寒冷地區客運專線路基凍脹變形觀測方案研究

夏 健

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

1 路基凍脹產生的機理及危害

寒冷地區路基凍脹主要原因為路基本體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，結冰后土體膨脹增大，形成路基凍脹。

客運專線列車行車速度高，對線路平順性、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指標超限，影響旅客乘坐舒適度，極端情況下危及行車安全。

2 路基凍脹變形觀測實施的意義

寒冷地區客運專線路基防凍脹設計主要從控制路基基床填料細顆粒含量、地表水封水、地下水處理等三方面進行。為評估氣溫、路基填料含水量對路基凍脹的影響，了解路基本體內水分的遷移、不同深度范圍土體凍脹的過程和凍脹量，從而為東北地區客運專線路基防凍脹設計提供詳實的基礎資料，迫切需要對路基凍脹變形的機理、過程進行全面、系統的觀測。

3 路基凍脹變形觀測實施方案研究

3．1 項目概況

盤錦至營口鐵路客運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89．314 km，設計時速350 km，采用我國自主研發的Ⅲ型板式無砟軌道。沿線主要城市的主要氣象要素如表1所示。

表1 沿線主要城市的主要氣象要素表

3．2 凍脹變形觀測方案

3．2．1 自動觀測

自動觀測主要包括地溫觀測、含水量觀測、凍脹變形觀測。均采用自動觀測，該方法能夠全天候、實時、自動化監測及報警，能夠遠程控制和數據處理。1)地溫監測。無砟軌道底座板邊緣地溫元件自路基級配碎石頂面以下0．2 m垂直向下布設至兩倍最大凍結深度處;路基護肩下地溫元件自護肩底面以下0．2 m垂直向下布設至兩倍最大凍結深度處;路基坡腳處設一處地溫觀測點，與路基本體范圍內測試數據相比較。2)含水量監測。無砟軌道底座板邊緣含水量元件自路基級配碎石頂面以下0．2 m垂直向下布設。路基護肩下含水量元件自護肩底面以下0．2 m垂直向下布設。3)凍脹變形觀測。凍脹變形觀測分定點凍脹變形觀測和縱向連續凍脹變形觀測兩部分。a．定點凍脹變形監測。無砟軌道底座板邊緣凍脹計自路基級配碎石頂面以下0．2 m布設。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．縱向連續凍脹變形監測。在不同換填深度及路涵過渡段上布設連續位移元件，監測路基面的凍脹變形。上述自動觀測方案中觀測元器件埋設方法見圖1。4)自動變形觀測元器件主要性能指標。經過對國內外儀器設備公司進行的大量調研工作，通過指標性能、技術參數以及技術服務等方面的調研分析對比，結合以往科研試驗采用的傳感器情況，本項目試驗傳感器主要技術指標如下:a．地溫傳感器:精度:0．01度;測量范圍:－40℃～+60℃。b．含水量傳感器:土壤容積含水量0%～100%;電導率(ECb)0～1 200;溫度－40℃～+60℃。c．凍脹計:量程100 mm，分辨率0．01 mm。5)自動變形觀測元器件埋設。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表層封堵材料前，在相應位置鉆孔成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，做好導線的保護工作;在護肩相應位置設置鉆孔平臺，鉆孔成φ100 mm的孔，將傳感器置于孔中，回填夯實，并做好護肩與邊坡的恢復工作。6)自動變形觀測數據采集、傳輸。遠程自動監測系統由數據采集、數據傳輸、數據處理三大子系統組成，如圖2所示。

圖1 一般路堤斷面元器件布置圖

圖2 遠程自動監測系統結構示意圖

3．2．2 人工觀測

1)觀測方案。人工觀測基準點利用線路上鋪設的CPⅢ點。無砟軌道地段每個觀測斷面布設4個凍脹觀測點，分別位于軌道底座板左右肩上。

2)觀測精度。沉降變形測量按變形測量三等規定執行，主要變形測量等級及精度如表2，表3所示。

表2 變形測量等級及精度要求 mm

表3 測網主要技術要求 mm

3．3 凍脹變形觀測實施方案

1)自動觀測。所有元器件埋設后必須至少測試5次初始讀數，剔除異常讀數后作為初始讀數。各測試項目的觀測頻率如下: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頻率。連續長期觀測時間不少于3年。

2)人工觀測。結合本項目沿線歷年氣象資料及每次觀測所需的時間，人工觀測時間計劃如下: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 結語

本項目第一年路基凍脹變形自動觀測及人工觀測均已全部完成，積累了大量的第一手測量數據，目前正在進行數據分析及整理。為日后寒冷地區客運專線路基凍脹變形整治方案的確定提供了詳實的基礎依據，為客運專線安全、可靠運營奠定了堅實的基礎。

［1］TB 10621-2009/J 971-2009，高速鐵路設計規范(試行)［S］．

［2］TB 10035-2006/J 158-2006，鐵路特殊路基設計規范［S］．

［3］趙潤濤．客運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．土的凍結作用與地基［M］．北京:科學出版社，2006．

［5］鐵道第三勘察設計院集團有限公司．新建盤錦至營口鐵路客運專線可行性研究報告［R］．

［6］鐵道第三勘察設計院集團有限公司．新建盤錦至營口鐵路客運專線路基防凍脹補強Ⅰ類變更設計文件［R］．