重载铁路路基状态监测与评价分析研究

唐永康



重载铁路路基状态监测与评价分析研究

唐永康

(朔黄铁路发展有限责任公司，河北 沧州 062356)

为研究朔黄重载铁路路基状态演化规律，掌握扩能改造后其路基服役状态，根据朔黄线路调研情况，选取3个典型工点，布置路基含水率及沉降监测系统，跟踪测试路基含水率和沉降的变化规律，获取一批重要的测试数据。研究结果表明：路基土体含水率及稳定性受降雨影响显著，路基土体类型和密实度都是决定雨水下渗的关键因素。沿线路纵向距桥台越远，线路中心沉降量越大，沉降变化最为明显的区域主要集中在距桥台4~6 m范围，并且随着列车运行吨位的增加，沉降量逐渐增长，其增长速率大致表现为逐渐减小并上下波动，最终趋于稳定的变化过程。研究成果可为朔黄铁路路基稳定性评估研究及过渡段路基强化设计与施工提供依据和指导。

重载铁路；路基状态；监测系统；沉降；含水率；评价

重载铁路中，路基长度占线路总长一般超过70%。路基是重载铁路线路的重要基础。路基施工完成后就直接暴露在自然环境中，受列车动载、降雨和地下水位变化等因素影响[1−3]。路基的服役状态随着时间的延续会逐渐发生变化。近年来，朔黄铁路进行扩能改造工程，提高列车轴重和扩大列车编组，大规模开行万吨列车和两万吨列车，朔黄铁路路基出现桥涵过渡段下沉、区间路堤下沉、路堑下沉、路肩宽度不足、基床翻浆冒泥及道床板结、路堤边坡防护失效、路堑边坡失效或不稳和排水不良等病害。为了掌握路基服役状态和维修时机，开展既有重载铁路路基实时监测，获取有效的监测数据进行分析，对深入研究朔黄重载铁路路基状态演化规律，确保路基状态健康稳定和线路的安全，具有重要的理论研究和工程实用价值[4−6]。本文在朔黄线选取3个典型的工点，对路基开展降雨量、路基含水率和沉降实时监测，并对监测数据进行了整理和分析，为实时了解和评判路基服役状态提供数据和依据。

1 工程概况

朔黄重载铁路西起山西省神池县神池南站，与神朔铁路相联，东至河北省黄骅市黄骅港口货场，正线总长为598 km，是我国东煤西运的第二大通道[4]。该重载线路地处我国华北地区，全年气温为−20~40 ℃，降雨较小且集中。

2017年朔黄铁路年运量已突破3亿吨。由于修建的技术标准较低，朔黄铁路在建成运营后，陆续出现了不同程度的路基病害，经过多年的养护维修与强化加固，路基状态基本稳定，但随着万吨重载列车开行比例加大，以及运量逐年增加，路基仍出现不少病害。本文根据朔黄线实地调研情况，选取了3个典型工点开展降雨量、路基含水率和沉降的实时监测，各工点基本概况如表1所示。

表1 监测工点概况

2 监测系统

路基含水率是影响路基土物理力学性质、路基服役状态和沉降变形的关键因素，而且其变化与外界环境的变化息息相关，因而监测含水率可以了解路基状态的动态变化过程[9]。路基沉降是评估路基服役状态的重要指标，是路基在列车长期荷载作用下的力学性能的最终体现。路基沉降过大，会引起上部轨道结构几何变位，致使轨道结构磨损，行车限速等问题[10−12]。因此，本文重点针对路基含水率及沉降这2个关键变量，选取3个典型工点布置含水率和路基沉降监测系统，获取路基含水率和沉降随降雨及列车通行吨位的变化规律。

2.1 含水率监测系统

路基含水率监测系统主要采用以下2种监测设备。

2.1.1 EC-5土壤水分监测设备

该设备由EC-5土壤水分传感器及EM50数据采集器组成。EC-5土壤水分传感器是一种低电压、低功耗、高集成度的电容式变换器，其防水能力强、耐腐性强，受土壤含盐量影响小，还具备了其他传感器所无法比拟的温度补偿功能[7−8]，能够适应典型工点的工作环境。

通过室内试验发现，被测土体的类型以及干密度都会对EC-5土壤水分监测设备的测试结果造成较大的影响。为了保证监测数据的可靠度，本文采用每个监测位置的路基填料制样，完成了EC-5土壤水分监测设备的标定试验，得到了考虑干密度的标定曲线，经过现场应用发现，该标定曲线具有较高的精度。

同时，为了较大程度消除监测点路基土体干密度对于测试结果的影响，本文制定了妥善的埋设技术，即在埋设之前，在室内制作直径5 cm，高15 cm的圆筒，在圆筒侧壁钻满梅花型分布的小孔，将传感器放置于圆筒内，并用与现场含水率、压实度一致的路基填料压实。埋设时，在现场测点开挖相同尺寸的圆柱孔，将室内制作的圆柱体(含传感器)埋入圆孔内，然后封闭压实。

2.1.2 基于Caipos物联网的含水率监测设备

该套设备由传感器、无线数据传输站、采集总站以及数据云端组成。整套设备系统化程度高，可以实现数据的实时采集和无线传输，相比EC-5土壤水分传感器，价格比较昂贵。

2.2 沉降监测系统

路基沉降监测系统的监测部位为路肩及线路中心，根据监测部位的不同，本文采用了2套沉降监测系统。

2.2.1 基于液位原理的沉降监测系统

该套设备用于路肩沉降的监测，其为自主研发的沉降监测设备。整套设备由沉降基座、升降螺杆、液位管及保护装置组成，具体构造如图1所示。

该套设备主要基于连通器原理(如图2)，将基准沉降板(A)置于刚度较大，几乎不发生沉降的位置，依次在路肩的各监测点上安放监测沉降板(B-D)，用耐腐蚀的液体管连通基准沉降板和各个监测沉降板，在基准沉降板的液位管内注满防冻液至溢出，当监测点发生沉降时，其对应监测沉降板的液位管液面将发生变化，根据液面高度的变化值，即可得到该点路基沉降。同时，只需利用具备高像素和微信功能的手机，即可实现数据的无线传输。该监测系统原理简单，易于掌握，但采集数据需通过人工读数，无法实现数据的实时采集。

图1 基于液位原理的沉降板

图2 沉降板工作示意图

2.2.2 水平梁式测斜仪

该套设备主要用于线路中心的沉降监测，其主要构造包括EL倾角传感器、不带安装托架的梁和把梁固定在结构物上的锚头(如图3)。

当路基发生沉降而改变了水平梁的倾角时，EL倾角传感器将会输出不同的电压值，通过输出电压值的处理最终可以得到精度较高的沉降值。整套设备安装简单，不占用太大空间，不影响线路上部行车，可以实现数据的实时采集及无线传输，同时也具备较高的稳定性，相比基于液位原理的沉降监测系统，价格比较昂贵。

图3 梁式测斜仪

3 监测方案

3.1 路桥过渡段

该工点主要存在不均匀沉降等路基病害。其主要监测内容为独自口滹沱河大桥桥台往小里程方向60 m范围的路肩沉降以及3个监测断面道砟砟脚下0.75 m范围内路基土体的含水率，具体布置如图4所示。

图4 路桥过渡段监测方案

3.2 高路堤段

该工点主要存在沉降过大等路基病害。其主要监测内容为高路堤段60 m范围的路肩沉降以及3个监测断面道砟砟脚下0.75 m范围内的路基土体含水率，具体布置如图5所示。

图5 高路堤段监测方案

3.3 路桥过渡段

该工点存在较多不同程度的路基病害，大修次数较多。其主要监测内容为桥涵东西两侧各10 m范围内的线路中心沉降，40 m范围内的路肩沉降，以及3个监测断面的道砟砟脚及边坡中部以下0.75 m范围内路基土体的含水率，具体布置如图6所示。

图6 路涵过渡段监测方案

4 监测数据分析

4.1 含水率分析

路基土的含水率变化会对其抗剪强度，弹性模量等力学指标产生显著影响[13−14]。由于线路当地降雨较小且集中，故本文选取了9~11月雨量较大的时间段进行分析，绘成各个监测工点的降雨量与含水率的时程曲线图如下。

从图7~10可以得出：

1) 降雨过后，路基土含水率会发生明显变化，每个监测点的监测数据都能很好的反应路基含水率变化的情况。综合降雨与路基含水率的监测数据，能够验证3个工点含水率监测系统的有效性。

2) 路基含水率会随降雨的持续时间和强度发生显著的变化，而路基土的强度及动弹性模量均会随含水率的增加而显著减小，表明路基本体的服役状态受降雨影响显著。

3) 对比3个典型工点不同深度含水率变化情况，可以发现，K248+222路桥过渡段雨水下渗的速度要明显小于其余2个工点，这是由于该段路基本体中粉质黏土的含量较大，其渗透系数较小，而其余工点路基本体的含砂量较大，其渗透系数 较大。

4) 路基边坡(压实度=0.92)雨水下渗速度要明显大于道砟砟脚(压实度=0.95)，表明土体密实度对于雨水下渗具有较大的影响，增加土体密实度，能有效抑制雨水渗入路基，从而预防和减少路基水毁病害。

图7 K170+560道砟砟脚下路基土体

图8 K203+300道砟砟脚下路基土体

图9 K248+222道砟砟脚下路基土体

图10 K248+222边坡中部路基土体

4.2 沉降分析

由于目前监测时间内的路肩沉降量较小，本文采用K248+137~202路桥过渡段线路中心的沉降量进行分析。

图11 K248+202~210 线路中心沉降时程曲线

图12 K248+137~145线路中心沉降时程曲线

图13 K248+202~210沉降量与列车荷载关系

图14 K248+137~145沉降量与列车荷载关系

从图11~14可以得出：

1) 路桥过渡段线路中心沉降量随距桥台距离的增加而不断增大。监测期间内，上桥端过渡段最大沉降量为0.95 mm，下桥段过渡段最大沉降量为0.54 mm，沉降变化最为明显的区域主要集中在距桥台4~6 m，所对应的两测点间存在大于0.1 mm的沉降差。在距桥边墩8 m和10 m的位置，2个测点的沉降量已基本一致，因此，初步可以判定距边墩8 m范围内的路基为路桥过渡段沉降最为显著的区段。

2) 路桥过渡段线路中心的沉降量随着列车累计荷载的增加而逐渐增加，且变化幅度表现为在监测前期增长较快，中期有所减慢，后期保持微小变化并趋于稳定，这也表明在列车荷载长期循环作用下路基发生了一定的累计塑性变形。

3) 路桥过渡段线路中心沉降在经过约1.0× 109t列车累计荷载作用后均趋于稳定状态，通过上、下桥端两侧的监测期间的最大沉降量进行对比，发现上桥端一侧沿线各测点沉降量及沉降差均明显高于下桥端，这表明下桥端一侧路基沉降变形更为稳定，且沿线路纵向分布更为均匀。

5 结论

1) 路基含水率会随降雨的强度和持续时间的增大而增大，含水率的增大会显著影响路基本体的服役状态；K248+222路桥过渡段路基本体的粉质黏土含量较大，其渗透系数较大，雨水下渗的速度要明显大于其他2个工点；路基边坡雨水下渗的速度要远大于道砟砟脚，表明土体密实度会影响雨水渗入。

2) K248+137~210路桥段线路中心沉降随距桥台距离的增加而不断增大，沉降变化最明显区域集中在距桥台4~6 m范围内。

3) K248+137~210路桥段线路中心的沉降经过约1×109t列车累计荷载作用后均趋于稳定状态，其中，下桥段一侧的路基沉降变形更为稳定，沿线路纵向分布更为均匀。

监测成果可供扩能改造后路基状态稳定性评估研究及过渡段路基强化设计与施工提供依据和指导。

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(编辑 涂鹏)

Research on condition monitoring and evaluation of heavy haul railway subgrade

TANG Yongkang

(Shuohuang Railway Development Limited Liability Company, Cangzhou 062356, China)

In order to deeply study the evolution law of roadbed state of Shuo-Huang heavy haul railway and master the service state of roadbed after capacity expansion, according to the investigation of Shuo-Huang railway line, three typical worksites were selected, the monitoring system of subgrade moisture content and settlement was arranged. The variation law of subgrade moisture content and settlement was measured and some important monitoring data were obtained. The results show that the moisture content and stability of subgrade soil are significantly affected by rainfall. The type and compactness of subgrade soil are the key factors to determine the infiltration of rainwater. The farther the distance from the abutment along the line, the greater the settlement of the center line. The most obvious settlement changes are mainly in the range of 4~6 m from abutment, and with the increase of train operating tonnage, the settlement increases gradually. Its growth rate is gradually decreasing and fluctuating up and down, and finally tends to stable. The research results provide the basis and guidance for the evaluation of roadbed stability of Shuo-Huang Railway, the reinforcement design and construction of the subgrade in the transition section.

heavy haul railway; subgrade condition; monitoring system; settlement; moisture content; evaluation

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2018.12.014

U213.1+4

A

1672 − 7029(2018)12 − 3120 − 07

2017−12−13

国家自然科学基金资助项目(煤碳联合基金U1361204，51678572，51878666)

唐永康(1965−)，男，四川营山人，高级工程师，从事铁道工程科研与管理工作；E−mail：tangyongkang2008@163.com