高速铁路路基冻胀综合监测体系研究

孙英潮，闫宏业，蔡德钩，陈锋，姚建平

(1.哈齐铁路客运专线有限责任公司，黑龙江哈尔滨150090;2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

高速铁路路基冻胀综合监测体系研究

孙英潮1，闫宏业2，蔡德钩2，陈锋2，姚建平2

(1.哈齐铁路客运专线有限责任公司，黑龙江哈尔滨150090;2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

阐述了人工水准观测、自动监测(冻胀、冻深、水分)、轨道动态检测、轨道状态检查等方式应用于高速铁路路基冻胀监测的功能定位、仪器设备要求、测试要点及数据处理要求。针对高速铁路路基冻胀综合监测体系总体要求，探讨了高速铁路建设与运营各阶段不同监测方式的相互关系。高速铁路路基冻胀综合监测体系的建立为高速铁路建设期间的动态设计及安全运营提供了技术保障。

高速铁路 路基冻胀 综合监测 自动监测 人工观测 轨道检测

1 概述

中国正在东北和西北地区展开大规模的高速铁路建设。截至2015年3月，东北地区已投入运营的高速铁路超过1 000 km，在建超过2 000 km;西北地区投入运营的高速铁路近3 000 km。拟修建的北京到莫斯科的欧亚高速运输走廊，全长将超过7 000 km。这些高速铁路穿越了冻土广泛分布的高寒地区，面临着路基冻胀问题。

高速铁路对路基变形要求极高，冻胀会导致线路平顺性降低。对于上述地区的高速铁路，路基冻胀的综合监测至关重要。建设期间通过冻胀监测可发现设计或施工质量问题以便及时变更设计或加以整治，使路基状态满足抗冻胀的要求，一般采用人工水准观测和自动监测［1-3］。运营期间通过监测可发现冻害地段沿线路的分布，掌握冻胀发展与轨道平顺性之间的关系，对冻害进行预判，为线路的养护提供依据，一般采用轨道动态检测和人工水准测量［4］。

自2012年高寒地区第一条高速铁路——哈大高速铁路运营以来，我国在路基冻胀监测和检测方面取得了一系列研究成果，已经形成了基于人工水准观测、自动监测、轨道动态检测等多种方式相结合的综合监测体系。本文对近3年的实践成果进行梳理，探讨人工水准观测、自动监测、轨道动态检测、轨道状态检查等方式应用于高速铁路路基冻胀监测的功能定位、仪器设备要求、测试要点及数据处理要求等，为我国乃至世界高寒地区高速铁路建设及运营期间的冻胀监测提供参考。

2 高速铁路路基冻胀综合监测体系

2.1 人工水准观测

水准测量是用水准仪和水准尺测定测点不同时间的高差，适用于铁路路基表面、道床面和轨面冻胀变形监测。

2.1.1 仪器设备要求

东北地区高速铁路处于严寒地区，冬季夜晚最冷时温度一般在－20℃以下，而电子水准仪工作温度一般在－20℃～+50℃。因此，在这种条件下必须对仪器采取保暖措施，以保证仪器的正常使用。常用的方法是对电子水准仪采用电热毯进行加热，同时必须配备发电机。

2.1.2 测试要点

1)监测网宜采用与高速铁路高程控制网一致的高程系统和精度等级，监测基准网应布设成闭合环状或环形网等形式。水准基点应埋设在所监测的冻胀变形区以外的稳固基岩上，亦可利用稳固的建筑物或构筑物设立墙上水准点。高速铁路路基冻胀变形监测应按三等水准测量精度要求进行施测，变形监测网可采用独立坐标和高程系统，按工程需要的精度等级建立，并与施工控制网联测。

2)变形监测点分为基准点、工作基点和冻胀变形观测点。每个独立的监测网应设置不少于3个稳固可靠的基准点，且基准点的间距不宜大于1 km，基准点可使用全线稳固的基岩点、深埋水准点、CPⅠ，CPⅡ和二等水准点。

3)路基表面监测点宜根据工程建设或运营的需要，在两侧路肩、上下行底座板边缘、凸台、路基中心等位置布设冻胀变形观测点。如无特殊需要，铺轨前可仅在路基表面上下行中心、路基中心设置监测点，铺轨后无砟轨道路基可只在上下行凸台及路基中心位置进行设置，对于有砟轨道可仅在两侧路肩和路基中心设置监测点。

4)路基表面冻胀变形监测应根据当地气象条件，在临近地层冻结之前开展监测工作，获取首期观测值。冻胀变形监测频率应根据当地气候条件与冻胀变形速率进行设计，在能够系统地反映冻胀变形过程的前提下尽量减少监测工作量。在冻胀监测实施过程中，监测时间间隔应根据冻胀变形值和冻胀速率作出调整。当出现冻胀变形值突变、地下水位变化及降雨等外部环境变化时应增加观测频次。

5)建设期间应对全线路基地段冻胀展开水准监测。第一个冬季，在高速铁路路基起冻之前一个月，水准观测不少于1次;冻胀发展阶段，水准观测至少1次/月;融化前隙，观测不少于1次;路基融透后，不少于1次。第一个冬季之后，冻胀发展阶段可不用观测。运营期间，应依据轨道平顺性和线路维护整治的要求，结合轨道检测、水准观测、自动监测结果综合确定水准观测范围，观测次数可适当减少。

2.1.3 数据处理要求

监测数据记录应采用统一的路基冻胀监测记录表格。要及时记录和整理监测数据，保证监测数据齐全、详细、规范。我国水准监测数据处理采用自主研发的通用地面数据处理系统(FSDI-GDPAS)。

2.2 自动监测技术

自动监测技术通过智能化的传感监测系统对路基冻胀变形、冻深及水分变化进行实时监测，以掌握路基冻胀发生、发展的规律，为线路科学维护提供依据。

2.2.1 冻胀监测

冻胀自动监测用于监测高速铁路路基不同深度的冻胀与融沉变形。冻胀计主要由测量盘、锚固端、电测位移传感器及测杆等部件组成，将锚固端设置在相对不动点，测量盘设置在待监测的高程处。利用测量盘与路基同步变形使电测位移传感器内部发生相对滑移来实现监测冻胀变形的目的。

1)设备要求

冻胀计精度应不低于0.10 mm，其工作温度－40～80℃，量程宜选择冻胀变形预估量的1.5～2.0倍。测杆为不锈钢材质，具有较低的线膨胀系数，宜＜10－5/℃。采集、传输、控制、供电系统的工作温度为－40～80℃，电源线和信号线的胶皮应具有耐低温性能。冻胀计护管采用波纹管，其在垂直方向可自由伸缩变形。应对测试系统受温度误差的影响进行评估和标定。

2)测点设置及监测要求

建设期间应针对典型断面、特殊结构和病害地段，设置冻胀自动监测断面，间距不大于50 km。运营后，应根据轨检动态检测、水准观测结果划定的冻害地段增加相应冻胀监测断面。

监测点可设置在轨道结构下部、混凝土底座外缘、线间、路肩、坡角外原地面。轨道结构下部监测点宜在高速铁路建设期间进行设置，否则，冻胀计顶部测量盘应与混凝土底座固定在一起。运营期间，如无其他要求，新增监测断面可只设1个监测点，可设在混凝土底座外缘。

冻胀分层观测时，冻胀计锚固端宜设置在不同性质填料或路基结构的设计深度处。当监测点处同时进行地温监测时，可不必进行冻胀分层监测。

应在日平均温度达到0℃之前15 d进行数据采集，作为冻胀变形初值。采集传输频率可为1次/d，入冬、春融期间或气象剧烈变化时期应增加监测频率，可设为1次/h。

3)数据处理要求

应统计分析路基分层冻胀比例，以明确冻胀明显层位，同时分析冻胀不同阶段发展变化特征，掌握各阶段冻胀量变化和冻胀速率的变化，为后继冻胀处理提供依据。

2.2.2 冻结深度自动监测技术

冻结深度监测是通过在路基中不同深度设置温度传感器，采集路基中地温，监测路基冻结深度的发展变化。

1)设备要求

温度传感器可选用三线制或四线制温度计，精度不低于0.01℃，正常使用寿命不低于10年。须对温度传感器的导线长度、测试系统的温度误差影响进行评估和标定。

2)传感器间距及监测要求

传感器间距在基床冻结深度影响范围内可取10～15 cm，其下可增加至30～50 cm。

采用原路基填料进行分层夯填，每层厚度不大于20 cm，保证达到初始路基压实状态。埋设过程中，温度计须保持垂直拉伸状态。应检查并记录各个温度传感器的埋设深度。

冻结深度监测要求与冻胀监测要求相同。

3)数据处理要求

绘制地温和冻结深度的时程曲线，以掌握冻结深度不同阶段特征及冻结深度随时间变化特征，并统计分析冻结深度沿线路分布情况。

2.2.3 水分自动监测技术

水分自动监测计用于监测高速铁路路基在冻结过程中基床填料水分变化过程。在标定填料含水率和电信号之间的对应关系后，可通过监测路基中电信号的变化来反映路基中含水率的变化。

1)设备要求

水分传感器精度应不小于±2%，正常使用寿命不低于10年。须对水分传感器在实际介质条件下的测试性能进行评估和标定，对测试系统的温度误差影响进行评估和修定。

2)设置要求

采用路基原料分层回填，每层厚度不大于20 cm，确保其状态接近初始路基状态，避免对传感器及传导线造成损伤。要确保埋设孔采取了分层阻水措施，保证大气降水不进入测试孔以致影响测试结果。应当采集当地大气数据以辅助分析水分变化。

3)数据处理要求

绘制水分变化时程曲线以掌握大气降水对不同深度水分的影响特性，分析冬季不同深度水分的变化特性，为路基的冻胀分析提供帮助。

2.3 轨道动态检测技术

轨道动态检测适用于标准轨距铁路轨道几何状态的动态检测。通过测量轨道几何状态识别轨道病害，并监控轨道病害发展规律，指导轨道养护维修。测量内容包括高低、轨向、轨距、水平、三角坑(扭曲)、复合不平顺、轨距变化率、车体垂向加速度、车体横向加速度等检测项目。

1)装备要求

采用高寒综合检测列车对线路进行检测，检测车应能在－40～+50℃环境条件下正常工作。

2)测试要点

按线路实际运营速度进行检测，检测标准依批复的线路运营速度进行评价。冻融期相较非冻融期应加密轨道动态检测次数。

3)数据处理要求

检测过程中，由于受天气(阳光、雨雪)以及其他干扰不能真实反映实际轨道几何状态的检测结果应予以剔除，之后计算出局部峰值偏差等级、长度及轨道质量指数作为轨道状态评价的依据。

轨道几何状态Ⅰ级超限处所应进行静态复核，并建立超限处所履历，包括历史检测数据、维护措施、历次维护调整量，做到跟踪监控。

2.4 轨道静态检查

轨道静态检查适用于标准轨距铁路的轨道几何参数静态检测。用铁路轨道检查仪对轨道的轨向、高低、轨距、水平、扭曲等静态几何参数进行测量，可快速查找轨道线路病害位置，指导施工人员对线路进行整治。

数据处理前，需要人工建立包含被测线路曲线起终点里程、半径、超高、缓长、坡度等曲线要素的线型参数库。利用检测结果指导施工时，单次或搭接后的数据测点前后20 m出现的病害均不能当作真实病害。须对病害位置进行搭接测量后才能进行分析、整治。对于曲线段，导入线型参数库后得到的数据结果才能进行搭接处理。用检测结果指导施工时，须人工分析数据得出调整量，之后才能对轨道病害进行整治。

3 监测数据综合分析与维护管理

3.1 监测数据综合分析

1)分析人工水准观测和轨道检测结果的时空分布特征，掌握全线主要冻害地段的分布;结合维护措施及扣件调整资料，分析冻胀重点区段轨道波形变化特征。

2)分析轨道检测结果与水准观测结果的关系，得出路基冻胀传递特征。

3)分析气象、冻胀、冻结深度与水分自动监测结果的关联性，掌握高速铁路路基冻胀影响因素、发展规律和特征。

4)分析轨道动态检测、轨道静态检查与冻胀、冻深自动监测结果的关联性，得出线路维护措施和维护时机。

5)结合气象、地质、设计等资料及路基各部分演化特点，对比分析检测、监测结果的年际变化，预测线路状态变化，形成维护整治建议。

3.2 数据和设备维护管理

监测数据由中国铁路总公司统一管理，并建立完善的数据库系统，形成具有信息查询、发布和综合分析的信息化体系。

用于监测的现场设备应由相关单位或铁路局工务部门定期维护和检修。现场监测设备建设期应由监测单位维护，运营期可交由铁路局进行管理，或由铁路局委托原监测单位进行管理。

4 高速铁路路基冻胀综合监测体系总体要求

高速铁路路基冻胀监测方式应根据高速铁路建设或运营不同阶段特点、冻害具体情况，结合工程地质、气候条件、环境特点等因素合理确定。

人工水准观测费时费力，应以掌握初值、冻胀最大值及融沉值为原则优化监测次数。自动监测(包括冻胀、冻结深度、水分等参数的监测)，主要是对重点和典型地段的实时监测以掌握冻胀发展的规律和特征，为线路维护提供依据。建设期间主要采用水准观测、自动监测相结合的方法，掌握路基冻胀的程度和冻害的分布，为施工验收、动态设计及冻害整治提供依据。

轨道检测是高速铁路线路维护最重要的方式。激光长弦轨道检查为主要的现场检查方式之一，可快速对冻胀段路基进行线路状态检测，是线路具体维护方案制定与实施的重要依据。通过测量轨道几何状态，识别轨道病害，并监控轨道病害发展规律，指导轨道养护维修。线路铺轨后可采用轨道检查仪进行冻胀静态测量。运营期间冻胀检测应主要采用综合检测列车，同时辅以人工添乘和晃车仪检查。在路基冻胀上涨和回落期，应加强对轨道几何状态的动态检测，实时掌握高速铁路全线轨道变化状态。动态检测的范围和频率由运营单位根据当地气候条件及项目实际情况确定。轨道检测结果应与水准观测、自动监测结果相结合进行综合分析。运营单位针对动态检测发现的Ⅰ级及以上超限处所应采用轨道检查仪、水准仪、人工弦线及激光弦线等测量设备进行静态复核，确定超限处所和病害的准确位置。

水准观测和自动监测结果应进行相互比对，对存在的偏差应分析原因，必要时更换或维修受损设备。各种监测方式的监测周期应依据路基冻害整治效果和线路维护水平确定。此外，还应收集气候、工程地质、设计等资料，并在自动监测传感器埋设时进行填料取样，作为数据分析的基础。

路基冻胀监测工作应体现信息化的特色，各项目应建立完善的数据库系统，形成具有信息查询、发布、数据处理和综合分析的信息化体系，并实现观测单位、建设单位及运营单位的数据共享，监测成果数据由中国铁路总公司统一管理。

5 结语

高寒地区高速铁路路基冻胀综合监测至关重要，我国高速铁路路基冻胀综合监测体系的建立将为高速铁路的建设管理和安全运营提供有力技术支撑。

［1］邰博文.深季节冻土地区铁路路基冻胀融沉现场监测分析［D］.石家庄:石家庄铁道大学，2014.

［2］王春雷，张戎垦，赵晓萌，等.季节冻土区高速铁路路基冻胀监测系统及冻胀规律研究［J］.冰川冻土，2014(4):962-968.

［3］陈则连，冷景岩.哈齐客运专线路基冻胀变形研究［J］.路基工程，2014(6):131-134.

［4］哈大铁路客运专线有限责任公司.哈大高铁运营长期连续观测技术及冻胀整治技术研究［R］.沈阳:哈大铁路客运专线有限责任公司，2014.

Research on com prehensive monitoring system for inspecting subgrade frost heave on high speed railway

SUN Yingchao1，YAN Hongye2，CAI Degou2，CHEN Feng2，YAO Jianping2
(1.Harqi Passenger-dedicated Railway Co.，Ltd.，Harbin Heilongjiang 150090，China; 2.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

W hen different methods such as m anual leveling observation，autom atic monitoring(frost heave，frost depth，and m oisture)，track dynam ic inspection and track status inspection are used to inspect subgrade frost heave on HSR，their function，devices requirem ents，testing principium and data analysis requirem ents were d iscussed.Accord ing to the general requirem en ts of com prehensive m onito ring system for inspecting subgrade frost heave on HSR，the relationships of different monitoring methods during different periods such as construction and operation stage w ere investigated.T he estab lishm en t of com prehensive m onitoring system for inspecting subgrade frost heave prov ides technical supports for dynam ic design du ring construction period and safe operation for HSR.

HSR(high speed railw ay);Subgrade frost heave m onitoring;Com prehensive m onitoring;Autom atic m onitoring;M anual leveling observation;T rack inspection

U216.41+7

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.24

1003-1995(2015)06-0092-04

(责任审编李付军)

2015-02-10;

2015-03-26

铁道部科技研究开发计划项目(Z2012-062);中国铁路总公司科研试验任务(Z2013-038);铁道科学技术研究发展中心科研项目(J2014G003);中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2013G009-G，2014G003-A);中国铁道科学研究院基金项目(2013YJ032)

孙英潮(1973—)，男，黑龙江哈尔滨人，工程师。