哈大高速铁路路基冻胀自动观测和深化分析研究

田士军

(中铁第一勘察设计院集团有限公司， 西安 710043)

哈大高速铁路路基冻胀自动观测和深化分析研究

田士军

(中铁第一勘察设计院集团有限公司， 西安 710043)

哈大高速铁路通车后，路基冻胀变形控制是其一项重要任务，为查明路基冻胀机理，探索适用的冻胀处理措施，对路基冻胀进行自动观测和深化分析研究。采用自动观测系统，对路肩以下5 m范围内路基的地温、水分、冻胀变形等进行观测，对观测结果进行统计分析和深化研究，研究结果表明：路基冻胀可分为5个阶段，冻深介于100～300 cm，基本上随着纬度的增大而增大；基床表层冻胀量占总冻胀量的40%～94%；融沉变形稳定后，存在4 mm以内的残余变形；路堤与路堑的冻胀发展过程极为接近，但路堤的冻深一般大于路堑，路堤的冻胀量一般略大于路堑。

哈大高速铁路；路基冻胀；自动观测

1 概述

哈尔滨至大连高速铁路纵贯我国季节性冻土广泛分布的东北地区，线路全长903 km，其中路基长231.245 km。哈大高速铁路沿线气候寒冷，极端最低温度-39.9 ℃，最大积雪厚度30 cm，最大土壤冻结深度在93～205 cm，土壤每年从10月开始冻结，次年4～5月全部融化，冻结时间长达5～6个月。

哈大高速铁路为设计最高时速350 km的无砟轨道高速铁路，对路基变形要求极为严格，要求工后沉降不超过15 mm[1]。路基与桥梁或横向结构物交界处的工后沉降差不应大于5 mm，不均匀沉降造成的折角不应大于1/1 000[2]。路基工程采取了设置防冻层、封闭层、隔断层、防冻胀护道和加强排水系统等防冻胀措施。

哈大高速铁路2007年8月开工建设，2012年2月线下工程基本完工。在建设之初取得的系列有关路基冻胀防治方面的研究成果[3-8]，对指导哈大高速铁路路基防冻胀设计及施工起到了积极的作用，但同时也存在一定的局限性。2012年3月，通过对路基段轨面高程进行复测发现，由于路基局部冻胀引起轨面出现不同程度抬高，最大抬高量超过20 mm，造成部分地段路基轨面不平顺[9]。根据各段冻胀具体情况，分别采取了一系列整治措施进行处理[10]。2012年底哈大高速铁路建成并开通运营。

对于投入运营后的哈大高速铁路，如何将冻胀变形控制在无砟轨道允许的标准范围之内，是其面临的一项重要任务。因此，在现有冻胀研究成果的基础上[11-12]，根据哈大高速铁路路基工程的现状，对路基冻胀开展了长期自动观测和深化分析研究工作，分析哈大高速铁路路基冻胀机理及填料的冻胀特性，探索研究适用的冻胀处理方案，保证高速铁路运营安全。

2 自动观测系统

自动观测系统主要由各种传感器、数据采集、数据传输和供电控制系统等组成。

2.1 温度传感器

采用专门针对冻土温度变化及分布状况观测设计的温度测绳，便于通过钻孔布设来观测路基深度方向的温度剖面及其随时间变化的规律，该设备测量精度高，长期稳定性好，能满足哈大高速铁路路基温度变化观测的需要。

2.2 水分传感器

采用测量土壤容积含水率的TDR-3型土壤湿度传感器。

2.3 冻胀计

采用YH40110(量程100 mm)型高精度冻胀计，精度1 mm，使用环境温度为-40～+80 ℃。

2.4 数据采集和传输系统

现场数据的采集、存储系统采用电阻和电流采集仪，内置数据存储芯片可以存储1 600条数据，可实时自动进行温度补偿。数据传输系统采用无线传输模块，以GPRS方式进行数据传输。

2.5 供电控制系统

供电系统由太阳电池板、充电控制器和蓄电池组成，供电系统工作环境温度-40～+85 ℃。

2.6 观测断面

根据自动观测需要，哈大高速铁路沿线共设置了42个观测断面，分布在全线13个区间段，涵盖了哈大高速铁路沿线所有气候特征地区。各观测断面在路肩钻孔，分别在路肩以下0.5 m、1.5 m、2.7 m处布设温度、水分传感器和冻胀计等观测设备，在轨道外合适位置安装数据采集和传输设备。自动观测系统布设如图1所示。

图1 自动观测系统布设示意

3 自动观测内容和方法

采用自动观测系统，对哈大高速铁路路肩以下5 m范围内路基的地温、水分、冻胀变形等进行自动实时观测，并通过传输系统将观测数据传输至数据处理终端。

根据观测及研究需要，按照各个季节的气温情况，冻胀期间每天在气温最高(约下午2点)和最低时(约清晨5点)分别观测1次，其他时期每2 d在气温最低时(约清晨5点)观测1次。

4 自动观测结果统计分析

4.1 冻胀变形统计分析

在42个路基自动观测断面中，冻胀变形≤10 mm的断面占总数的38%，10～20 mm的断面占总数的43%，20～30 mm的断面占总数的12%，>30 mm的断面占总数的7%。

4.2 冻深统计分析

自11月中旬开始，全线路基开始逐渐冻结变形，冻深随着时间的推移不断增大，全线最大冻深在100～300 cm，基本上随着里程(纬度)的增大而增大，可近似用线性关系表示，见图2。

图2 最大冻深沿里程变化情况

4.3 基床不同部位冻胀变形分析

路基冻胀可以分为级配碎石层冻胀和路基本体冻胀，级配碎石层冻胀量占总冻胀量的40%～94%，大部分断面基床表层的冻胀比例较大。这是由于路基基床表层底部设置有两布一膜隔水层，冻融季节表水在此汇集后不能有效向外排出，基床表层的级配碎石发生较强烈冻胀，导致路基变形，受不同的地质、水文和填料条件影响，其冻胀量比值存在一定波动。

4.4 残余变形分析

对各断面的残余变形进行统计，全线的残余变形均小于4 mm，其中：残余变形≤1 mm的占42%，1～2 mm的占15%，2～3 mm占25%，3～4 mm占18%。这说明高压密填料发生冻融后，不能够完全恢复原始变形，产生了松胀现象。

5 路基冻胀深化分析研究

5.1 路基冻结深度随气温条件的发展过程

根据气象部门资料，2012年10月15日到2012年11月15日哈大高速铁路沿线气温在零度上下波动；从2012年11月17日起气温持续下降，并于2012年12月下旬达到最低，直到2013年1月27日，气温一直保持低值，此期间最低气温记录值为-35 ℃；而在2013年1月底，气温突然升高，日最高气温达到0 ℃以上，之后气温又迅速回落。从2013年2月8日至2013年5月31日，气温表现为有波动地持续升高。气温变化情况以四平市为例，详见图3。

图3 四平市最高、最低气温变化情况

以K1084+358左侧路肩处观测点为例，分析实测冻结深度随时间变化的规律。在2012年11月17日之前，由于气温在零度上下波动，出现了反复的冻结-融解现象，见图4。从2012年11月17日至2013年1月27日，由于气温持续较低，路基冻结深度发展较快，冻结深度在2012年12月16日(此时冻深为1.1m)前基本上是以每天3.4 cm的速率随时间线性增大，从2012年12月17日到2013年1月底，以每天2.20 cm的速率随时间线性增大。2月1日以后，冻深以每天0.8 cm的速率继续增大，直到2013年3月13日达到最大值241 cm。此时日最高气温已经达到零度以上，然后随着气温的升高，冻深开始逐渐减小，同时，表层开始向下融解，在3月份到4月4日，由于气温的反复，表层出现了反复冻结-融解的现象，而在4月4日后，由于气温的进一步上升，表层融解以每天4.9 cm的速率快速发展，表层稳定融解速率为浅层冻深发展速率的1.5倍。到5月8日，冻层消失。

图4 K1084+358左侧路肩观测点冻深、融深、气温随时间变化情况

根据各观测断面的最大冻深值及达到日期，总体上来看，纬度越大，达到最大冻深的时间越晚，且最大冻深越大，融透的时间也越晚。路堤观测点的最大冻深基本上都大于相近的路堑观测点的最大冻深。最大冻深值随里程的变化情况见图5。

图5 最大冻深值随里程的变化情况

总之，冻深发展速率主要受外界气温控制，当气温在零度上下波动时，冻深会随之表现为反复出现-消失的过程。当气温保持在零度以下，稳定下降和之后的保持低温的时段内，冻深持续增长，基本可以分为两个线性发展阶段，当冻深小于1 m时，冻深增长较快，而当冻深超过1 m后，其发展速率变慢。随后，当温度开始明显的上升后，冻深以渐减的速率缓慢发展，并基本在气温达到零度以上时达到最大冻深，之后开始缓慢减小。与此同时，表层开始融解，在融解初期，由于气温的反复，会出现融解-冻结反复的现象，随着气温的进一步升高，表现为从上向下稳定融解，此时的融解速率明显大于冻结初期的冻深发展速率，直到融解线与冻深线重合，路基冻结层消失。

5.2 冻胀变形发展变化过程

对比各观测点的冻深和冻胀量随时间发展规律，虽然各断面的冻胀量值差别较大，但其随时间发展的规律却是基本一致的。以K902+452观测点为例，其冻胀计观测到的冻胀量随时间变化的规律如图6所示。

图6 K902+452观测点冻深、冻胀量随时间变化规律

所有观测点的冻胀变形随时间发展的规律有一个共同的特点，即：在开始冻结的1周内冻胀发展非常迅速，之后冻胀量发展速率显著减小，或冻胀量保持恒定、不再继续增大。而当冻深超过一定界限，也就是地下水能补给到冻结峰面后，冻胀量将重新开始发展。在春季，气温升高时一般不是稳定的上升，而是经常剧烈反复，由于路基浅层在外界气温的影响下反复冻融，而浅层的冻胀量又对总冻胀量的贡献较大，所以冻胀量表现为剧烈而不规则的变化，在此期间发生剧烈冻结时，特别是有外界水分供给的条件下，将会发生新的冻胀量增大。当路基完全解冻后，部分路基经过冻结作用的影响，将会残留一定的变形量，这反映了冻结作用对路基填料密实度的影响。

5.3 融沉变形发展变化过程

在冻深达到最大值时，日最高气温也对应地达到零度以上，然后随着气温的升高，冻深开始逐渐减小，同时，表层开始向下融解，观测到的变形开始减小。此时由于气温的反复，表层会出现反复冻结-融解的现象，这一时期的变形有3个显著特点：一是对应于剧烈的反复融解-冻结现象，会出现冻胀变形短期剧烈发展的现象；二是部分断面会出现明显大于冻结期冻胀量的瞬时冻胀量；三是在融解期剧烈变形时期，不同测量范围3个冻胀计的变化趋势和幅度近似相同，说明融解期由于反复冻融而发生的冻胀量剧烈变化和增加主要是发生在路基表层。

5.4 基床不同部位冻胀变形分析

根据各观测点0.5 m、1.5 m和2.7 m三个冻胀计的观测结果，可以计算得到路基填料各层在路基总冻胀量中所占的比例。0.4 m基床表层级配碎石层中发生的冻胀量一般超过该点总冻胀量的50%，其中8个观测点0.4 m厚基床表层级配碎石层中发生的冻胀量甚至超过了相应点总冻胀量的80%。把沿线15个观测断面各层填料对总冻胀量的贡献的百分数取平均，则0.4 m基床表层级配碎石层中发生的冻胀量占总冻胀量的73.5%，1.0 m厚防冻层中的冻胀量占19.2%，而其下1.3 m范围各土层只占7.3%。

6 结语

利用自动观测系统，对哈大高速铁路2012～2013年冬季路基冻胀进行实时观测，对观测数据进行统计分析和深化研究，分析总结了哈大高速铁路路基冻胀特点和发展变化规律，为哈大高速铁路的维护整治提供理论和技术支持，主要研究成果及结论如下。

(1)路基冻胀可分为初始波动、快速发展、低速稳定持续发展、波动融沉、融沉稳定5个发展变化阶段。

(2)路基冻胀可分为基床表层冻胀和路基本体冻胀，基床表层冻胀量占总冻胀量的40%～94%。

(3)全线冻深介于100～300 cm，基本上随着纬度的增大而增大。

(4)融沉变形稳定后，存在4 mm以内的部分残余变形。

(5)路堤与路堑的冻胀发展过程极为接近，但路堤的冻深一般大于路堑，路堤的冻胀量一般略大于路堑。

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Automatic Observation and Intensive Analysis of Frost Heaving of Harbin-Dalian High-speed Railway Subgrade

Tian Shijun

(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd， Xi’an 710043， China)

After Harbin-Dalian high-speed railway was opened to traffic， the control of subgrade frost-heaving deformation becomes one of the important tasks. Automatic observation and intensive analysis on frost heaving of the subgrade are conducted to ascertain the frost-heaving mechanism and explore applicable treatment measures. Automatic observation system is adopted to observe the temperature， moisture and frost-heaving deformation of subgrade within 5 meters under the shoulder. This article statistically analyzes and studies in detail the observation data. The results show that: subgrade frost heaving can be divided into five stages; frost-heaving deformation increases along with the rising of latitude at the freezing depth between 100～300 cm; frost heaving of surface layer accounts for 40% to 94% of the total amount; the residual deformation is less than 4mm after thawing settlement deformation becomes stable; development processes of frost-heaving in embankment and cutting are very similar， but the deformation and frozen depth in embankment is generally greater than that in cutting．

Harbin-Dalian high-speed railway; Frost heaving of subgrade; Automatic observation

2014-02-18；

：2014-03-01

田士军(1976—)，男，高级工程师，2001年毕业于兰州铁道学院铁道工程专业，工学学士，E-mail：23776692@qq.com。

1004-2954(2014)11-0007-04

U238； U213.1+4

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.002