406个观测点进行了冻胀监测。如图3所示，全线冻胀变形小于等于4 mm测点占总数83.50%， 4～6 mm测点约占总数10.39%，6～8 mm测点约占总数4.95%，大于8 mm测点占全部测点数1.16%，总体冻胀变形较小。按工点类型统计，各工点类型冻胀变形小于等于4 mm在81.65%～85%范围内，大致相当。另外，大于8 mm测点共28个，如图4所示，其中13个约46.4%发生在路堤地段，路堑及路涵过渡段分别各5个，各占17.9%，路桥过渡段3个，占10.7%，涵洞顶2个，占7.1%。

图3　路基冻胀量统计

图4　大于8 mm冻胀量的工点分布

图6　地下水位和含水量变化关系

将牡绥铁路沿线路方向每10 km划分成一个区段，统计区段内各路基段冻胀量平均值及最大值，绘制沿线路方向按区段路基冻胀变形分布(如图5所示)。

图5　牡绥铁路沿线纵向区段路基冻胀量分布

牡绥铁路沿线冻胀变形平均值在2.37～4.09 mm范围内，即沿线平均冻胀量较小。全线人工观测最大冻胀值为9.28 mm，发生在DK508+765，为一般路堤工点；最大自动监测冻胀变形为10.96 mm，发生在DK416+800，为浸水路堤工点，路基本体易积水。经过现场调查及填料核查，该工点基床表层和底层细颗粒含量分别为3.9%、3.5%～4.2%，细颗粒含量均满足要求。因此，基床排水效果不理想是造成该工点冻胀量偏大的主要原因。

4牡绥铁路路基冻胀规律

4.1地下水位和含水量的关系

地下水位影响路基中土的含水率，进而影响冻胀量的大小。如图6所示，牡绥铁路路基地下水位与含水量主要表现出以下特征：

①冻期前地下水位大于8 m时，地下水水位变化对路基本体含水量基本无影响，如图6(a)。

②冻结前地下水位接近4 m左右时就会对路基中土的含水量有影响，如图6(b)，地下水位仅影响基床底层含水量，对基床表层含水量基本无影响。进入冻期后，地下水水位降低，基床底层含水量减小，地下水对基床底层几乎无补给。当地下水位小于4 m时对基床地层含水量影响更大，会使基床底层含水量在整个冻结期内接近饱和。

4.2冻胀变形和含水量的关系

如图7所示，牡绥铁路路基冻胀监测中冻胀变形和含水量表现出如下特征：进入冻期之后，含水量会有明显的降低阶段，对应冻胀变形的快速增长阶段，之后含水量相对平稳，冻胀变形量增长趋势不明显，进入融期之后，含水量有增大趋势，冻胀变形相应回落。

图7　冻胀变形和含水量变化关系

4.3冻结深度和气温的关系

为反映气温和冻结深度的关系，引入冻期日平均气温绝对值代替气温变量，研究气温和冻结深度的关系。牡绥铁路路基冻胀监测中典型的冻结深度和气温关系如图8所示。

图8　冻结深度和气温的关系

冻期日平均气温和冻结深度随时间变化过程中，均经历了逐渐提升、达最大值后又逐渐降低的过程。日平均气温绝对值提升，即气温降低过程时间短，日平均气温绝对值降低，即气温回升时间长。冻结深度变化相反，冻结深度提升时间长，回落时间短。冻期日平均气温绝对值和冻结深度出现最大值时间不同，后者较前者滞后2个月左右，同时，冻期日平均气温绝对值出现峰值时，冻结深度只发展到1/3～1/2，冻期日平均气温为0 ℃时进入融期，冻结深度会回升1/5～1/4。

4.4冻胀变形和冻结深度的关系

如图9所示，牡绥线冻结深度与冻胀变形规律主要表现为三种形式。

图9　冻胀变形和冻结深度关系

①随冻结深度增大，冻胀变形持续增加，冻深加深时，冻胀变形滞后一周左右开始回落，如图9(a)。

②随冻结深度增大，冻胀变形持续，初始阶段逐步增大，当冻深超过一定深度后，冻胀变形不再增加或增加缓慢，冻深提升时，冻胀变形滞后一周左右开始回落，如图9(b)。

③随冻结深度增大，冻胀变形持续，初始阶段逐步增大，当冻深超过一定深度后，冻胀变形不再增加，冻结深度继续向下发展，冻胀变形逐步回落，冻深提升时，冻胀变形趋于平稳，如图9(c)。

5结论

通过对牡绥铁路路基冻胀监测数据分析，得出以下结论：

(1)基于物联网技术的路基冻胀监测系统可以全天候、实时自动采集冻胀变形量及其影响因素的数据值，可以实现数据无线传输和数据的存储管理和分析处理。该系统可以准确高效地对铁路路基进行冻胀监测。

(2)全线不同路基工点均有冻胀变形，但是普遍冻胀量较小，处于可控状态，验证了所采取的防冻胀措施是有效的。

(3)严寒地区的铁路路基冻胀问题不可避免，但是路基冻胀存在可循的冻胀规律，通过对其冻胀规律的研究可以有针对性的采取控制措施。

参考文献