蘭新高鐵甘青段路基凍脹自動(dòng)監(jiān)測(cè)及分析研究

田士軍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

1 概述

蘭新高鐵是世界上一次性建成通車?yán)锍套铋L(zhǎng)的高速鐵路，是我國(guó)中長(zhǎng)期高速鐵路規(guī)劃網(wǎng)——“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)陸橋通道的重要組成部分，全長(zhǎng)1 777 km，其中：新疆段全長(zhǎng)710 km，甘肅段全長(zhǎng)799 km，青海段全長(zhǎng)268 km。蘭新高鐵于2009年11月開工建設(shè)，2014年12月開通運(yùn)營(yíng)。

蘭新高鐵甘青段東起甘肅省蘭州市，途經(jīng)青海省西寧市后折向北，穿越大阪山、祁連山山脈后再次進(jìn)入甘肅省，沿河西走廊一路西行至甘青段終點(diǎn)紅柳河。

蘭新高鐵甘青段路基工程全長(zhǎng)599.95 km，占線路長(zhǎng)度的56.3%，其中：路塹長(zhǎng)度56.78 km，占路基長(zhǎng)度的9.5%；路堤長(zhǎng)度543.17 km，占路基長(zhǎng)度的90.5%。祁連山前后海拔高、降水量大、土壤含水率高、氣候嚴(yán)寒，位于海拔2 500 m以上地區(qū)的路基有65.54 km，為路基凍脹易發(fā)地段。

蘭新高鐵為設(shè)計(jì)最高時(shí)速250 km的無砟軌道高速鐵路，對(duì)路基變形要求極為嚴(yán)格，要求工后沉降不超過15 mm[1]。路基與橋梁或橫向結(jié)構(gòu)物交界處的工后沉降差不應(yīng)大于5 mm，不均勻沉降造成的折角不應(yīng)大于1/1 000[2]。

路基凍脹容易引起軌道面出現(xiàn)不同程度的變形，從而造成軌面不平順，影響高鐵運(yùn)行安全[3-4]，為明晰蘭新高鐵甘青段路基凍脹機(jī)理及填料的凍脹特性，查明路基凍脹原因[5-15]，探索適用的凍脹處理措施，將凍脹變形控制在無砟軌道允許的范圍之內(nèi)，對(duì)路基凍脹先采用人工測(cè)量進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，根據(jù)人工監(jiān)測(cè)結(jié)果又開展了自動(dòng)監(jiān)測(cè)[16-17]，并對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)分析和深入研究，以便對(duì)影響高鐵運(yùn)營(yíng)的路基凍脹段落采取相應(yīng)的處理措施[18-23]。

2 凍脹監(jiān)測(cè)情況

2012年～2013年凍結(jié)季和2013年～2014年凍結(jié)季，利用路基沉降觀測(cè)樁對(duì)路基凍脹進(jìn)行了人工監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示祁連山前后路基凍脹量相對(duì)較大，大于4 mm的監(jiān)測(cè)點(diǎn)約占1.7%，最大凍脹量為7.6 mm；其余地段路基凍脹不明顯。

2014年～2015年凍結(jié)季，建設(shè)單位委托專業(yè)測(cè)量單位再次對(duì)路基凍脹明顯的段落進(jìn)行了人工監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度共87.74 km。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：凍脹量<4 mm的監(jiān)測(cè)點(diǎn)占總監(jiān)測(cè)點(diǎn)的82.5%，凍脹量4～8 mm的占13.8%，凍脹量8～12 mm的占2.3%，>8 mm的占1.4%，最大凍脹變形值為21.67 mm。2014年～2015年凍結(jié)季凍脹監(jiān)測(cè)值較2012年～2013年凍結(jié)季和2013年～2014年凍結(jié)季大。

為掌握路基凍脹發(fā)生和發(fā)展的規(guī)律，以便更好地采取針對(duì)性的處理措施，2015年～2017年凍結(jié)季，對(duì)蘭新高鐵甘青段開展自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

3 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)前期人工監(jiān)測(cè)情況和自動(dòng)監(jiān)測(cè)需要，考慮路基結(jié)構(gòu)形式，沿線共布設(shè)15個(gè)代表性監(jiān)測(cè)斷面，其中8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面安裝變形、水分和溫度傳感器，其余7個(gè)監(jiān)測(cè)斷面只安裝變形傳感器。

變形、水分和溫度傳感器均安裝在路肩上，布置形式如圖1所示。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面安裝3個(gè)凍脹傳感器，深度依次為0.5，1.5，2.7 m，分別安裝在3個(gè)不同深度的鉆孔中，水平間距為沿線路方向30～50 cm。溫度傳感器測(cè)溫總深度為5 m，間距依次為：0～0.6 m范圍間距5 cm，0.6～1.5 m范圍間距10 cm，1.5～3.0 m范圍間距25 cm，3.0～5.0 m范圍間距50 cm。水分傳感器安裝深度依次為：0.2、0.5、1.0、1.5、2.1、2.7 m。

圖1 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)示意(單位：m)

采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)路肩以下5 m范圍內(nèi)路基的地溫、水分、凍脹變形等進(jìn)行自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過傳輸系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理終端。

4 自動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

4.1 凍結(jié)深度發(fā)展過程

K2005+948和K2007+908兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面相距不足2 km，具有接近相同的微氣象條件，該兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面2015年～2016年和2016年～2017年兩個(gè)凍結(jié)期凍結(jié)深度發(fā)展情況分別詳述如下。

(1)K2005+948斷面

2015年10月26日，地表開始出現(xiàn)負(fù)溫，直到2015年11月4日，地表基本是“夜凍晝消”，持續(xù)時(shí)間10d左右；從2015年11月5日開始，凍結(jié)深度快速增加，直至2016年3月28日，凍結(jié)深度達(dá)到最大值377 cm；之后氣溫回升，凍深開始逐漸減小，同時(shí)表層向下融解，到5月16日凍結(jié)層完全融化。2016年10月25日開始出現(xiàn)負(fù)溫，地表開始凍結(jié)，直至2017年3月30日，凍結(jié)深度達(dá)到最大值304 cm；之后隨著氣溫回升，凍深開始逐漸減小，同時(shí)表層向下融解，到5月12日凍結(jié)層完全融化。K2005+948斷面凍結(jié)深度隨時(shí)間變化趨勢(shì)如圖2所示。

圖2 K2005+948凍結(jié)深度隨時(shí)間變化趨勢(shì)

(2)K2007+908斷面

2015年10月26日，地表開始出現(xiàn)負(fù)溫，直到2015年11月3日，“夜凍晝消”持續(xù)時(shí)間9d左右；從2015年11月4日開始，凍結(jié)深度快速增加，直至2016年4月7日，凍結(jié)深度達(dá)到最大值362 cm；之后隨著氣溫回升，凍結(jié)層從表層開始融化，凍結(jié)厚度逐漸減小，到5月16日凍結(jié)層完全融化。2016年10月26日，地表開始出現(xiàn)負(fù)溫，“夜凍晝消”的時(shí)間持續(xù)了僅僅3d；從2016年10月29日開始，凍結(jié)深度快速增加，直至2017年4月5日，凍結(jié)深度達(dá)到最大值315 cm；之后隨著氣溫回升，凍深逐漸減小，同時(shí)表層開始向下融解，到5月14日凍結(jié)層完全融化。K2007+908凍結(jié)深度隨時(shí)間變化趨勢(shì)如圖3所示。

圖3 K2007+908凍結(jié)深度隨時(shí)間變化趨勢(shì)

對(duì)比分析這兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面兩個(gè)凍結(jié)期的凍結(jié)深度變化情況，有如下特點(diǎn)。

(1)地表開始凍結(jié)的時(shí)間基本相同，都是10月末的最后一周，凍結(jié)深度從11月初開始快速增加，達(dá)到最大凍結(jié)深度的時(shí)間為3月底到4月初，之后隨著氣溫回升，凍結(jié)深度逐漸減小，同時(shí)表層開始向下融解，到5月中旬凍結(jié)層完全融化。

(2)兩個(gè)斷面兩個(gè)凍結(jié)期凍結(jié)深度持續(xù)增加的天數(shù)為150～160 d，兩個(gè)凍結(jié)期兩個(gè)斷面凍結(jié)深度均超過了300 cm，但2016年～2017年度比2015年～2016年度凍結(jié)深度減少了50～70 cm。

(3)兩個(gè)斷面凍結(jié)深度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，反映出凍結(jié)和消融主要受當(dāng)?shù)貧鉁刈兓挠绊憽．?dāng)氣溫達(dá)到零度以下時(shí)，開始出現(xiàn)凍結(jié)，隨著氣溫的下降和低溫的保持，凍結(jié)深度持續(xù)增長(zhǎng)，3月底到4月初達(dá)到最大，之后隨著氣溫回升，凍結(jié)深度逐漸減少，凍結(jié)層開始融化，直至完全消失。

4.2 凍結(jié)過程中水分遷移過程

K2005+948和K2007+908監(jiān)測(cè)斷面不同深度的含水量監(jiān)測(cè)結(jié)果和凍結(jié)深度發(fā)展過程分別如圖4、圖5所示。

圖4 K2005+948含水量隨時(shí)間和凍結(jié)深度變化情況

圖5 K2007+908含水量隨時(shí)間和凍結(jié)深度變化情況

由圖4、圖5可見，隨著凍結(jié)深度的增加，表層0.2 m深度的含水量變化較小，這是由于凍結(jié)前后，該深度處的含水量處于1%～4%的較低水平。其他深度的含水量均隨著凍結(jié)深度的增加而緩慢增加，這主要是由于凍結(jié)過程中水分向凍結(jié)鋒面遷移造成的[24-26]。3月底4月初，隨著氣溫回升至0 ℃以上，凍結(jié)層逐漸融化，土層中含水量略有增加，后因氣溫逐漸回升，蒸發(fā)量增加導(dǎo)致各層含水量均開始下降，且上層表現(xiàn)最為明顯。8月中旬0.5 m以下各層含水量達(dá)到最低值，其后隨著蒸發(fā)量減少，含水量又逐漸增加。

該兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面0.5 m深度以下各層含水量在兩個(gè)凍脹期變化趨勢(shì)非常相似。0.2 m深度含水量維持在1%～4%的較低水平，差異較小，原因是該處填料為級(jí)配碎石，填料保水性差，其含水量的變化主要受降雨、降雪和蒸發(fā)的影響。

從凍脹量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，凍結(jié)過程中的水分變化引起的凍脹變形情況主要包括兩部分：當(dāng)外界氣溫降低到0 ℃以下，級(jí)配碎石填料層中的液態(tài)水分原位凍結(jié)，產(chǎn)生了一定的凍脹變形；隨著凍結(jié)深度的不斷加深，路基填料中的水分開始凍結(jié)產(chǎn)生凍脹變形，且下部未凍土層中的水分不斷向上部?jī)鼋Y(jié)區(qū)遷移、聚集，并凍結(jié)成冰透鏡體，進(jìn)一步增加了凍脹變形。

圖6為2015年～2016年凍融期K2005+948斷面和K2007+908斷面不同路基深度在凍融前后水分空間分布圖。從圖6可以看出，路基斷面在經(jīng)歷了一個(gè)凍融期后，含水率一般均稍微增加。說明凍融期間，除填料中的水分在溫度梯度下發(fā)生重分布外，底部液態(tài)水也從毛細(xì)通道向著凍結(jié)鋒面進(jìn)行遷移聚集，也存在局部地段的外界降雨通過細(xì)小裂縫滲入到路基填料中。

圖6 2015-2016年凍融前后含水率隨深度變化曲線

4.3 凍脹變形發(fā)展過程分析

(1)K2005+948斷面

圖7為K2005+948斷面2015年～2017年兩個(gè)凍結(jié)期分層凍脹變形及凍結(jié)深度發(fā)展趨勢(shì)，圖中既有凍脹量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，也有凍結(jié)深度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖7 K2005+948凍脹變形、凍結(jié)深度隨時(shí)間變化趨勢(shì)

在2015年11月29日之前，隨著氣溫的波動(dòng)，路基凍脹量出現(xiàn)了較大幅度的波動(dòng)。11月30日之后，0.5 m處的凍脹計(jì)變形值基本保持穩(wěn)定，說明表層級(jí)配碎石已經(jīng)完全凍結(jié)，而1.5 m和2.7 m兩個(gè)凍脹計(jì)的變形發(fā)展非常迅速。直至2016年12月20日，各層凍脹變形進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，凍脹量隨凍結(jié)深度增加變化很小，此時(shí)凍結(jié)深度大約為1.3 m左右，說明1.3 m以下土層凍脹量很小。值得注意的是，進(jìn)入2017年3月份，隨著氣溫的回升，路基表層出現(xiàn)了短暫的凍融現(xiàn)象，由此產(chǎn)生的凍脹變形值略高于穩(wěn)定狀態(tài)的路基變形值。對(duì)比3個(gè)凍脹計(jì)的監(jiān)測(cè)變形值，可以得出凍結(jié)期路基上、中、下層凍脹最大變形值分別為2.1，2.2，0.0 mm。路基凍脹主要發(fā)生在深度1.5 m以上的土層。進(jìn)入3月末，伴隨著氣溫回升，路基表層開始融解，各凍脹計(jì)監(jiān)測(cè)到的凍脹量值開始下降。2016年10月底，第二個(gè)凍結(jié)期開始，整個(gè)凍脹變形過程與2015年～2016年非常相似，各凍脹計(jì)監(jiān)測(cè)到的凍脹量均比2015年～2016年略大，各凍脹計(jì)監(jiān)測(cè)最大值分別為3.4，7.1 mm和6.6 mm。計(jì)算3個(gè)層位凍脹變形值，可以得出凍結(jié)期路基上、中、下層凍脹最大變形值分別為3.4，3.7 mm和-0.5 mm，負(fù)值說明基床底層下部略有沉降變形。對(duì)比兩個(gè)凍結(jié)期路基凍脹變形，發(fā)現(xiàn)2016年～2017年最大凍脹量比2015年～2016年最大凍脹量增加了2.8 mm左右，凍脹變形主要發(fā)生在1.5 m以上深度。

(2)K2007+908斷面

圖8為K2007+908斷面2015年～2017年兩個(gè)凍結(jié)期分層凍脹變形及凍結(jié)深度發(fā)展趨勢(shì)，圖中既有凍脹量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，也有凍結(jié)深度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖8 K2007+908凍脹變形、凍結(jié)深度隨時(shí)間變化趨勢(shì)

2015年11月底，當(dāng)凍結(jié)深度超過50 cm后，0.5 m深度的凍脹計(jì)監(jiān)測(cè)到的變形值保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，但由于氣候變化原因，出現(xiàn)較小的波動(dòng)。2015年12月20日后，凍結(jié)深度超過150 cm，此時(shí)1.5 m深度的凍脹計(jì)監(jiān)測(cè)到的變形值保持穩(wěn)定。但2.7 m深度的凍脹計(jì)監(jiān)測(cè)到的變形值始終在波動(dòng)，直到2016年3月中旬達(dá)到最大值。對(duì)比3個(gè)凍脹計(jì)的監(jiān)測(cè)變形值，可以得出凍結(jié)期路基上、中、下層凍脹最大變形值分別為5.9，1.2，3.3 mm。進(jìn)入2016年3月末，伴隨著氣溫回升，路基表層開始融解，各凍脹計(jì)監(jiān)測(cè)到的凍脹量值開始下降。2016年10月底，第二個(gè)凍結(jié)期開始，整個(gè)凍脹變形過程與2015年～2016年非常相似，各凍脹計(jì)監(jiān)測(cè)到的凍脹量均比2015年～2016年大，各凍脹計(jì)監(jiān)測(cè)最大值分別為10.2，11.5 mm和14.8 mm。計(jì)算3個(gè)層位凍脹變形值，可以得出凍結(jié)期路基上、中、下層凍脹最大變形值分別為10.2，1.3 mm和3.3 mm。對(duì)比兩個(gè)凍結(jié)期路基凍脹變形發(fā)現(xiàn)2016年～2017年最大凍脹量比2015年～2016年最大凍脹量增加了4 mm左右，凍脹變形主要發(fā)生在路基上部。

5 監(jiān)測(cè)結(jié)果綜合分析研究

5.1 路基不同部位凍脹變形分析

根據(jù)各監(jiān)測(cè)斷面0.5，1.5 m和2.7 m三個(gè)凍脹計(jì)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以計(jì)算得到各監(jiān)測(cè)斷面路基各層凍脹量占總凍脹量的百分?jǐn)?shù)見表1。

表1 路基各層凍脹量占總凍脹量的百分?jǐn)?shù) %

路基各層凍脹量超過相應(yīng)點(diǎn)總凍脹量50%的斷面數(shù)見表2。

表2 路基各層凍脹量超過總凍脹量50%的斷面數(shù) 個(gè)

路基各層平均凍脹量占總凍脹量的百分?jǐn)?shù)如表3所示。

表3 各層平均凍脹量占總凍脹量的百分?jǐn)?shù) %

從表2和表3可以看出，基床表層及基床底層上部1.0 m范圍的凍脹量占總凍脹量的80%以上，說明路基上部?jī)雒浢黠@，對(duì)總凍脹量的貢獻(xiàn)最大。

5.2 不同路基結(jié)構(gòu)形式對(duì)凍脹的影響分析

在15個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)斷面中，2015年～2016年，只有1個(gè)斷面最大凍脹量小于5 mm，其余14個(gè)斷面最大凍脹量均大于5 mm，最大變形23.4 mm；2016年～2017年，所有斷面最大凍脹量均大于5 mm，最大變形24.2 mm。各凍脹量統(tǒng)計(jì)范圍監(jiān)測(cè)斷面?zhèn)€數(shù)見表4。

表4 各凍脹量統(tǒng)計(jì)范圍監(jiān)測(cè)斷面?zhèn)€數(shù) 個(gè)

低路堤斷面的凍脹量為6～25 mm，高路堤為7～10 mm，路塹為4～21 mm。2015年～2016年和2016年～2017年凍結(jié)季，最大凍脹量超過15 mm的5個(gè)斷面中均為4個(gè)低路堤和1個(gè)路塹；2016年～2017年凍結(jié)季凍脹量均有所增加。由此可見，較大凍脹變形主要出現(xiàn)在低路堤地段，高路堤地段凍脹變形相對(duì)較小。

6 結(jié)論

利用自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)蘭新高鐵甘青段2015年～2017年凍結(jié)季路基凍脹進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和深入研究，分析總結(jié)路基凍脹特點(diǎn)和發(fā)展變化規(guī)律，提出相應(yīng)的凍脹處理措施，為蘭新高鐵甘青段的路基維護(hù)和凍脹整治提供理論和技術(shù)支持，并可指導(dǎo)同類地區(qū)鐵路的防凍脹設(shè)計(jì)及施工。

(1)在填料一定的情況下，凍結(jié)深度的發(fā)展主要受氣溫的影響，負(fù)積溫達(dá)到最小值時(shí)凍結(jié)深度開始發(fā)展，達(dá)到最大值時(shí)凍結(jié)深度達(dá)到最大值。監(jiān)測(cè)最大凍結(jié)深度379 cm，最小凍結(jié)深度259 cm。

(2)10月底，地表開始凍結(jié)，隨著氣溫下降，凍結(jié)深度逐漸增加，表層0.2 m深度的含水量變化較小，其他深度的含水量均隨著凍結(jié)深度的增加緩慢增加。3月底4月初，隨著氣溫回升至零度以上，凍結(jié)層逐漸融化，土層中含水量略有增加，后氣溫逐漸回升，蒸發(fā)量增加導(dǎo)致各層含水量開始下降，8月中旬0.5 m以下各層含水量達(dá)到最低值，其后隨著蒸發(fā)量減少，含水量逐漸增加。

(3)基床表層及基床底層上部1.0 m范圍凍脹量占總凍脹量的80%以上，對(duì)總凍脹量的貢獻(xiàn)最大。設(shè)計(jì)及施工時(shí)基床表層應(yīng)采用滲透性級(jí)配碎石；基床表層以下凍結(jié)深度范圍內(nèi)，采用A、B組不凍脹填料或滲透性級(jí)配碎石，基床表層以下凍結(jié)深度的填料滲透系數(shù)應(yīng)大于基床表層級(jí)配碎石的滲透系數(shù)，各填料層間應(yīng)設(shè)置向外4%的坡度，以利排水。

(4)為減少路基凍脹量，應(yīng)采用全凍結(jié)深度防凍脹方案，以填料防凍脹為主，輔以防水、疏水和隔熱等綜合措施。具體措施有：嚴(yán)格控制填料中細(xì)顆粒含量以提高填料防凍性能；路基面設(shè)置防水層，以防地表水下滲；基床底層表面和基床換填底部設(shè)置隔水層，以防止地表水下滲和地下水入侵；全線設(shè)置完善的排水系統(tǒng)；設(shè)置防凍脹護(hù)道等。

(5)低路堤地段凍脹變形較嚴(yán)重，可采用基床表層級(jí)配碎石中摻適量水泥、設(shè)置保溫層等對(duì)防凍脹措施進(jìn)行加強(qiáng)。