田士軍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

蘭新高鐵是世界上一次性建成通車里程最長的高速鐵路，是我國中長期高速鐵路規(guī)劃網(wǎng)——“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)陸橋通道的重要組成部分，全長1 777 km，其中：新疆段全長710 km，甘肅段全長799 km，青海段全長268 km。蘭新高鐵于2009年11月開工建設，2014年12月開通運營。

蘭新高鐵甘青段東起甘肅省蘭州市，途經(jīng)青海省西寧市后折向北，穿越大阪山、祁連山山脈后再次進入甘肅省，沿河西走廊一路西行至甘青段終點紅柳河。

蘭新高鐵甘青段路基工程全長599.95 km，占線路長度的56.3%，其中：路塹長度56.78 km，占路基長度的9.5%；路堤長度543.17 km，占路基長度的90.5%。祁連山前后海拔高、降水量大、土壤含水率高、氣候嚴寒，位于海拔2 500 m以上地區(qū)的路基有65.54 km，為路基凍脹易發(fā)地段。

蘭新高鐵為設計最高時速250 km的無砟軌道高速鐵路，對路基變形要求極為嚴格，要求工后沉降不超過15 mm[1]。路基與橋梁或橫向結構物交界處的工后沉降差不應大于5 mm，不均勻沉降造成的折角不應大于1/1 000[2]。

路基凍脹容易引起軌道面出現(xiàn)不同程度的變形，從而造成軌面不平順，影響高鐵運行安全[3-4]，為明晰蘭新高鐵甘青段路基凍脹機理及填料的凍脹特性，查明路基凍脹原因[5-15]，探索適用的凍脹處理措施，將凍脹變形控制在無砟軌道允許的范圍之內(nèi)，對路基凍脹先采用人工測量進行了監(jiān)測，根據(jù)人工監(jiān)測結果又開展了自動監(jiān)測[16-17]，并對自動監(jiān)測結果進行系統(tǒng)分析和深入研究，以便對影響高鐵運營的路基凍脹段落采取相應的處理措施[18-23]。

2 凍脹監(jiān)測情況

2012年～2013年凍結季和2013年～2014年凍結季，利用路基沉降觀測樁對路基凍脹進行了人工監(jiān)測，監(jiān)測結果顯示祁連山前后路基凍脹量相對較大，大于4 mm的監(jiān)測點約占1.7%，最大凍脹量為7.6 mm；其余地段路基凍脹不明顯。

2014年～2015年凍結季，建設單位委托專業(yè)測量單位再次對路基凍脹明顯的段落進行了人工監(jiān)測，監(jiān)測長度共87.74 km。監(jiān)測結果顯示：凍脹量<4 mm的監(jiān)測點占總監(jiān)測點的82.5%，凍脹量4～8 mm的占13.8%，凍脹量8～12 mm的占2.3%，>8 mm的占1.4%，最大凍脹變形值為21.67 mm。2014年～2015年凍結季凍脹監(jiān)測值較2012年～2013年凍結季和2013年～2014年凍結季大。

為掌握路基凍脹發(fā)生和發(fā)展的規(guī)律，以便更好地采取針對性的處理措施，2015年～2017年凍結季，對蘭新高鐵甘青段開展自動監(jiān)測。

3 自動監(jiān)測系統(tǒng)

根據(jù)前期人工監(jiān)測情況和自動監(jiān)測需要，考慮路基結構形式，沿線共布設15個代表性監(jiān)測斷面，其中8個監(jiān)測斷面安裝變形、水分和溫度傳感器，其余7個監(jiān)測斷面只安裝變形傳感器。

變形、水分和溫度傳感器均安裝在路肩上，布置形式如圖1所示。每個監(jiān)測斷面安裝3個凍脹傳感器，深度依次為0.5，1.5，2.7 m，分別安裝在3個不同深度的鉆孔中，水平間距為沿線路方向30～50 cm。溫度傳感器測溫總深度為5 m，間距依次為：0～0.6 m范圍間距5 cm，0.6～1.5 m范圍間距10 cm，1.5～3.0 m范圍間距25 cm，3.0～5.0 m范圍間距50 cm。水分傳感器安裝深度依次為：0.2、0.5、1.0、1.5、2.1、2.7 m。

圖1 自動監(jiān)測系統(tǒng)布設示意(單位：m)

采用自動監(jiān)測系統(tǒng)，對路肩以下5 m范圍內(nèi)路基的地溫、水分、凍脹變形等進行自動實時監(jiān)測，并通過傳輸系統(tǒng)將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理終端。

4 自動監(jiān)測結果統(tǒng)計分析

4.1 凍結深度發(fā)展過程

K2005+948和K2007+908兩個監(jiān)測斷面相距不足2 km，具有接近相同的微氣象條件，該兩個監(jiān)測斷面2015年～2016年和2016年～2017年兩個凍結期凍結深度發(fā)展情況分別詳述如下。

(1)K2005+948斷面

2015年10月26日，地表開始出現(xiàn)負溫，直到2015年11月4日，地表基本是“夜凍晝消”，持續(xù)時間10d左右；從2015年11月5日開始，凍結深度快速增加，直至2016年3月28日，凍結深度達到最大值377 cm；之后氣溫回升，凍深開始逐漸減小，同時表層向下融解，到5月16日凍結層完全融化。2016年10月25日開始出現(xiàn)負溫，地表開始凍結，直至2017年3月30日，凍結深度達到最大值304 cm；之后隨著氣溫回升，凍深開始逐漸減小，同時表層向下融解，到5月12日凍結層完全融化。K2005+948斷面凍結深度隨時間變化趨勢如圖2所示。

圖2 K2005+948凍結深度隨時間變化趨勢

(2)K2007+908斷面

2015年10月26日，地表開始出現(xiàn)負溫，直到2015年11月3日，“夜凍晝消”持續(xù)時間9d左右；從2015年11月4日開始，凍結深度快速增加，直至2016年4月7日，凍結深度達到最大值362 cm；之后隨著氣溫回升，凍結層從表層開始融化，凍結厚度逐漸減小，到5月16日凍結層完全融化。2016年10月26日，地表開始出現(xiàn)負溫，“夜凍晝消”的時間持續(xù)了僅僅3d；從2016年10月29日開始，凍結深度快速增加，直至2017年4月5日，凍結深度達到最大值315 cm；之后隨著氣溫回升，凍深逐漸減小，同時表層開始向下融解，到5月14日凍結層完全融化。K2007+908凍結深度隨時間變化趨勢如圖3所示。

圖3 K2007+908凍結深度隨時間變化趨勢

對比分析這兩個監(jiān)測斷面兩個凍結期的凍結深度變化情況，有如下特點。

(1)地表開始凍結的時間基本相同，都是10月末的最后一周，凍結深度從11月初開始快速增加，達到最大凍結深度的時間為3月底到4月初，之后隨著氣溫回升，凍結深度逐漸減小，同時表層開始向下融解，到5月中旬凍結層完全融化。

(2)兩個斷面兩個凍結期凍結深度持續(xù)增加的天數(shù)為150～160 d，兩個凍結期兩個斷面凍結深度均超過了300 cm，但2016年～2017年度比2015年～2016年度凍結深度減少了50～70 cm。

(3)兩個斷面凍結深度監(jiān)測數(shù)據(jù)基本一致，反映出凍結和消融主要受當?shù)貧鉁刈兓挠绊?。當氣溫達到零度以下時，開始出現(xiàn)凍結，隨著氣溫的下降和低溫的保持，凍結深度持續(xù)增長，3月底到4月初達到最大，之后隨著氣溫回升，凍結深度逐漸減少，凍結層開始融化，直至完全消失。

4.2 凍結過程中水分遷移過程

K2005+948和K2007+908監(jiān)測斷面不同深度的含水量監(jiān)測結果和凍結深度發(fā)展過程分別如圖4、圖5所示。

圖4 K2005+948含水量隨時間和凍結深度變化情況

圖5 K2007+908含水量隨時間和凍結深度變化情況

由圖4、圖5可見，隨著凍結深度的增加，表層0.2 m深度的含水量變化較小，這是由于凍結前后，該深度處的含水量處于1%～4%的較低水平。其他深度的含水量均隨著凍結深度的增加而緩慢增加，這主要是由于凍結過程中水分向凍結鋒面遷移造成的[24-26]。3月底4月初，隨著氣溫回升至0 ℃以上，凍結層逐漸融化，土層中含水量略有增加，后因氣溫逐漸回升，蒸發(fā)量增加導致各層含水量均開始下降，且上層表現(xiàn)最為明顯。8月中旬0.5 m以下各層含水量達到最低值，其后隨著蒸發(fā)量減少，含水量又逐漸增加。

該兩個監(jiān)測斷面0.5 m深度以下各層含水量在兩個凍脹期變化趨勢非常相似。0.2 m深度含水量維持在1%～4%的較低水平，差異較小，原因是該處填料為級配碎石，填料保水性差，其含水量的變化主要受降雨、降雪和蒸發(fā)的影響。

從凍脹量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，凍結過程中的水分變化引起的凍脹變形情況主要包括兩部分：當外界氣溫降低到0 ℃以下，級配碎石填料層中的液態(tài)水分原位凍結，產(chǎn)生了一定的凍脹變形；隨著凍結深度的不斷加深，路基填料中的水分開始凍結產(chǎn)生凍脹變形，且下部未凍土層中的水分不斷向上部凍結區(qū)遷移、聚集，并凍結成冰透鏡體，進一步增加了凍脹變形。

圖6為2015年～2016年凍融期K2005+948斷面和K2007+908斷面不同路基深度在凍融前后水分空間分布圖。從圖6可以看出，路基斷面在經(jīng)歷了一個凍融期后，含水率一般均稍微增加。說明凍融期間，除填料中的水分在溫度梯度下發(fā)生重分布外，底部液態(tài)水也從毛細通道向著凍結鋒面進行遷移聚集，也存在局部地段的外界降雨通過細小裂縫滲入到路基填料中。

圖6 2015-2016年凍融前后含水率隨深度變化曲線

4.3 凍脹變形發(fā)展過程分析

(1)K2005+948斷面

圖7為K2005+948斷面2015年～2017年兩個凍結期分層凍脹變形及凍結深度發(fā)展趨勢，圖中既有凍脹量監(jiān)測數(shù)據(jù)，也有凍結深度監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖7 K2005+948凍脹變形、凍結深度隨時間變化趨勢

在2015年11月29日之前，隨著氣溫的波動，路基凍脹量出現(xiàn)了較大幅度的波動。11月30日之后，0.5 m處的凍脹計變形值基本保持穩(wěn)定，說明表層級配碎石已經(jīng)完全凍結，而1.5 m和2.7 m兩個凍脹計的變形發(fā)展非常迅速。直至2016年12月20日，各層凍脹變形進入相對穩(wěn)定狀態(tài)，凍脹量隨凍結深度增加變化很小，此時凍結深度大約為1.3 m左右，說明1.3 m以下土層凍脹量很小。值得注意的是，進入2017年3月份，隨著氣溫的回升，路基表層出現(xiàn)了短暫的凍融現(xiàn)象，由此產(chǎn)生的凍脹變形值略高于穩(wěn)定狀態(tài)的路基變形值。對比3個凍脹計的監(jiān)測變形值，可以得出凍結期路基上、中、下層凍脹最大變形值分別為2.1，2.2，0.0 mm。路基凍脹主要發(fā)生在深度1.5 m以上的土層。進入3月末，伴隨著氣溫回升，路基表層開始融解，各凍脹計監(jiān)測到的凍脹量值開始下降。2016年10月底，第二個凍結期開始，整個凍脹變形過程與2015年～2016年非常相似，各凍脹計監(jiān)測到的凍脹量均比2015年～2016年略大，各凍脹計監(jiān)測最大值分別為3.4，7.1 mm和6.6 mm。計算3個層位凍脹變形值，可以得出凍結期路基上、中、下層凍脹最大變形值分別為3.4，3.7 mm和-0.5 mm，負值說明基床底層下部略有沉降變形。對比兩個凍結期路基凍脹變形，發(fā)現(xiàn)2016年～2017年最大凍脹量比2015年～2016年最大凍脹量增加了2.8 mm左右，凍脹變形主要發(fā)生在1.5 m以上深度。

(2)K2007+908斷面

圖8為K2007+908斷面2015年～2017年兩個凍結期分層凍脹變形及凍結深度發(fā)展趨勢，圖中既有凍脹量監(jiān)測數(shù)據(jù)，也有凍結深度監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖8 K2007+908凍脹變形、凍結深度隨時間變化趨勢

2015年11月底，當凍結深度超過50 cm后，0.5 m深度的凍脹計監(jiān)測到的變形值保持相對穩(wěn)定狀態(tài)，但由于氣候變化原因，出現(xiàn)較小的波動。2015年12月20日后，凍結深度超過150 cm，此時1.5 m深度的凍脹計監(jiān)測到的變形值保持穩(wěn)定。但2.7 m深度的凍脹計監(jiān)測到的變形值始終在波動，直到2016年3月中旬達到最大值。對比3個凍脹計的監(jiān)測變形值，可以得出凍結期路基上、中、下層凍脹最大變形值分別為5.9，1.2，3.3 mm。進入2016年3月末，伴隨著氣溫回升，路基表層開始融解，各凍脹計監(jiān)測到的凍脹量值開始下降。2016年10月底，第二個凍結期開始，整個凍脹變形過程與2015年～2016年非常相似，各凍脹計監(jiān)測到的凍脹量均比2015年～2016年大，各凍脹計監(jiān)測最大值分別為10.2，11.5 mm和14.8 mm。計算3個層位凍脹變形值，可以得出凍結期路基上、中、下層凍脹最大變形值分別為10.2，1.3 mm和3.3 mm。對比兩個凍結期路基凍脹變形發(fā)現(xiàn)2016年～2017年最大凍脹量比2015年～2016年最大凍脹量增加了4 mm左右，凍脹變形主要發(fā)生在路基上部。

5 監(jiān)測結果綜合分析研究

5.1 路基不同部位凍脹變形分析

根據(jù)各監(jiān)測斷面0.5，1.5 m和2.7 m三個凍脹計的監(jiān)測結果，可以計算得到各監(jiān)測斷面路基各層凍脹量占總凍脹量的百分數(shù)見表1。

表1 路基各層凍脹量占總凍脹量的百分數(shù) %

路基各層凍脹量超過相應點總凍脹量50%的斷面數(shù)見表2。

表2 路基各層凍脹量超過總凍脹量50%的斷面數(shù) 個

路基各層平均凍脹量占總凍脹量的百分數(shù)如表3所示。

表3 各層平均凍脹量占總凍脹量的百分數(shù) %

從表2和表3可以看出，基床表層及基床底層上部1.0 m范圍的凍脹量占總凍脹量的80%以上，說明路基上部凍脹明顯，對總凍脹量的貢獻最大。

5.2 不同路基結構形式對凍脹的影響分析

在15個自動監(jiān)測斷面中，2015年～2016年，只有1個斷面最大凍脹量小于5 mm，其余14個斷面最大凍脹量均大于5 mm，最大變形23.4 mm；2016年～2017年，所有斷面最大凍脹量均大于5 mm，最大變形24.2 mm。各凍脹量統(tǒng)計范圍監(jiān)測斷面?zhèn)€數(shù)見表4。

表4 各凍脹量統(tǒng)計范圍監(jiān)測斷面?zhèn)€數(shù) 個

低路堤斷面的凍脹量為6～25 mm，高路堤為7～10 mm，路塹為4～21 mm。2015年～2016年和2016年～2017年凍結季，最大凍脹量超過15 mm的5個斷面中均為4個低路堤和1個路塹；2016年～2017年凍結季凍脹量均有所增加。由此可見，較大凍脹變形主要出現(xiàn)在低路堤地段，高路堤地段凍脹變形相對較小。

6 結論

利用自動監(jiān)測系統(tǒng)，對蘭新高鐵甘青段2015年～2017年凍結季路基凍脹進行實時監(jiān)測，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和深入研究，分析總結路基凍脹特點和發(fā)展變化規(guī)律，提出相應的凍脹處理措施，為蘭新高鐵甘青段的路基維護和凍脹整治提供理論和技術支持，并可指導同類地區(qū)鐵路的防凍脹設計及施工。

(1)在填料一定的情況下，凍結深度的發(fā)展主要受氣溫的影響，負積溫達到最小值時凍結深度開始發(fā)展，達到最大值時凍結深度達到最大值。監(jiān)測最大凍結深度379 cm，最小凍結深度259 cm。

(2)10月底，地表開始凍結，隨著氣溫下降，凍結深度逐漸增加，表層0.2 m深度的含水量變化較小，其他深度的含水量均隨著凍結深度的增加緩慢增加。3月底4月初，隨著氣溫回升至零度以上，凍結層逐漸融化，土層中含水量略有增加，后氣溫逐漸回升，蒸發(fā)量增加導致各層含水量開始下降，8月中旬0.5 m以下各層含水量達到最低值，其后隨著蒸發(fā)量減少，含水量逐漸增加。

(3)基床表層及基床底層上部1.0 m范圍凍脹量占總凍脹量的80%以上，對總凍脹量的貢獻最大。設計及施工時基床表層應采用滲透性級配碎石；基床表層以下凍結深度范圍內(nèi)，采用A、B組不凍脹填料或滲透性級配碎石，基床表層以下凍結深度的填料滲透系數(shù)應大于基床表層級配碎石的滲透系數(shù)，各填料層間應設置向外4%的坡度，以利排水。

(4)為減少路基凍脹量，應采用全凍結深度防凍脹方案，以填料防凍脹為主，輔以防水、疏水和隔熱等綜合措施。具體措施有：嚴格控制填料中細顆粒含量以提高填料防凍性能；路基面設置防水層，以防地表水下滲；基床底層表面和基床換填底部設置隔水層，以防止地表水下滲和地下水入侵；全線設置完善的排水系統(tǒng)；設置防凍脹護道等。

(5)低路堤地段凍脹變形較嚴重，可采用基床表層級配碎石中摻適量水泥、設置保溫層等對防凍脹措施進行加強。