李新增　石德斌

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津　300251)

Research on the Subgrade Frost heave Monitoring and Data Analysis of High-Speed Railway

LI Xinzeng　SHI Debin

高速鐵路路基凍脹監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析研究

李新增石德斌

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300251)

Research on the Subgrade Frost heave Monitoring and Data Analysis of High-Speed Railway

LI XinzengSHI Debin

摘要介紹高速鐵路路基凍脹監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析的方法，包括基準網(wǎng)和變形監(jiān)測的布設與測量，外業(yè)水準處理及數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。

關(guān)鍵詞高速鐵路路基凍脹監(jiān)測

高速鐵路路基凍脹監(jiān)測是一項全新的監(jiān)測工作，需要監(jiān)測路基凍脹的高速鐵路一般集中在我國的東北及西北等高寒地區(qū)，一個年度的觀測周期一般從每年的9月至次年的5月，即一個完整的凍融周期。

1基準網(wǎng)

對于路基凍脹監(jiān)測，如何建立監(jiān)測基準網(wǎng)是首先要解決的重要問題。要解決基準點穩(wěn)定性的問題，基準網(wǎng)點不能和路基同時發(fā)生凍脹，也不能因地面沉降等原因而影響監(jiān)測的精度。另外，基準點的間距太遠監(jiān)測點的精度會降低，間距太近影響測量成本及工作效率。

因線下地面精密水準網(wǎng)點受凍脹影響，不能直接作為路基凍脹監(jiān)測的基準，所以只能考慮將基準點埋設在線上。路基兩端的橋梁及其中間的框構(gòu)橋和涵洞的基礎埋設深度遠遠超過當?shù)貎鐾辽疃龋皇軆雒浻绊?。另外，高速鐵路路基段落的長度一般比較短，一般均在5 km以下，可以認為地面沉降對路基及其中間的框構(gòu)橋及涵洞等的影響一致。由各期路基凍脹監(jiān)測標的高程值與第一周期高程值做差求凍脹量時，可以把由地面沉降引其的誤差予以抵消。所以，在路基兩端的橋梁及路基中部涵洞的帽石上和框構(gòu)橋上設立基準點是可行的。

另外，根據(jù)多條線路建設期間積累的沉降觀測資料分析，路基凍脹量應該在10～20 mm左右，那么監(jiān)測精度按照凍脹量的1/10考慮其應該在1 mm左右，所以設置基點的距離應小于1 km并采用三等變形監(jiān)測精度進行監(jiān)測。當路基中間沒有距離合適的涵洞或框構(gòu)橋時，可以利用一個距離合適的CPⅢ點代替，但每次測量前需要用其前后的穩(wěn)定基準點對其進行修正。

2人工變形監(jiān)測點的布設

路基凍脹監(jiān)測點的布設，需要考慮路基本體的不同結(jié)構(gòu)和不同部位。要求既要能全面反映出路基不同結(jié)構(gòu)及部位的凍脹變形規(guī)律，布設的點又不能過多，否則將影響測量的效率，并給數(shù)據(jù)分析帶來困難。

應根據(jù)路基專業(yè)的設計意圖要求，合理制定變形監(jiān)測點的布設方案，有效地監(jiān)測路基及過渡段、軌道中心及路肩。布點方案要求：觀測斷面沿線路方向的間距一般不大于50 m，每個監(jiān)測單元不少于2個監(jiān)測斷面，過渡段處要在距離橫向構(gòu)筑物邊墻5～10 m處加設一個斷面。每個斷面布設4個點，分別位于線路左、右線凸形擋臺上及路基左右路肩上(如圖1所示)。

圖1　凍脹監(jiān)測斷面布點示意

3自動化變形監(jiān)測點的布設

凍脹嚴重地段可埋設自動化監(jiān)測設備，在底座板邊緣、路肩、路堤坡腳外和塹頂外等位置不同深度安裝設備，實時監(jiān)測溫度變化，以分析路基溫度場和變形場變化規(guī)律。每處自動化監(jiān)測設備均在不同的深度埋設了3個自動化形變監(jiān)測點，最下方的監(jiān)測點埋設在凍層以下10 cm，最上邊的測點埋設在級配碎石層底部，第三個埋設在這兩個監(jiān)測點之間，以分析不同結(jié)構(gòu)層的凍脹規(guī)律。

4路基凍脹監(jiān)測方式

4.1　基準網(wǎng)的建立

在首次監(jiān)測前，對線下精密基準網(wǎng)點采用二等水準進行檢核，對超限點進行更新。在確保線下水準點滿足二等精度的前提下，采用二等水準或不量儀器高及棱鏡高的三角高程法將線下基準引測至線上。三角高程測量時，保證路基首尾必須各有一個三角高程點，路基中間根據(jù)現(xiàn)場情況聯(lián)測，當三角高程點不能滿足線上間距1km時，采用二等水準內(nèi)插法進行加密，完成線上基準網(wǎng)的建網(wǎng)工作。

4.2　凍脹監(jiān)測點的測量

對于路基凍脹監(jiān)測點，由于數(shù)量眾多，綜合考慮監(jiān)測頻次、監(jiān)測成本及天窗時間等情況，路基監(jiān)測觀測方式如下：

①每次路基變形監(jiān)測前，需采用二等水準聯(lián)測的方式對線上基準點進行檢核，如果各個基準點間滿足二等水準的限差要求，則采用原值；如果不滿足可采用內(nèi)插法進行調(diào)整。

②監(jiān)測時，以CPⅢ為主水準路線(單側(cè))，采用二等水準往返測的形式測量，以中視方式觀測測站附近的斷面監(jiān)測點，并保證每個監(jiān)測點往返測時是以相同的CPⅢ點測量兩次。水準路線附合到路基兩端橋梁上的線上水準基準點上，并聯(lián)測路基中部涵洞或框構(gòu)橋上的水準基點。

③首次觀測應編制好水準線路圖，以后每次觀測均固定水準路線，并且規(guī)定儀器的擺放位置。

4.3　監(jiān)測周期確定

監(jiān)測周期需包含一個完整的凍融期，以便完整地掌握路基的凍脹發(fā)展規(guī)律，即凍脹前測量第一次，凍脹量達到最大值時測量第二次，開始融化前測量第三次，融化后測量第四次。另外，需根據(jù)鐵路局動檢資料進行加密周期測量，線上基準網(wǎng)點每周期均需進行檢測。

5數(shù)據(jù)處理方法

對于往返測監(jiān)測點高差較差按照2 mm進行控制，最終成果取往返測量的平均值。

各期監(jiān)測點高程值與第一周期高程值之差即為當前凍脹量。

6綜合分析

數(shù)據(jù)分析是路基凍脹監(jiān)測的核心問題。路基凍脹監(jiān)測的數(shù)據(jù)有人工監(jiān)測數(shù)據(jù)、自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)及鐵路局的動檢數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量大，分析困難。數(shù)據(jù)分析時不僅要對各周期監(jiān)測數(shù)據(jù)進行比較，以分析路基凍脹的變化趨勢及凍脹量，還應分析延線路方向監(jiān)測點的差異凍脹量情況。

首先，根據(jù)路基的不同結(jié)構(gòu)形式，按變形區(qū)間進行比例統(tǒng)計，以掌握不同結(jié)構(gòu)形式路基段的大致變化情況。

為了分析不同緯度間凍脹量變化情況，(由南往北)每20 km劃分成一個區(qū)段，統(tǒng)計區(qū)段內(nèi)各路基段凍脹量均值，從總體上掌握溫度對路基凍脹的影響，如圖2為某條高速鐵路以20 km為區(qū)段的平均凍脹量統(tǒng)計。

根據(jù)自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析不同結(jié)構(gòu)層的凍脹情況及路基凍脹的發(fā)展趨勢，如圖3所示。

圖2　某高速鐵路以20 km為區(qū)段的平均凍脹量統(tǒng)計

對動檢資料及人工監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行對比，驗證凍脹量與軌道平順性的關(guān)系。從大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析中可知，人工監(jiān)測數(shù)據(jù)及動檢數(shù)據(jù)之間在量值上相一致(如表1所示)。

圖3　某高速鐵路自動化監(jiān)測凍脹量統(tǒng)計

動檢資料運營里程/km行別長度/m峰值/(mm或g)超限類型80681下行14.12左高低108551下行14.1右高低119759上行14.84左高低119760上行14.78右高低123410下行14.57左高低128561下行25.08左高低129888下行1-4.14右高低129891下行2-4.37左高低129895下行35.62右高低129899下行14.09右高低129900下行55.79左高低130132下行1010.42長波長-左高低人工監(jiān)測情況起點里程終點里程距離不平順性值/mm起點凍脹量/mm終點凍脹量/mmK0080+666K0080+782442.490.753.24K0108+550K0108+595454.970.835.8K0119+745K0119+695502.561.133.69K0123+397K0123+44548-2.584.291.71K0128+545K0128+59550-2.485.583.1K0129+895K0129+94550-3.924.820.9K0129+895K0129+94550-3.924.820.9K0129+895K0129+94550-3.924.820.9K0130+145K0130+245100-4.975.650.68

7結(jié)束語

路基凍脹監(jiān)測工作周期長、測量精度要求高并且數(shù)據(jù)量大，為了掌握路基凍脹的變化規(guī)律，必須保證路基凍脹監(jiān)測的時效性，尤其是每年第一期監(jiān)測時必須在上凍前完成。應充分利用監(jiān)測數(shù)據(jù)分析凍脹變形、差異變形和變形速率等信息，并做好與動檢車檢測數(shù)據(jù)的綜合比對，以客觀合理判定凍脹現(xiàn)象。

另外，在已運營線上進行作業(yè)時，必須積極策劃、合理組織，加強現(xiàn)場管理，不影響列車的運營。

參考文獻

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中圖分類號：TU433

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)02-0017-03

作者簡介：第一李新增(1980—)，2005年畢業(yè)于河北理工大學測繪工程專業(yè)，工程師。

收稿日期：2014-12-31