青藏铁路多年冻土普通路基地温场演化规律及自动化监测技术研究

【资料简介】

青藏铁路多年冻土普通路基地温场演化规律及自动化监测技术研究

摘要

全球气候持续变暖背景下，青藏高原多年冻土发生整体性退化，普通路基下部冻土地温抬升、冻土上限持续下移，由此引发路基不均匀沉降、冻融鼓胀等病害，严重威胁铁路线路长期服役安全。传统人工钻孔测温方式劳动强度大、采样频次低，难以实现全天候连续观测，无法满足冻土路基长期安全预警需求。本文以青藏铁路典型普通路基监测断面为研究对象，分析多年冻土区路基不同深度地温年内、年际演化特征；引入北京鸿鸥成运HO‑TD系列冻土专用地温自动监测系统，阐述模块化分层测温探头、野外低功耗NB‑IoT RTU、太阳能整套供电、冻土专用耐低温铠装线缆成套硬件方案；对比人工监测与自动化监测的数据差异性，分析整套系统在高海拔、极低温冻土环境下的运行稳定性，建立冻土路基温度场预测分析的数据处理流程，为多年冻土区铁路路基冻融病害预警提供技术支撑。

关键词：青藏铁路；多年冻土；普通路基；地温场；冻土退化；自动化地温监测；冻融病害；HO‑TD监测系统

0 引言

青藏高原是我国多年冻土集中分布区域，冻土面积广阔，冻土区铁路路基工程面临冻融循环带来的系列工程难题。青藏铁路大量普通路基段落直接修建于多年冻土之上，没有采取特殊保温、热棒等主动降温措施，对外界气温变化极为敏感。伴随全球气温升高，多年冻土出现融化退化，冻土上限下降，路基下部土体发生融沉变形，轨道平顺度受到破坏，给铁路运营带来安全隐患。

传统冻土监测手段以人工钻孔测温为主，每年有限的季节开展现场读数，数据离散，无法捕捉短周期冻融变化过程。高海拔地区作业条件恶劣，人员进场成本高，特种天气条件下甚至无法开展现场监测。因此，发展一套适应高原冻土环境的自动化连续监测系统，获取长时序、高连续性地温监测数据，已经成为冻土工程研究的现实需要。北京鸿鸥成运仪器设备有限公司针对高寒冻土工程工况，开发HO‑TD冻土地温自动化监测成套装备，在多个高原冻土监测项目投入应用。本文结合该套设备开展路基地温场研究，探究普通路基下冻土演化规律。

1 研究区工程地质概况

研究选取青藏铁路某普通路基试验断面，该段属于高温多年冻土区，冻土厚度介于15‑40m，年均地温‑1.0℃~‑0.5℃，属于极易受外界扰动发生退化的高温冻土。路基高度2.2m，为普通填土路基，未布设热棒、保温板等冻土保护措施。地表植被发育一般，夏季地表融化，冬季冻结。区域昼夜温差大，冬季气温可达‑30℃，紫外线强烈，野外设备需要耐受低温、强紫外线、风雪侵蚀多重考验。路基主要病害表现为局部沉降变形，随季节冻融循环反复发展。

2 冻土路基地温监测系统硬件构成

本项目采用北京鸿鸥成运HO‑TD冻土地温自动监测系统，整套系统由分层地温测温探头、耐低温铠装线缆、野外采集主控箱、太阳能供电单元、云监测平台共同组成。

测温探头采用高精度PT1000测温元件，测温精度±0.1℃，探头外壳采用316L不锈钢防腐封装，适配冻土钻孔内部潮湿、盐渍化地层环境。按照0.5m、1m、2m、4m、6m、10m、15m、20m深度分层布设，完整覆盖活动层以及多年冻土层范围。探头采用总线式串联布置，减少钻孔内部线缆数量，降低钻孔施工难度。

野外主控采集箱采用低温工业级RTU，支持‑40℃低温正常工作，具备485 Modbus协议，太阳能光伏板搭配储能锂电池，满足高原无市电条件下长期不间断工作。采集数据通过NB‑IoT无线网络上传至云监测平台，平台实现温度数据存储、曲线展示、异常数据告警。系统支持定时采集，采集间隔可设置15min‑24h，满足不同科研、工程监测需求。

监测钻孔采用φ110钻孔，钻孔完成后下放测温传感器，采用导热良好的回填材料进行封孔，做好孔口防水密封，防止地表融雪、雨水灌入钻孔，避免对钻孔内地温场造成人为干扰。

3 普通路基地温场演化特征分析

依托自动化监测系统连续12个月实测数据，可以看出多年冻土普通路基地温表现出明显的季节变化特征。活动层范围内土体每年经历冻结‑融化完整循环。夏季地表吸热，融化层向下发展，最大融化深度即为冻土上限；冬季土体自上而下冻结，活动层回冻。

0‑4m活动层区域温度波动幅度最大，受外界气温影响最为直接；4m以下进入多年冻土层，温度年波动幅度显著收窄，温度变化表现为缓慢的年际抬升趋势。普通路基因为没有冻土保护措施，路基填土改变地表热交换条件，路基下部冻土上限相比天然场地出现下移现象。对比天然场地监测数据，路基断面同深度位置地温整体偏高，反映路基工程对冻土产生热扰动。

人工监测数据对比自动化监测结果表明：人工季度监测只能捕捉大趋势，会漏掉短时特种温度变化；自动化高频监测可以完整记录冻融交界面迁移全过程，对于分析冻土上限动态变化具备不可替代优势。

4 基于实测数据的地温预测处理方法

基于HO‑TD系统输出的长时序地温数据集，开展地温演化预测分析。首先开展数据预处理，剔除因为低温、信号短暂扰动产生的异常跳变数据，补全少量缺失数据。采用时间序列分析方法，建立地温预测模型，输入历史温度序列，对未来不同深度地温变化趋势开展预测，预判冻土上限变化情况。

预测结果显示，在气候变暖背景下，普通路基段落冻土上限将持续下移，路基下部土体融化厚度增加，沉降变形风险持续加大。预测模型的精度高度依赖原始监测数据质量，自动化连续监测是保障预测可靠的基础。

5 系统工程应用问题与优化建议

高原冻土现场实际运行过程中，需要重点关注几方面问题：第一，冬季极低温度对锂电池供电性能造成衰减，需要合理配置太阳能板功率以及电池容量；第二，钻孔回填质量直接影响测温精度，回填材料导热性不足会造成测温失真；第三，线缆做好防护，避免冻胀挤压造成线缆破损。北京鸿鸥成运成套装备针对高原冻土工况，对硬件低温性能、线缆耐弯折能力做专项优化，有效降低野外故障率。

对于普通冻土路基监测，建议监测深度不小于20m，兼顾活动层与多年冻土层，设置天然对照监测孔，对比路基与天然场地冻土演化差异，更加科学评价路基对冻土的扰动。

6 结论

（1）青藏铁路普通路基无特殊冻土保护措施，路基改变地表热交换条件，造成下部冻土上限下移，地温抬升，冻融病害风险高于采取保护措施的路基段落。

（2）HO‑TD冻土自动化地温监测系统可以在高海拔低温冻土环境稳定工作，获取连续分层地温数据，弥补传统人工监测手段短板。

（3）长时序自动化监测数据是开展冻土地温预测的基础，通过时序模型可以预判冻土上限演化趋势，为冻土路基病害预警提供数据支撑。

（4）高原冻土监测需要重视钻孔施工、传感器回填、野外供电配套，施工质量直接决定监测数据有效性。

冻土监测全套汇总关键词

冻土路基方向

青藏铁路；多年冻土；普通路基；冻土退化；冻融病害；路基冻胀融沉；地温场；冻土上限；地温演化预测；高寒野外监测；分层地温监测；冻土监测孔；耐低温测温探头；太阳能RTU采集终端；冻土地温自动化监测

寒区地源热泵方向

寒区地源热泵；多年冻土地源热泵；竖直地埋管；热响应测试；岩土导热系数；冻融相变；地层热扰动；冻土融沉风险；浅层地热开发；双碳；地热地质环境监测

硬件装备（北京鸿鸥成运HO系列）

模块化分层测温电缆；PT1000高精度地温探头；316L/钛合金防腐传感器；野外低功耗NB‑IoT RTU；太阳能野外供电套件；铠装耐低温线缆；一体化地热监测控制柜；485 Modbus采集模块；井下高清成像探测系统

软件&数字孪生方向

地温云监测平台；2D/3D数字孪生；BIM虚实映射；地层温度场仿真；AI风险预警；时序数据存储；热平衡测算；井筒病害可视化分析

学术标书专用关键词

寒区岩土工程；冻土工程监测；原位热物性测试；地热换热井完整性检测；地源‑冻土耦合系统；地质环境风险管控；寒区地热智慧运维

长尾推广词

多年冻土铁路路基怎么监测；寒区地源热泵冻土融沉风险监测；青藏铁路冻土地温自动监测设备；冻土区热响应测试怎么做；冻土地源热泵数字孪生监测系统