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季冻区高速铁路隧道洞口边坡变形监测研究.pdf
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1、第44卷第3期2023年6 月文章编号:16 7 3-9 59 0(2 0 2 3)0 3-0 0 8 5-0 7大连交通大学学报JOURNAL OF DALIAN JIAOTONG UNIVERSITYVol.44No.3Jun.2023季冻区高速铁路隧道洞口边坡变形监测研究廉洪军,张涛,严晓东,张涛,王忠昶3(1.中国铁路哈尔滨局集团有限公司哈局工务段,黑龙江哈尔滨150 0 0 1;2.中国铁路哈尔滨局集团有限公司哈局工务处,黑龙江哈尔滨,150 0 0 1;3.大连交通大学交通运输工程学院,辽宁大连116 0 2 8)摘要:为了获得季冻区的哈尔滨至牡丹江高速铁路隧道洞口边坡冻胀变形的发
2、生、发展和变化规律,以正在运营的该线路利民隧道洞口边坡为工程依托,对边坡地表不同区域的水平位移、高程位移、地表温度及含水率进行监测,并分析地表温度、含水率与边坡位移之间的变化规律。结果表明:季节性土壤冻胀和融沉是导致该隧道洞口边坡发生滑移变形的主要诱因;边坡冻胀主要包括冻胀初期、冻胀快速发展、冻胀相对平稳和融沉波动4个阶段,2 号监测点水平位移最大为8.5mm,3号监测点高程位移最大为12.6 mm。通过现场监测数据分析并结合边坡为偏压地形这一实际情况,可以推定当边坡土体发生滑移时,其滑移方向为由高山侧向低山侧隧道洞口方向。地表温度在冻胀快速发展阶段和融沉波动阶段随气温变化速率较快,而在冻胀相
3、对平稳阶段变化速率较慢;3号监测点含水率最高,变化波动更大,冬季冻胀效果也更为明显。关键词:季节性冻土区;高速铁路;边坡冻胀;监测数据;融沉文献标识码:AD0I:10.13291/ki.djdxac.2023.03.015高速铁路隧道洞口边坡普遍存在偏压、滑坡、崩塌等稳定性问题,而寒区的高速铁路隧道洞口边坡较一般地区面临更为复杂的技术问题,尤其是处在冻融交界面的土体在反复冻融循环过程中抗剪强度不断降低,从而使得边坡土体发生失稳、滑塌等灾害,对边坡工程的施工与维护造成严重的影响 1-4 目前对季节性冻土边坡变形因素、规律、监测方法及防治措施等已有不少研究。郑明新等 5首先对现场监测数据进行分析,
4、推测边坡滑动机理和变形周界,通过室内试验建立包含降雨因素的流固耦合模型,所得结果与初步推定机理相同,认为强降雨是福建等南方地区边坡失稳的主要诱因。程永春等 通过室内试验比较土质边坡在不同含水率情况下经冻融循环后滑动面的临界深度,得出了土质边坡在冻融界面的变形机理,认为冻融循环次数和含水率的增加会导致边坡滑动破坏临界深度逐渐降低。徐拴海等 7 通过对青海某地冻结岩石边坡进行系统的现场勘察、试验及监控测量,分析了该地含冰裂隙冻结岩石的消融特征,认为寒区冻结岩石边坡失稳是热传导和荷载共同作用的结果。乔国文等 8 采用裂隙岩体冻融试验、冰劈效应试验及冻胀变形试验得出,岩体的冻融风化特性由其结构面的性质
5、决定,并受结构面贯通性、含水率和胶结的影响,岩体边坡冻融风化主要受温度、温差、岩体结构特征及其中裂隙水的冰劈效应的影响。呼枭 以准池铁路杀虎口隧道为研究对象,设计并布置了适合该工程的冻害防治监测系统,通过对监测数据进行分析得出洞口围岩及仰拱等位置容易发生渗漏开裂、挂冰等冻害。周荣 10 1以武广高速铁路新建某段为研究对象,以静力水准测量、通信技术和计算机技术为基础,设计了一套路基变形实时沉降检测系统,所得监测数据比常规检测更准确。黄敏等 以全球定位系统技术为基础,设计了一套针对宜巴高速某山坡隧道及高边坡的监测系统,发现监测数据与数值模拟分析结果较为吻合,证明该系统能够满足高边坡稳定性监测的要求
6、。周勇收稿日期:2 0 2 2-0 2-17基金项目:中国铁路哈尔滨局集团有限公司委托项目(2 0 10 150 0 0 12 30 0 0 0 0 10 0 1)第一作者:廉洪军(19 7 0 一),男,高级工程师。E-mail:54334416 q q.c o m86等 12 依托兰永一级公路某深挖路堑边坡工程对支护前后边坡的锚杆应力、坡体位移等进行了原位监测,并结合数值模拟得出该边坡整体位移满足健康检测的相关要求。崔春晓等 13 以大孤山铁矿废弃排土场边坡为研究对象,采用GNSS毫米级在线监测技术对边坡水平及沉降位移进行连续性监测,得出沉降位移及其波动趋势普遍大于水平位移,且主要受夏季降
7、雨与冬季冰雪冻胀影响,而降雨影响更为明显。目前对于季冻区高速铁路隧道口边坡稳定性分析大多集中于室内试验和数值模拟,而基于边坡变形监测数据进而分析其变化规律的研究较少。本文以正在运营的哈牡(哈尔滨一牡丹江)客运专线利民隧道口边坡为工程依托,基于一套实时监测系统对隧道洞口边坡土体的水平位移、高程位移、地表温度及含水率进行监测,通过对边坡在冻结期和融化期位移状态及温度和含水率关系进行分析,旨在得出洞口边坡潜在滑移面并对其发展趋势进行准确预测,为该边坡治理工程的方案与设计提供参考。1工程概况哈牡客运专线穿越东北中部山前平原深季节冻土区,年平均气温为4.4,沿线最低气温可达-40,牡丹江至哈尔滨的土层冻
8、结深度为1.7 8 2.05m。利民隧道位于哈尔滨市阿城区玉泉镇境内,进口位于玉泉镇利民村东南方向,出口位于岳家屯正西方向。测区范围内地势总体南东高,北西低。隧道进口里程为K68+361.61,出口里程为K69+210.57,全长8 48.9 6 m,隧道全段范围内纵坡为5.5%上坡。隧道进口采用帽檐斜切式洞门,坡面防护采用C25混凝土拱形骨架护坡且与洞口路基工程协调统一,进口洞门回填坡面坡率为1:1.5,边坡与仰坡采用直角相接。根据地质勘察报告,该测区边坡位于利民村东北侧,属低山丘陵地貌。当地气候属中温带湿润+亚湿润大陆性气候,按照气候对铁路工程影响的分区,该地区属严寒地区,土壤最大冻结深度
9、为1.91m。边坡所在区域构造属于新华夏构造体系的张广才岭隆起带西段,受新华夏构造体系应力场的影响,区域内地质构造表现复杂,中小规模断层或挤压破碎带相当发育,岩性主要为片理化凝大连交通大学学报灰岩、花岗岩,裂隙多向发育,裂隙将岩石切割成形态各异的块体,易形成塌、掉块现象,稳定性较差。边坡处的地下水位埋深为10.5 2 1.8 m,由于春融雪水和雨季降水补给过于充足,导致该边坡的稳定性较差,极易产生滑移甚至塌,因此对该边坡进行实时监测具有重要意义。2边坡监测设计2.1总体设计监测系统总体设计由数据采集感知装置、数据传输装置和上位机软件3个模块构成。其中数据采集感知装置主要包括北斗高精感知单元模块
10、、深部位移单元模块、土壤水分及温度感知单元模块等;数据传输装置主要包括北斗CORS站、数据传输接受单元装置、北斗监测天线等;上位机软件是将感知单元模块获取的感知数据传人监测系统实时数据分析、报警预测模型,通过分析计算边坡整体状况,再与毫米波雷达及高分数据影像分析单元边坡外貌特征的定期影像比较,观测边坡外貌特征的变化,进行安全状态分析,实现安全状态的实时监测和报警预测。2.2监测点布置首先根据现场调研获取隧道口边坡工程相应的物理参数,并结合工程结构图纸建立数值分析模型,通过静力分析确定边坡位移最大、可能产生滑坡的菱形和矩形区域见图1。再针对这些区域结合当地水文地质条件确定监测点,其中监测点1位于
11、菱形区域,监测点2、3、4位于矩形区域。各监测点装备设置及内容见表1,本次监测时间为2020年11月16 日一2 0 2 1年5月11日。边坡监测点与监测区域分布见图2。图1边坡监测可能滑坡区域(牡丹江哈尔滨方向)第44卷第3期监测点编号1号 4号平面图1:500一哈尔滨3号设备一低山侧廉洪军,等:季冻区高速铁路隧道洞口边坡变形监测研究表1监测设备及内容监测设备类型及数量(厘米级北斗位移监测终端+温度传感器+土壤水分传感器)1(厘米级北斗位移监测终端+温度传感器+土壤水分传感器)3(毫米波雷达+高清摄像)1(毫米波雷达+高清摄像)1北斗CORS站供电装置87监测内容坡顶监测点及其对应区域的沉降
12、位移、土壤含水率及地表温度坡面、坡体监测点及其对应区域的沉降位移、土壤含水率及地表温度隧道口近邻边坡区域的树木、危岩落石等的位移、倾斜、异物侵限及防护栅栏状态等数据及图像区域的树木、危岩落石等的位移、倾斜、异物侵限及防护栅栏状态等数据及图像边坡区域感知基准确定接2 2 0 V电源为各装置提供电力段(2 0 2 1年4月15日一2 0 2 1年5月11日),该阶段随着气温的上升,边坡水平位移出现一定的波动下降,由6 mm左右逐渐降至2 mm左右。截水天沟低山侧牡丹江监测感知区域-1号设备高山侧28F油备备/4号设备备64216M4号设备图2 边坡监测点与监测区域分布3监测结果分析3.1边坡位移监
13、测分析3.1.1水平位移随时间变化趋势研究选取2 0 2 0 年11月16 日一2 0 2 1年5月11日边坡水平位移变形的观测结果,并以天数作为时间序列进行分析。1 4号厘米级北斗位移监测终端监测点传输的水平位移数据每日变化趋势,见图3。由图3可知,季节性边坡冻胀和融沉产生的水平位移随时间的变化可以分为以下4个阶段:冻胀初期阶段(2 0 2 0 年11月16 日一2 0 2 0年12 月13日),4个设备监测点水平位移变化相对平稳,最大位移均小于2 mm;冻胀快速发展阶段(2 0 2 0 年12 月14日一2 0 2 1年1月2 1日),进人冻胀期后水平位移变化随时间快速发展,大致呈线性增长
14、趋势,各监测点开始与结束时间基本相同,持续时间约为38 天;冻胀相对平稳阶段(2 0 2 1年1月2 2 日一2 0 2 1年4月14日),该阶段水平位移变化较小,基本在6 8 mm;融沉波动阶一2 号设备监测感知区域2020/11/162020/12/22020/12/12021/1/32021/1/12021/2/2021/2/202021/3/82021/3/242021/4/92021/4/252021/5/11日期/(年/月/日)图3水平位移随时间变化趋势经过一个冻胀和融沉周期后,4个监测点变化趋势基本一致,但1号监测点水平位移变化总体比其他3个监测点较小。1 4号设备最大水平位移值
15、分别为8.1、8.5、8.2、8.3mm,均符合边坡设计规范要求(15 mm)。3.1.2高程位移随时间变化趋势选取2 0 2 0 年11月16 日一2 0 2 1年5月11日边坡高程位移的观测结果,并以天数作为时间序列进行分析。1 4号厘米级北斗位移监测终端监测点传输的高程位移数据每日变化趋势,见图4。由图4可知,季节性冻土边坡冻胀和融沉变形随时间变化主要表现出以下规律:冻结初期阶段(2 0 2 0 年11月16 日一2 0 2 0 年12 月16 日),该阶段各监测点高程位移变化相对平稳,基本均在0 2mm范围内波动;冻胀变形快速发展阶段2 0 2 0 年12月17 日一2 0 2 1年1
16、月10 日),该阶段各监测点高程位移随时间快速发展,冻胀变形随时间大致呈线性增长趋势,各监测点开始与结束时间不完全相同,基本上持续2 0 天左右;冻胀相对平稳阶段(2 0 2 1年881月11日一2 0 2 1年4月13日),该阶段各监测点高程位移变化相对平稳,基本在10 12 mm范围内波动;融沉波动阶段(2 0 2 1年4月14日一5月11日),该阶段各监测点高程位移随时间逐渐减小,随着气温回升呈现一定的向下波动趋势,逐渐降低至4 mm左右。14:量设象备12/10F4号设备8642大连交通大学学报里程(K68+380.61)与明暗分界里程(K68+396.61)之间,沿隧道轴线方向的长度
17、约为16 m,最大宽度约为10 m。3.2温度随时间变化及对位移的影响3.2.1地表温度随时间变化趋势用冻结期和融化期(2 0 2 0 年11月16 日一2021年5月11日)平均气温绝对值表示气温变量,气温和坡面监测点地表温度随时间变化趋势见图6。由图6 可知,在本次监测期间,气温变化幅度为-2 7 17,地表温度变化幅度为-10 10。地表温度受大气温度影响,二者变化趋势基本一致,/18但地表温度变化具有一定的滞后性,平均滞后7/1/19第44卷1/2/20202020/11/162020/12/22020/12/1图4高程位移随时间变化趋势经过一个冻胀和融沉周期,4个设备监测点数据变化趋
18、势基本相同,在冻结期间有变形增大的趋势,14号监测点最大高程位移分别为11.6、12.4、12.6、12.4m m,整体相对来说1号监测点高程位移变形略小于其他3个监测点,但均符合边坡设计规范要求(15mm)。3.1.3变形区域分析由图3和图4可知,1号设备水平和高程位移变化均相对较小,2 号设备水平位移变化最大,3号设备高程位移变化最大。根据监测点布置及数据分析,偏压地形为变形提供了便利条件,基本可以推定当边坡土体发生滑移时,其滑移方向由高山侧向低山侧隧道洞口方向,而隧道洞顶的上2021/1/32021日期/(年/月/日)2021/2/420212021/3/82021/3/242021/4
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