寒区铁路客运专线路基冻胀变形监测方法

马天驰

（黑龙江工程学院 测绘工程学院，黑龙江 哈尔滨150050）

哈齐铁路客运专线是黑龙江省第一条开建的省内客运专线，是黑龙江省省会哈尔滨到黑龙江省第二大城市齐齐哈尔之间的高速铁路，是国家“十二五”规划的重点工程。该高速铁路自哈尔滨站引出，经哈尔滨北、肇东、安达、大庆东、大庆西、泰康、红旗营东，止于齐齐哈尔南站，线路全长286km，正线为双线，速度目标值250km／h，预留300km／h的行车条件。

沿线大部属于中温带亚湿润～亚干旱大陆性季风气候区。沿线最冷月平均气温均低于－15℃，按对铁路工程影响的气候分区，均属严寒地区。

根据建设方要求，对选取段落进行路基面变形监测，包括2012年度未进行监测但目前已施工至表层或表层已完成的段落约17.2km，上年度监测冻胀变形大于8mm段落约3.6km，冻胀补强增设渗水盲沟段落约10.3km，湿地范围和地下水位较高的低路堤段落约4.6km，代表性过渡段约59处（路涵过渡段53处，路桥过渡段6处），道岔区段落约2.0km，监测段落共计约33.1km。

1 路基冻胀监测的基础工作

1.1 线下高程监测基准网的建立

以建设期间建立的线下精密水准网为基准，经复测后采用水准联测或三角高程的方式将水准基点引测至线上，作为路基冻胀变形监测的基准网。

由于自然条件的变化、人为破坏等原因，不可避免地有个别监测网点位会发生变化。每次监测前需对线下基准网按照二等水准精度进行一次复测，并对变化的点进行合理修正。

1.2 线上高程监测基准网的建立

根据建设期间在线上埋设的路基变形监测点，对路基冻胀变形进行监测。在监测过程中，建立变形监测数据库，并对监测数据进行分析、评估，指导运营维护。进行监测分析时与地质、路基及轨道等各专业对接，并结合运营单位动静态检测和静态检查结果进行综合分析，提出综合性建议及解决方案。

2 线上水准基点布设及联测

2.1 线上水准基点布设

为了满足路基变形监测精度要求，减少线上下高程联测的频次，需在线下原精密水准网的基础上，布设线上路基变形监测基准网。新布设的线上水准基点间的距离应满足沿线路方向小于1km。新设线上水准基点直接利用路基两端桥上的CPⅢ点，当路基长度超过1km时，需在路基中部的涵洞帽石上埋设线上水准基点。

2.2 水准联测

为了把线下高程基准传递到线上，首先需要进行线上与线下的高程联测。进行高程联测时，尽可能采用水准测量或三角高程测量方式把线下基准引测至路基两端的桥上CPⅢ点。然后以路基头尾的两个CPⅢ基点为基础进行联测路基中部涵洞帽石上的基准点，并进行平差计算。

如果引测至线上路基两端桥上CPⅢ点间不满足二等水准的要求，需对线下水准基点进行检核并重新平差计算。

当线上线下水准基点水准联测存在困难时，则采用不测量仪器高和棱镜高的中间设站三角高程测量法传递，每次观测两遍，且要求仪器变换仪器高，观测4个测回。

中间设站三角高程测量方法就是在没有仪器高和棱镜高量取误差的情况下，求出点A和点B的高差。其测量原理如图1所示。

中间设站三角高程测量的主要技术要求应满足表1、表2的要求。测量中，前后视必须是同一个棱镜。观测时，棱镜高不变；仪器与棱镜的距离不宜大于100m，最大不应超过150m。前后视距应尽量相等，一般距离差值不宜超过5m。观测时，要准确测量温度、气压值，以便进行边长改正。

图1 三角高程联测

表1 中间设站三角高程测量的垂直角测量技术要求

表2 中间设站三角高程测量的距离测量技术要求

2.3 线上水准测量数据处理

线上水准测量按照《国家一、二等水准测量规范》（GB12897－2006）二等标准施测，水准路线起闭于线下水准基点。

1）数据传输和预处理。外业数据采集完成后，利用随机软件进行数据传输和预处理，得到各测段高差距离文件。

2）精度分析。根据各测段观测数据，分析各段往返测高差不符值情况，均应满足的要求。按测段往返测高差不符值计算每千米水准测量偶然中误差：

式中：MΔ应小于1mm。

根据（复测）观测高差及既有水准点的高程，统计得到既有成果资料与（复测）观测高差的附合情况，综合分析各线路水准基点的稳定性。

3）线路水准基点控制网平差。以路基两端的CPⅢ基准点作为约束点进行整体平差计算，得到整网平差成果。平差时采用清华山维Nasew或武汉大学科傻控制测量数据处理系统Cosawin等软件进行。当闭合差超限时，需检核线下基准网并重新进行平差。

3 路基冻胀变形监测

3.1 冻胀变形监测点布设

沿线路方向每50m设置一个观测断面，路涵路桥等过渡段增设6个断面，桥台后5.0m、10.0m、15.0m，涵洞过渡段设置在涵洞边墙外5.0m、10.0m、15.0m。

根据哈齐铁路客运专线当时的工况，人工观测断面有以下两种情况：

1）填料基床每个断面布设3个观测点，即线路中心和底座板外边缘；

2）混凝土基床每个断面在两侧距混凝土基床外边缘0.5m左右布设观测点。

3.2 冻胀变形监测点的埋设要求

监测点（见图2）规格要求：直径为30cm，厚10cm的监测桩，监测桩采用C15素混凝土现浇，添加防冻剂，做好保温防护工作。观测墩中心埋设长10cm，直径14mm的钢筋作为观测标志，保证观测标志露出监测桩面5mm，且标头平滑；混凝土基床上观测点采用钻孔植入钢筋作为观测标志，保证观测标志露出监测桩面5mm，且标头平滑。

图2 监测点

3.3 监测桩的保护

由于路基正在施工，运梁车和预压土卸载运输车辆可能对监测点造成损坏，影响观测连续性和冻胀变形数据分析。监测点的布设要充分考虑这些期对全线的监测点进行巡视，对损坏的监测点及时修补。

3.4 冻胀变形监测方式

综合考虑监测频次、监测成本等情况，路基监测观测方式如下：

1）每次观测都要联测线上水准基点进行构网观测，建立线上监测基准网。每次路基冻胀变形监测前，采用二等水准测量方式对线上基准点进行检核。如果各个基准点间满足二等水准的限差要求，则采用原值；如果不满足可采用内插法进行调整，当内插法无法调整时，需重新联测线下基准点并对线上基准点进行检核并调整。

2）路基冻胀监测时，以面向大里程最右侧的路基冻胀变形监测为主水准路线的转点，采用二等水准往返测的形式测量，以中视方式观测另外2个断面监测点，并保证每个监测点往返测时是以相同的CPⅢ点测量两次。水准路线附合到路基两端桥梁的线上水准基准点上，并联测路基中部涵洞或框构桥上的水准基点。

3）首次观测应编制好水准线路图，以后每次观测均固定水准路线，并且规定仪器的摆放位置。按路线固定观测人员、仪器、标尺，以增加观测数据的可比性。

4）每次监测完成之后，需对各期数据进行综合分析，形成单点、横向及纵向变形图，如图3所示。

图3 监测点冻胀变形

4 结束语

哈齐铁路客运专线路基冻胀变形监测项目监测环境恶劣，质量要求高，监测成果直接关系到高速铁路的运营安全，责任重大。项目实施过程中，精心设计监测方案，使用先进的高精度数字水准仪，严格按照技术规程进行监测，监测成果可靠；与地质、路基及轨道等各专业对接，数据分析过程合理，结论可靠，与期望值吻合。经专家验收，质量达到优秀，获得黑龙江测绘地理信息学会2014年优秀测绘地理信息工程金奖，对高寒地区铁路建设和运营有指导和借鉴意义。

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