高速鐵路路基凍脹監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析研究

李新增　石德斌

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)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

高速鐵路路基凍脹監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析研究

李新增石德斌

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300251)

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

LI XinzengSHI Debin

摘要介紹高速鐵路路基凍脹監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析的方法，包括基準(zhǔn)網(wǎng)和變形監(jiān)測(cè)的布設(shè)與測(cè)量，外業(yè)水準(zhǔn)處理及數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。

關(guān)鍵詞高速鐵路路基凍脹監(jiān)測(cè)

高速鐵路路基凍脹監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)全新的監(jiān)測(cè)工作，需要監(jiān)測(cè)路基凍脹的高速鐵路一般集中在我國(guó)的東北及西北等高寒地區(qū)，一個(gè)年度的觀測(cè)周期一般從每年的9月至次年的5月，即一個(gè)完整的凍融周期。

1基準(zhǔn)網(wǎng)

對(duì)于路基凍脹監(jiān)測(cè)，如何建立監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)是首先要解決的重要問(wèn)題。要解決基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定性的問(wèn)題，基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)不能和路基同時(shí)發(fā)生凍脹，也不能因地面沉降等原因而影響監(jiān)測(cè)的精度。另外，基準(zhǔn)點(diǎn)的間距太遠(yuǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的精度會(huì)降低，間距太近影響測(cè)量成本及工作效率。

因線下地面精密水準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)受凍脹影響，不能直接作為路基凍脹監(jiān)測(cè)的基準(zhǔn)，所以只能考慮將基準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)在線上。路基兩端的橋梁及其中間的框構(gòu)橋和涵洞的基礎(chǔ)埋設(shè)深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)當(dāng)?shù)貎鐾辽疃?，不受凍脹影響。另外，高速鐵路路基段落的長(zhǎng)度一般比較短，一般均在5 km以下，可以認(rèn)為地面沉降對(duì)路基及其中間的框構(gòu)橋及涵洞等的影響一致。由各期路基凍脹監(jiān)測(cè)標(biāo)的高程值與第一周期高程值做差求凍脹量時(shí)，可以把由地面沉降引其的誤差予以抵消。所以，在路基兩端的橋梁及路基中部涵洞的帽石上和框構(gòu)橋上設(shè)立基準(zhǔn)點(diǎn)是可行的。

另外，根據(jù)多條線路建設(shè)期間積累的沉降觀測(cè)資料分析，路基凍脹量應(yīng)該在10～20 mm左右，那么監(jiān)測(cè)精度按照凍脹量的1/10考慮其應(yīng)該在1 mm左右，所以設(shè)置基點(diǎn)的距離應(yīng)小于1 km并采用三等變形監(jiān)測(cè)精度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)路基中間沒(méi)有距離合適的涵洞或框構(gòu)橋時(shí)，可以利用一個(gè)距離合適的CPⅢ點(diǎn)代替，但每次測(cè)量前需要用其前后的穩(wěn)定基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行修正。

2人工變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

路基凍脹監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)，需要考慮路基本體的不同結(jié)構(gòu)和不同部位。要求既要能全面反映出路基不同結(jié)構(gòu)及部位的凍脹變形規(guī)律，布設(shè)的點(diǎn)又不能過(guò)多，否則將影響測(cè)量的效率，并給數(shù)據(jù)分析帶來(lái)困難。

應(yīng)根據(jù)路基專業(yè)的設(shè)計(jì)意圖要求，合理制定變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)方案，有效地監(jiān)測(cè)路基及過(guò)渡段、軌道中心及路肩。布點(diǎn)方案要求：觀測(cè)斷面沿線路方向的間距一般不大于50 m，每個(gè)監(jiān)測(cè)單元不少于2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，過(guò)渡段處要在距離橫向構(gòu)筑物邊墻5～10 m處加設(shè)一個(gè)斷面。每個(gè)斷面布設(shè)4個(gè)點(diǎn)，分別位于線路左、右線凸形擋臺(tái)上及路基左右路肩上(如圖1所示)。

圖1　凍脹監(jiān)測(cè)斷面布點(diǎn)示意

3自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

凍脹嚴(yán)重地段可埋設(shè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備，在底座板邊緣、路肩、路堤坡腳外和塹頂外等位置不同深度安裝設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度變化，以分析路基溫度場(chǎng)和變形場(chǎng)變化規(guī)律。每處自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備均在不同的深度埋設(shè)了3個(gè)自動(dòng)化形變監(jiān)測(cè)點(diǎn)，最下方的監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)在凍層以下10 cm，最上邊的測(cè)點(diǎn)埋設(shè)在級(jí)配碎石層底部，第三個(gè)埋設(shè)在這兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間，以分析不同結(jié)構(gòu)層的凍脹規(guī)律。

4路基凍脹監(jiān)測(cè)方式

4.1　基準(zhǔn)網(wǎng)的建立

在首次監(jiān)測(cè)前，對(duì)線下精密基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)采用二等水準(zhǔn)進(jìn)行檢核，對(duì)超限點(diǎn)進(jìn)行更新。在確保線下水準(zhǔn)點(diǎn)滿足二等精度的前提下，采用二等水準(zhǔn)或不量?jī)x器高及棱鏡高的三角高程法將線下基準(zhǔn)引測(cè)至線上。三角高程測(cè)量時(shí)，保證路基首尾必須各有一個(gè)三角高程點(diǎn)，路基中間根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況聯(lián)測(cè)，當(dāng)三角高程點(diǎn)不能滿足線上間距1km時(shí)，采用二等水準(zhǔn)內(nèi)插法進(jìn)行加密，完成線上基準(zhǔn)網(wǎng)的建網(wǎng)工作。

4.2　凍脹監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量

對(duì)于路基凍脹監(jiān)測(cè)點(diǎn)，由于數(shù)量眾多，綜合考慮監(jiān)測(cè)頻次、監(jiān)測(cè)成本及天窗時(shí)間等情況，路基監(jiān)測(cè)觀測(cè)方式如下：

①每次路基變形監(jiān)測(cè)前，需采用二等水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)的方式對(duì)線上基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行檢核，如果各個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)間滿足二等水準(zhǔn)的限差要求，則采用原值；如果不滿足可采用內(nèi)插法進(jìn)行調(diào)整。

②監(jiān)測(cè)時(shí)，以CPⅢ為主水準(zhǔn)路線(單側(cè))，采用二等水準(zhǔn)往返測(cè)的形式測(cè)量，以中視方式觀測(cè)測(cè)站附近的斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并保證每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)往返測(cè)時(shí)是以相同的CPⅢ點(diǎn)測(cè)量?jī)纱?。水?zhǔn)路線附合到路基兩端橋梁上的線上水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)上，并聯(lián)測(cè)路基中部涵洞或框構(gòu)橋上的水準(zhǔn)基點(diǎn)。

③首次觀測(cè)應(yīng)編制好水準(zhǔn)線路圖，以后每次觀測(cè)均固定水準(zhǔn)路線，并且規(guī)定儀器的擺放位置。

4.3　監(jiān)測(cè)周期確定

監(jiān)測(cè)周期需包含一個(gè)完整的凍融期，以便完整地掌握路基的凍脹發(fā)展規(guī)律，即凍脹前測(cè)量第一次，凍脹量達(dá)到最大值時(shí)測(cè)量第二次，開(kāi)始融化前測(cè)量第三次，融化后測(cè)量第四次。另外，需根據(jù)鐵路局動(dòng)檢資料進(jìn)行加密周期測(cè)量，線上基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)每周期均需進(jìn)行檢測(cè)。

5數(shù)據(jù)處理方法

對(duì)于往返測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)高差較差按照2 mm進(jìn)行控制，最終成果取往返測(cè)量的平均值。

各期監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程值與第一周期高程值之差即為當(dāng)前凍脹量。

6綜合分析

數(shù)據(jù)分析是路基凍脹監(jiān)測(cè)的核心問(wèn)題。路基凍脹監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)有人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及鐵路局的動(dòng)檢數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量大，分析困難。數(shù)據(jù)分析時(shí)不僅要對(duì)各周期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以分析路基凍脹的變化趨勢(shì)及凍脹量，還應(yīng)分析延線路方向監(jiān)測(cè)點(diǎn)的差異凍脹量情況。

首先，根據(jù)路基的不同結(jié)構(gòu)形式，按變形區(qū)間進(jìn)行比例統(tǒng)計(jì)，以掌握不同結(jié)構(gòu)形式路基段的大致變化情況。

為了分析不同緯度間凍脹量變化情況，(由南往北)每20 km劃分成一個(gè)區(qū)段，統(tǒng)計(jì)區(qū)段內(nèi)各路基段凍脹量均值，從總體上掌握溫度對(duì)路基凍脹的影響，如圖2為某條高速鐵路以20 km為區(qū)段的平均凍脹量統(tǒng)計(jì)。

根據(jù)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析不同結(jié)構(gòu)層的凍脹情況及路基凍脹的發(fā)展趨勢(shì)，如圖3所示。

圖2　某高速鐵路以20 km為區(qū)段的平均凍脹量統(tǒng)計(jì)

對(duì)動(dòng)檢資料及人工監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證凍脹量與軌道平順性的關(guān)系。從大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析中可知，人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及動(dòng)檢數(shù)據(jù)之間在量值上相一致(如表1所示)。

圖3　某高速鐵路自動(dòng)化監(jiān)測(cè)凍脹量統(tǒng)計(jì)

動(dòng)檢資料運(yùn)營(yíng)里程/km行別長(zhǎng)度/m峰值/(mm或g)超限類型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長(zhǎng)波長(zhǎng)-左高低人工監(jiān)測(cè)情況起點(diǎn)里程終點(diǎn)里程距離不平順性值/mm起點(diǎn)凍脹量/mm終點(diǎn)凍脹量/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結(jié)束語(yǔ)

路基凍脹監(jiān)測(cè)工作周期長(zhǎng)、測(cè)量精度要求高并且數(shù)據(jù)量大，為了掌握路基凍脹的變化規(guī)律，必須保證路基凍脹監(jiān)測(cè)的時(shí)效性，尤其是每年第一期監(jiān)測(cè)時(shí)必須在上凍前完成。應(yīng)充分利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析凍脹變形、差異變形和變形速率等信息，并做好與動(dòng)檢車檢測(cè)數(shù)據(jù)的綜合比對(duì)，以客觀合理判定凍脹現(xiàn)象。

另外，在已運(yùn)營(yíng)線上進(jìn)行作業(yè)時(shí)，必須積極策劃、合理組織，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理，不影響列車的運(yùn)營(yíng)。

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中圖分類號(hào)：TU433

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7479(2015)02-0017-03

作者簡(jiǎn)介：第一李新增(1980—)，2005年畢業(yè)于河北理工大學(xué)測(cè)繪工程專業(yè)，工程師。

收稿日期：2014-12-31