艰险山区高速铁路服役期路基结构健康诊断技术

第1章绪论 1.1高速铁路路基结构健康诊断的意义 高速铁路路基（以下简称高铁路基）是承受轨道结构重量和高速列车动荷载的基础和保障。为保证高铁运行的安全性和舒适性，我国对高铁路基工后沉降做了严格要求。虽然我国高铁建设已经过多年发展，取得了令世界瞩目的成就，但是对高铁这样复杂的工程而言，我国高铁建设仍然处于起步阶段，积累的建设经验有限，这也直接影响高铁的安全性和稳定性。 对高速列车动荷载及环境因素影响下路基的力学响应与灾变机理认识严重不足，可能造成已建成通车的客运专线在运营初期路基就出现不同程度的病害，甚至导致高速铁路行车安全事故发生。高速铁路综合技术水平已较为发达的日本和法国，也因为对高铁路基力学响应及灾变机理认识不足，而发生过多起较为严重的事故。这些案例都说明，清楚地认识高速列车移动荷载及环境因素影响下路基的力学响应与灾变机理是保证高速铁路安全运营的关键。 由于高速铁路工程建设时间较短，当前多关注建设阶段的路基变形与病害，运营期间路基健康状态的实测资料很少，相关研究还局限于模型试验和理论分析[1-4]。运营期间高速移动荷载反复作用下的实测数据能更好地反映路基实际性状，但目前高速铁路路基运营状态信息的获取缺乏有效手段，对路基运营性状缺乏评判标准，相关研究较少。因此，开展高速移动荷载作用下路基健康状态的远程监测和分析技术研究，对提升我国高速铁路运营期路基性状监测、健康诊断与风险控制水平具有重要的现实意义。 本书在分析目前高铁路基病害类型及成因和高速铁路工程特点的基础上，以智能传感技术、无线通信技术、信号处理技术为理论支撑，以沪昆客运专线为例，详细研究可反映高速铁路结构安全状态的监测参量。首先，根据“适应性强、可靠性高、经济性优”的原则，优选监测元件和数据采集与无线传输系统，制订一套完整的适用于运营期高速铁路服役期路基结构监测与诊断的技术方案，得到联调联试和运营期高铁路基的动力响应规律；其次，通过研制大比例尺模型试验箱和高铁列车荷载激振装备，开展一系列大型室内及原位高铁路基动力响应及灾变过程模型试验，得到不同轴重、不同激振频率及不同灾变条件下的高铁路基动力响应及灾变过程，掌握不同工况条件对高铁路基动力影响和灾变的影响，并在此基础上，借助数值仿真分析，获得更广泛工况条件下高铁路基的动力响应和灾变规律；*后，通过总结高铁路基动力响应规律和灾变过程，提出一套以监测数据为依据的高铁路基结构健康诊断指标和标准，并以高铁路基原位试验数据为例，验证该评价指标和标准的适用性和合理性。 1.2高速铁路路基结构健康诊断的研究进展 实时掌握高速铁路的结构健康状态是保证高速铁路安全运营的关键环节之一。以往发现高速铁路运营期内的安全隐患主要通过分析动检数据和人工巡查线路等手段。这种方式显然具有诸多缺陷，主要表现在：①过度依靠人力来发现问题，对高铁安全隐患的发现不具有实时性；②巡查方式单一，某些安全隐患可能会被忽略或不易被发现；③需要投入较多的人力、物力来发现问题，造成经济成本增加。特别是对艰险山区高速铁路来说，这些问题尤为突出。 随着物联网技术的广泛推广，自动化、远程监测技术开始广泛应用于岩土工程的各个领域。邬凯等[5]利用通用分组无线服务（general packet radio service，GPRS）技术，通过集成监测传感器、数据采集模块和太阳能供电装置，开发了一套单体边坡远程监测系统；许利凯等[6]利用KLA-1 型地表遥测技术对三峡库区奉节天池滑坡进行了实时监测；何满潮[7]从边坡岩体与监控锚索的相互作用力学原理出发，通过监控锚索内力，开发了一套滑坡地质灾害远程监测预报系统；张成平等[8]、叶英等[9]将多元信息自动采集、无线传输技术应用于隧道施工过程中，实现了隧道施工的远程监测。尽管对铁路工程无人监测技术的研究较少，但也有学者进行了尝试。杨婧等[10-11]利用局域通信无线模块与GPRS数传单元模块搭建了无线数据采集与传输网络，实现了对铁路路基静态变量的监测；冯绍敏等[12]研制了高铁长大桥梁无砟轨道无缝线路的伸缩附加力监测系统，实现了远程监测和实时监测。 通过对以上远程监测系统的分析可知：一方面，目前远程监测系统和技术主要针对边坡、隧道等工程开展，这些技术在高铁工程的适用性较差，不能直接应用于高铁工程；另一方面，高铁工程具有动态和静态参数的特点，而目前的远程监测技术仅针对静态参数，不适用于变化快、数据量大的动态参数的监测。因此，研究适用于高速铁路工程的远程无人监测系统，使其同时满足对动态和静态参数的监测，具有重要意义。 1.3高速铁路路基结构健康诊断的关键技术问题 运营期高速铁路路基工程具有封闭性强、环境条件差、工程线路长、监测参量多、监测频率高等特点，常规的岩土工程监测技术并不能全部适应高速铁路路基工程的特点；同时，以往对高铁路基动力稳定性的研究集中在理论研究、模型试验及数值仿真方面，而由于缺少运营期高铁路基动力响应监测数据，对运营期高速铁路路基结构健康状态的研究较少，更谈不上分析高铁路基动力响应的变化和灾变机理。因此，有必要针对运营期高速铁路路基工程建立一套远程自动化监测系统，以适应高速铁路路基工程恶劣的工程条件，并建立一套路基结构健康评价指标和标准，以便及时识别高速铁路路基病害，保障高速铁路工程的安全运营。具体的关键技术问题体现在以下三方面。 （1）高速铁路路基结构健康诊断技术须实现形式简单、成本低、适应性强等目标。一方面，高速铁路路基工程线路范围广、含动静态监测参量，因此监测系统必须要做到兼容各类动静态监测传感器，且要成本低廉，以便广泛推广；另一方面，高速铁路路基封闭性强、电磁干扰强，监测系统必须要适应性强，并要做到稳定而不易出问题。 （2）针对高铁路基病害的类型和特点，开展高速铁路路基动力响应的变化规律和灾变过程及机理研究，提出反映高速铁路路基结构健康状态的关键评价指标和标准。 （3）在结合高速铁路路基监测参量及结构健康评价指标和参量的基础上，建立一套形式简单、工程技术人员易于操作的高速铁路路基结构健康诊断评价与预警系统，以便对路基病害进行及时预警，保证高速铁路路基的安全。 第2章高速铁路服役期路基病害类型及成因 2.1路基病害类型 在对国内外开通运营的高速铁路路基病害进行充分的文献调研和分析的基础上，对武广、沪杭、郑西、广珠城际、沪宁城际、甬台温、海南东环等高铁线路运营期存在的病害进行调研。对不同线路出现的病害特征进行归类，我国高速铁路路基存在的病害类型主要为路基下沉、路基隆起、轨道结构层间离缝或开裂、翻浆冒泥、边坡失稳、封闭层上拱开裂。本章结合实际调研的典型工点分析其各自的病害特征，为运营期安全监测参量和病害防护提供现实参考。 2.1.1路基下沉 路基下沉是高速铁路路基中存在*多的一种病害形式。路基下沉是指高铁运营过程中由工程地质条件、列车动荷载、工程质量等造成的路基沉降量超过规范的要求，甚至下沉量超过轨道精调的极限。路基下沉会使高铁线路产生高低不平顺、水平不平顺、路基开裂等问题，在列车运行过程中可能出现晃动、脱轨等不良现象。当沉降量超过轨道精调极限时，如不采取有效措施防止继续下沉，将会严重影响列车的行车安全。 实际调研中发现，路基下沉病害在我国已运营的高铁线路中普遍存在，下面列举调研中部分具有代表性的案例，以便后续分析造成病害的原因。 1.案例一：杭深客运专线宁波段 杭深客运专线宁波段广布淤泥和淤泥质黏土，工程地质条件差，其中DK146+503.8～DK146+603.67、DK146+663.67～DK146+723.67 两区段*具代表性。两区段原设计采用浆喷桩加固，自通车运营以来工后沉降已超过路基沉降变形控制标准，为保证软土路基的稳定和控制路基的后期沉降，确保高速列车的安全运行，对原路基进行了强旋喷桩加固处理。 图2-1～图2-4所示为两区段内4个典型沉降监测断面加固前和加固后的实测沉降曲线。 从图中可以看出，加固前由于线路内工程地质条件较差，路基在列车动荷载作用下沉降不断发展，*大沉降量达68 mm，且未有稳定的趋势。而采取加固措施后，路基沉降趋势才得以控制，*后达到基本稳定。 2.案例二：广珠城际K74+050～K74+150区段广珠城际K74+050～K74+150区段位于南宫村隧道（K73+678～K73+967）与工业园桥（K74+225～K74+400）间路基区段，其中K74+032断面及K74+068 断面处分别有一座框构涵，缓和曲线至圆曲线地段，曲线半径为3000 m ，超高为90mm，坡度为3.0‰。2011年下半年发现该地段存在下沉现象，并于2011年11月对该地段进行了精调整治，其中下行线高程调整了47mm，上行线高程调整了32mm，且调整量均已达到极限值不能再继续调整。 图2-1 杭深客运专线DK146+513.67 断面实测沉降曲线 图2-2 杭深客运专线DK146+598.67 断面实测沉降曲线 图2-3 杭深客运专线DK146+683.67 断面实测沉降曲线 图2-5和图2-6 分别为该区段内两个典型沉降病害断面的沉降观测数据和沉降趋势曲线。 从图2-6中可以看出，沉降变形曲线基本相同，说明可能是观测误差的原因造成沉降量数据上下浮动，但数据绝对值整体变化趋势是增大的，反映K74+050～K74+150区段路基一直处于沉降期，且没有呈现沉降趋向稳定，建设单位及施工单位对该路段进行了联合调查和整治。