连续与智能压实控制技术在高速铁路建设中的应用

徐光辉　高辉　雒泽华

0 引 言

中国高速铁路建设正在蓬勃发展，其工程质量决定着后期的安全运营状况。由于高速铁路使用无砟轨道，因此路基已成为当前高速铁路建设中最薄弱的环节。从某种意义上讲，高速铁路的成功与否取决于路基的工程质量。路基必须具有足够的抵抗变形的能力和均匀性，才能为高速行驶的列车提供安全、舒适和平稳的运行环境。决定路基结构性能的关键要素是选择优良的填料并进行充分合理的压实，压实质量控制更是施工阶段的焦点。

路基压实质量控制的传统方法是事后抽样检验，该方法存在诸多弊端，很难控制路基的整体质量，特别是均匀性。目前，利用振动压路机碾压过程中的振动信号进行连续控制的技术已成为现代压实控制方法的代表，被欧美誉为“筑路技术的第三次革命”。这类技术在欧洲被称作连续压实控制（CCC），美国称作智能压实（IC），中国则采纳了这两种称谓。

这类技术的核心之一就是控制指标。早期以振动压路机响应信号中不同谐波的比值作为控制指标，俗称“谐波比”或压实计方法，但与传统检测结果（如地基系数K30、变形模量Ev2、压实系数K等）的一致性很差，严重影响了普及推广[1]。德国在21世纪初期提出了利用振动压路机动态响应获取填筑体振动模量的新方法，在一定程度上使大家重新认识了这项技术，但德国技术与特定型号的压路机捆绑在一起，并且技术保密、价格昂贵，限制了其普及应用。本研发团队从1993年开始研究这项技术，采用动力学方法对振动压路机与填筑体相互作用问题进行了长期研究，于1998年提出采用填筑体结构抗力作为压实控制指标的动力学方法，并进行了大量的实践验证工作[2]。在此基础上提出了钢轮与路基相互作用的连续体模型、离散体模型、碰撞模型和钢轮动力学模型以及相应的求解方法。該方法经过参数识别可以得到填筑体结构的模量、抗力和刚度系数等与压实质量直接相关的控制指标，解决了振动压路机弹跳状态下无法正确识别压实质量这一国外还未解决的问题，并在实践中得到了验证，同时也为高级智能压实设备的研发奠定了基础。

2008年以来，在原铁道部的大力支持下，本研发团队承担了铁道部重点科研项目和相关技术标准的编制任务。结合高速铁路的特点，从技术原理、测试技术、技术标准和工程应用等方面进行系统研究，取得了具有完全自主知识产权的系列成果，为在高速铁路建设中的应用奠定了基础。目前这项技术已经在铁路建设中开始普及应用，对于提高高速铁路路基压实质量起到了促进作用。本文将对近年来这项技术在高速铁路建设中的应用情况进行概述。

1 技术原理

连续与智能压实控制技术的实质是一个“刚性圆柱体在弹塑性体上振动和移动状态下的动力学求解以及参数识别与控制”问题，目前尚无理想的解析解答，但可以进行近似解答，前提条件是要满足工程精度要求。

图1为振动压路机碾压路基填筑体时的动力学模型，其中路基结构物性参数采用模量E、泊松比μ和密度ρ表征。振动碾压过程中，钢轮受到的力为：旋转激振力 Psin ωt、自重Mg和路基结构抗力Fr，如图1（a）所示。其中路基结构抗力Fr与压实力是作用力与反作用关系，为狭窄条状荷载，分布特征如图1（b）所示。

对于钢轮与填筑体的相互作用，可以分别建立填筑体的连续模型和钢轮的振动模型，它们之间以压实力建立联系。经过复杂的求解（正问题）和参数识别（反问题），理论上可以得到路基结构的抗力Fr、模量E、泊松比μ和密度ρ等参数。一般在实际应用时以识别模量为主，并且将依据振动压路机响应信息得到的路基模量称之为估算模量“Eest”或“Est”。在得到连续控制指标后，就可以利用振动压路机碾压过程中的相关信息进行连续与智能压实控制了。

2 测试模式

由于压路机的移动性，在碾压过程中无法在路基填筑体上进行连续量测。目前惟一可行的测试方案就是将量测系统布置在压路机上，以连续获取钢轮的动态响应信息，再按照动力学模型求解和识别。这是一种间接的量测技术，以振动压路机碾压过程中的动态响应为基本信息来间接识别路基填筑体的力学性能参数。

图2显示了一个完整的振动压实测试方案。安装在钢轮上的传感器可以感知携带了路基压实质量相关信息的振动信号，驾驶室内装有自行研制的量测系统，可进行信号采集等各种信息处理，经过复杂的计算等步骤，可以得到路基结构的抗力、模量和刚度系数等与压实质量直接相关的参数（统称振动压实值VCV）。根据压实质量控制准则，对压路机和路基填筑体发出反馈控制指令，实现在碾压过程中的连续与智能压实控制。

3 应用流程与应用条件

3.1 连续与智能压实控制应用程序

根据《铁路路基填筑工程连续压实控制技术规程》（TB 10108—2011）要求，连续与智能压实控制技术按照4个工艺流程进行操作：设备检查——检测振动压路机和量测系统是否符合技术要求；相关校验——检验所采用的连续控制指标与常规检测指标具有是否较好的一致性（要求相关系数不小于0.70）并确定目标控制值；过程控制——在碾压过程中对压实程度、压实稳定性和均匀性进行实时控制；质量检测——对碾压面进行全面的连续检测，确定压实薄弱区域，以便在薄弱区内选点进行常规验收检验。

3.2 应用条件

在路基填筑碾压过程中，可以采用连续与智能压实控制技术的必要条件是，连续指标与常规指标之间的相关系数不得小于0.70。相关系数通过相关校验试验予以确定。所谓相关校验试验就是在试验段上进行的对比试验，一般要求测得不少于18组对比试验数据，然后进行统计回归处理，得到相关系数、相关方程以及连续控制的目标值，如图3所示。其中常规控制值[K30]=130 MPa·m1，对应的目标振动压实值[VCV]=[Eest]=160 MN·m2。后面将利用这个结果进行过程控制。

这里强调这项技术应用条件的主要目的之一是为了保证连续检测与常规检测结果的一致性。由于连续与智能压实控制是一类技术的统称，受商业利益驱使，许多以控制碾压遍数的数字化施工技术混入其中，如国外趋于淘汰的压实计（谐波比）技术，经过包装和不熟悉这项技术的强势部门的推荐，又开始在高铁建设中强行使用。但由于控制指标与常规检测指标之间的一致性很差，经常出现矛盾的检测结论，不但会造成施工管理上的混乱，更会给高铁路基压实质量带来安全隐患。因此，有关部门应该严格把关，杜绝“伪技术”泛滥。

4 控制要素与控制准则

根据高速铁路的特点，路基结构必须在强度、刚度、稳定性和均匀性方面满足相关技术要求。因此，在碾压过程中需要控制压实程度、压实稳定性和压实均匀性这3个要素。

4.1 压实程度控制准则

控制压实程度的目的是控制路基填筑体物理力学性能达到规定值，解决路基填筑体是否有足够强度和刚度支承上部结构的问题。压实程度判定由下式给出。

VCVi ≥[VCV]

式中：VCVi 为碾压面上第i个检测单元的振动压实值（连续检测）结果，代表1.0 m2面积上的综合值，[VCV]为目标振动压实值。

对于整个碾压面而言，受各种条件的影响（如施工水平、填料变异或分布不均等），要求碾压面上每一点的压实程度都达到目标值是一个很苛刻的要求，因此提出一個碾压面压实程度通过率控制准则。一般要求碾压面压实程度的通过率要达到规定的要求，即

式中：[]为规定的通过率标准值，可以根据工程等级和技术要求进行设定；ST为压实程度通过的面积；S为碾压面积。高速铁路规定为，其中不通过的检测单元应呈分散分布状态，连通面积不得大于5.0 m2。

4.2 压实稳定性控制准则

压实稳定性主要是从控制填筑体物理力学性能的稳定程度方面考虑的，是指压实状态随碾压遍数变化程度的相对大小。一般用前后2遍压实振动值之差的相对大小表示，即

式中：[δ]为规定的控制精度，应视具工程等级、填料粗细、压路机吨位和工艺参数等而定，一般可取[δ]=1%～3%；VCV（n+1）为n+1次碾压的压实振动值；VCVn为第n次碾压的压实振动值。

4.3 压实均匀性控制准则

压实均匀性是指路基结构性能在碾压面上分布的一致性。压实均匀性控制的是路基填筑体物理力学性能的均匀分布程度，解决能否均匀支承上部结构的问题。对于高速铁路而言，压实均匀性非常重要。根据现有的调查资料，目前仅对压实状态的低值区域进行控制还是符合实际情况的，因为高速铁路安全运营最怕的还是路基的不均匀沉降问题。鉴于此，标准中给出了一种简单易行的控制准则，即

式中：为压实振动值得均值；为系数，在压实标准中规定λ=0.80。因此，上述准则的实质是对压实数据按照“0.8倍均值”进行控制。

5 工程应用

连续与智能压实控制技术是从2008年开始在高速铁路和普通铁路建设中应用的；曾先后在哈大高铁、京沪高铁、成灌铁路和兰新铁路中进行试验性应用；2012年中国首部连续压实控制标准颁后，开始在铁路建设中正式应用，并在沪昆高铁贵州段、京沈高铁、石济高铁、商合杭高铁、济青高铁以及呼准鄂铁路和黔张常铁路等建设中成功应用。下面首先给出应用的全过程实例 ，然后讨论几个常见的优点。

5.1 碾压全过程控制

对于路基填筑碾压来讲，在进行完相关校验试验、确认技术可用并取得目标值后，便可以在与试验段性质相同的施工段中进行碾压全过程控制了。根据图3给出的相关数据，压实程度可以按照[VCV]=[Eest]=160 MN·m2进行控制，压实稳定性按照[δ]=3%控制，压实均匀性按照控制。其控制结果见图4～6。这种可视化的图形式检测结果简单明了，由安装在驾驶室中的设备显示给操作者，以便于进行反馈控制。

图4显示的是路基碾压面的压实程度随碾压遍数的变化情况。在振动碾压第6遍之后，碾压面上达到目标值的区域占总面积的94%（即通过率），此时可以停止碾压，再进行1遍连续检测（起到补充碾压作用），其通过率便可以达到95%。

图5所示为压实稳定性随碾压遍数的变化情况。由于填料性质很好，相邻2遍压实值的相对差δ逐渐减小，直至小于3%。图中红色代表δ大于3%，绿色代表符合规定的精度要求。

图6所示的是压实均匀性随碾压遍数的变化情况。可以看出，尽管每一遍数下的压实数据的平均值都不相同，但是均没有出现小于0.8倍均值的区域。这说明在振动压路机压实工艺稳定的条件下，压实均匀性主要取决于填料的性质，并不随碾压遍数而发生太大的变化。因此，对于均匀性而言，控制好填料是关键。

在结束碾压过程控制后，需要对碾压面进行1遍连续质量检测，以便最终确定碾压面的压实程度分布和压实状态分布，识别压实薄弱区域。按照标准要求，需要在压实薄弱区内即（图7的压实状态分布中的红色区域）进行常规质量验收检验。对其中2点检测K30，其结果均大于[K30]=130 MPa·m1，显示出2种检测结果的一致性和连续与智能压实控制的可靠性。但这是以相关检验试验通过为前提条件的。

5.2 连续与智能压实控制的几个优点

上述实例是填料比较理想的情况，实际遇到的情况比较复杂。下面以京沈高铁辽宁段施工中遇到的情况为例，阐述连续与智能压实控制的一些优点。

5.2.1 防止欠压和常规抽样检测的漏检

某站场，填料为土石混填，第三方（外国）检测单位进行抽检，选取6个点进行常规抽检（K30），其结果全部合格，如图8所示。但经过连续检测，发现其中有20 m长范围内的VCV值明显低于其他区域，没有达到目标值要求，处于不合格状态，对该区域检测K30，发现不合格。增加2遍碾压后，连续检测达到目标值要求，同时K30检测结果合格。分析其原因，系填料分布不均匀造成的。

可见连续检测避免了局部的欠压问题，也避免了以往因局部压实质量差而对碾压面全部进行处理，以及常规抽样检验不足的问题。

5.2.2 优化碾压遍数

某施工段，填料为砂性土。根据试验段结果，要求碾压7遍，但是K30检测总是不合格。采用连续与智能压实控制后，发现碾压5遍后VCV达到目标值，此时K30检测也合格，而再增加碾压遍数时，VCV值反而开始降低，如图9所示。

上述实例说明，单纯依靠试验段结果进行碾压遍数控制是不可靠的，因为填料总会发生一些变异。连续控制方法可以优化碾压遍数，节省工时和费用，同时也避免了过压问题。

5.2.3 识别填料的可压实性

某施工段，填料为粗粒料，经过十几遍碾压，K30检测仍然不合格。采用连续压实后发现，其VCV值并不随碾压遍数发生太大的变化（图10（a）），与正常碾压规律（图10（b））不同。究其原因，系填料级配不好所致（粒径大且单一）。经多方研究，采用改善填料的方案处理（掺加一定量的不同粒径细料），经过8遍碾压，达到规定要求。上述现象也可以用压实稳定性进行说明。

6 结语

本文概述了连续与智能压实控制技术在高速铁路建设中的一些应用情况，给出了应用流程、必要条件和碾压过程控制准则，以实例的方式阐述了其具体应用过程和一些常规控制方法很难实现的优点。连续与智能压实控制技术已经在高速铁路建设中应用，提高了高铁路基的施工质量，但同时也存在一些问题。目前突出问题之一就是数字化施工技术以及与常规检测结果不一致的早期技术泛滥，应引起有关管理部门的重视。

从国内外不同领域关注这项技术的情况来看，主流发展方向将是高级智能压实技术。随着理论研究的深化、测试技术的进步以及高级智能压实设备的研发和应用，相信该技术会引起筑路技术新的革命，推动相关领域科技的进步。

参考文献：

[1] 徐光辉，雒泽华.连续压实控制技术中压实计方法的谐波比指标的局限性问题研究[J].筑路机械与施工机械化，2015，32（8）：34-38.

[2] 徐光辉.路基连续压实控制动力学原理与工程应用[M].北京：科学出版社，2016.