哈齐客专涵洞冻胀监测方案探讨

李坤衡

（中国铁路设计集团有限公司,天津市 300142）

1 概述

哈齐客专是我国第一条建在高纬度严寒地区的客运专线，线路正线长280 km，分布140余座不同孔径的涵洞，全线采用Ⅰ型板式无砟轨道。自哈齐客专开工以来，虽然部分竣工涵洞经历了1～2个冬季，经现场巡检及走访施工方，均未发现出现冻害情况。但是没有细致的测试，微小的冻胀是难以发现的，运营后一旦有冻胀出现，就会影响轨道的平顺性，甚至影响行车安全。结合临近运营线路，如滨洲线、平齐线、滨北线等既有涵洞历年多发的冻胀病害情况，有必要对哈齐客专涵洞开展冻胀监测，本次有机会结合路基冻胀研究选取了哈齐客专线上4处有代表性涵洞进行冻胀监测，开创了严寒地区监测的先河，通过两年的数据积累取得了初步成果。本文主要对此次严寒地区的涵洞冻胀监测方案及具体实施情况予以介绍，通过对实测数据整理和分析为严寒地区类似铁路涵洞监测提供技术储备和理论基础[1-12]。

2 涵洞监测实施方案

2.1 测试工点选取

哈齐客专保护涵均埋于地下，且涵洞出入口设置有封堵墙或者检查井，可不考虑冻胀影响。所以，不选取保护涵作为冻胀监测工点。

立交涵孔径样式较多，有3 m、4 m、5 m、6 m等多种，从丰富监测工点的类型、总结不同条件下涵洞的冻胀规律来说，应该选取部分代表性的立交涵进行监测。但是，立交涵洞内埋设监测设备，极易损坏而起不到监测效果。

哈齐客专全线共设置145座线间排水涵，受项目特点限制，这些排水涵孔径均为1～2 m。选取工点时，从填土高度、涵洞长度、地基处理形式等方面丰富监测类型，结合2012～2013年度路基冻胀监测成果，并考虑监测工点相对集中的原则，综合选取工点见表1。

表1 选取工点汇总表

2.2 监测方案

为确保涵洞冻胀监测的时序性和准确性，此次监测主要采用自动化监测辅助人工监测的手段，双管齐下。本次监测的内容分为框架涵整体竖向位移变化、涵洞翼墙及基础承受的冻胀力、冻结深度在涵洞洞内的轴向分布以及涵洞基底以下土体的冻胀位移等四个方面。具体监测方案如下：

（1）涵洞整体竖向位移测量

涵洞施工期间已经预埋的沉降观测标见图1，要求结合沉降观测进行人工测量。

图1 涵洞人工监测布置图（单位：mm）

冻胀监测期间涵洞竖向位移观测频次，无砟轨道铺设前为1周1次，无砟轨道铺设后为2周1次。

（2）涵洞翼墙及基础冻胀变形测量

在涵洞一侧出口处，端部翼墙及基础内侧地面以下部分粘贴应变计。每座涵洞共布置1处，与地温计在同一侧。

应变测量采用表面应变计，应变片即传感器温度适用范围要求在-40℃以上。要求内置温度传感器，同时监测环境温度，对温度影响进行自动补偿修正，以求应变测量结果为冻胀影响实际值。采集方式为远程自动化数据采集。

应变计布置见图2。

图2 涵洞应变计布置图（单位：m）

（3）涵洞轴向地温分布测量

在涵洞轴向间隔埋布地温计，同时测量外界气温，以求测得最大冻结深度与大气温度的关系，以及冻结深度在涵洞轴向的分布情况。布点选在涵洞的一侧，即出口或入口，不同涵洞间交错布置，与应变计在同一侧。布点时在涵洞出入口段适当加密，涵洞中间可以稀疏，见图3。

图3 涵洞轴向地温分布测量图（单位：m）

地温计埋设时每个测试孔深度3.5 m，深度范围内间隔0.4 m 1个测点，布置竖向测点时注意须测量涵洞底板等混凝土结构的温度。地温元件要求温度适用范围-40℃以上，采集方式采用自动化数据采集。

（4）涵洞基底冻胀测量

涵洞轴向范围内冻胀计测孔布置同温度计，冻胀计与温度计同时埋设，测量涵洞基底以下冻结深度范围内各层土体（包括涵洞底板）的冻胀位移，即分层冻胀变形监测。冻胀计适应反复冻胀环境，能够在-40℃情况下正常工作。数据自动化采集。

图4为单个涵洞监测系统结构组成形式，对于每个监测点而言，在涵洞出入口外侧打1孔水位观测井，用于研究地下水位与土体冻胀的相互关系。观测期内水位井顶部采取保暖措施。所有传感器线缆套P V C保护管保护，并埋置地面以下，且保持地面平整。

图4 单个涵洞监测系统结构示意图

2.3 设备安装

由专业人员现场安装元件，监测人员现场指导，并保留安装过程的影像记录（见图5～图9）。

图6 涵内钻孔

图7 安装应力计

图8 冻胀计

图9 数据采集箱连接及调试

本次冻胀监测为期2 a，监测期利用事先布设好的传感器，通过数据自动化采集的完成大气温度、涵洞各测点地温、冻胀变形量以及应变量数据采集。传感器设置的是每天分别在 0：00、6：00、12：00和18：000采集四次数据。利用实测数据，将其按不同位置、不同深度和不同时间阶段进行整理分析，寻找出冻胀规律性。

2.4 数据采集方法

本次涵洞冻胀监测采用远程无线数据采集监控系统实现了对数据的自动化采集。监控系统主要由自动采集箱、无线传输模块和数据采集软件三部分组成，具体架构形式见图10、图11。

图10 远程无线数据采集监控系统架构图

图11 现场无线系统结构图

自动采集箱可以控制传感器在指定的时间自动进行测量，并将结果保存在传感器内。无线传输模版与自动采集箱配合，在有G S M网络覆盖地方，通过无线传输模版进行采集控制和数据传输。数据采集软件用于将各种方式采集到的数据汇总到数据库，并进行进一步的显示、处理、分析。可将测量数据保存为Excel文件，便于用户的后续分析、处理。

2.5 监测设备维护与保养

针对沉降观测标而言，要经常检查其有无变动，并防止外力破坏。表面应变计很容易损坏，其埋设后维护中需特别注意，回填时应将仪器全部覆盖，在埋设后半径1.5 m内禁止钻孔等有震动的作业。各设备仪器均安排人员定期进行检查、校核，以保证仪器的正常使用。

3 数据整理及分析

3.1 温度监测

以D K97+900涵为例，环境及地温各测点的温度变化曲线见图12。

图12 环境及地温各测点的温度变化曲线

根据监测数据结果，可发现以下规律：

（1）在冬季，埋深越浅地基土温度越低，即地温随着到地表距离的增加而增大；

（2）埋深等差变化时，温度递增的速率越来越小；

（3）地温曲线比气温曲线平缓，且埋深越大处越平缓；

（4）地温曲线比气温曲线的拐点滞后，埋深越大滞后时间越长，地面以下0.3 m处，地温极值比气温极值晚出现约1 d。

3.2 涵洞基础埋置深度研究

季节性冻土地区涵洞的病害绝大部分与涵洞基础埋置深度不足有关，忽视涵洞水流对冻土上限下降的影响，这些都是冻土地区涵洞产生病害的主要因素。涵洞基础埋置深度，应根据冻土的工程地质特征，涵洞结构类型等因素综合确定。

3.2.1 冻结深度确定

涵洞测试区地质情况均以厚层粉质粘土，其下为风化砂岩。以0℃作为土发生冻结的临界温度点，推算地温计实测土层冻结深度。鉴于四处涵洞地温变化规律基本一致，以D K97+174涵为例进行说明。

地温沿竖向变化曲线见图13。

图13 地温沿竖向变化曲线图

从图13中可以看出：

（1）哈齐客专涵洞监测地区涵洞范围内地层冻结深度一般在1.75 m左右；

（2）在2014年～2015年的监测期间，地表温度最低发生在一月中下旬，约为-10.5℃；

（3）由于土层传热延性影响，地表温度最低时并非为冻结深度最大时，冻结深度最大约发生在三月中下旬至四月初。

3.2.2 冻结深度沿轴向变化

通过对四处监测工点实测地温数据的整理发现，对于地温而言四处工点变化规律基本一致，以D K97+174涵为例具体描述涵洞冻结深度沿涵轴方向变化趋势。

涵洞冻结深度沿涵轴方向变化趋势见图14。

图14 涵洞冻结深度沿涵轴方向变化趋势图

从图14中可以看出：

（1）由于涵洞洞口直接与外界进行热交换，洞口处地基的冻结深度大于洞身中间部分。

（2）针对涵洞试验区域而言，涵洞过渡段为距洞口2.5～4.0 m范围内。

如图14所示为2014～2015年监测期间涵洞各位置处最大冻结深度，观测期没有达到当地最大冻结深度（2.14 m）。

3.2.3 埋置深度确定

以D K97+174位置处涵洞为例，结合涵洞轴向各位置处冻结深度，对比分析涵洞埋深是否在冻结线以下的土体冻胀变形量，见图15。

图16 冻胀变形量对比图

从实测冻胀变形数据上来看，冻胀变形在冻结线以上时实测土体冻胀变形量为1.75mm，而在冻结线附近时实测土体冻胀变形量仅为0.36mm。说明越靠近地面冻胀力越大，冻胀线附近冻胀力很小。

4 结语

通过对哈齐客专桥涵冻胀监测以及对基础埋深分析，对严寒地区涵洞冻胀监测方案及具体实施方案有了进一步的认识，监测数据初步分析成果表明，哈齐客专设计的涵洞选型、基础埋深能够满足冻胀要求，也验证《桥梁地基和基础设计规范》中有关冻土地基修建涵洞基础埋置深度的相关要求，为今后类似涵洞冻胀监测提供了技术支撑。

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