高海拔多年冻土区路基监测装备选型与埋设工艺研究

【资料简介】

高海拔多年冻土区路基监测装备选型与埋设工艺研究

摘要

多年冻土区野外监测面临低温、昼夜温差剧烈、冻胀挤压、冰雪融水盐渍腐蚀等恶劣工况，普通测温传感器极易出现零点漂移、线缆断裂、密封失效等故障，严重制约长期监测数据有效性。本文围绕冻土路基监测孔施工、传感器埋设、野外采集站布设全流程开展研究，对比传统单点PT100传感器、分布式光纤DTS、总线式测温电缆技术优缺点；以北京鸿鸥成运冻土路基成套监测装备为研究对象，介绍细径耐低温测温探头、316L防腐保护套管、孔口防渗密封组件、太阳能低功耗采集控制柜；总结冻土监测孔钻孔、传感器下放、回填封堵、采集站安装标准化埋设工艺，给出冻土工程监测装备选型建议，为高寒冻土工程监测项目实施提供工程参考。

关键词：多年冻土；路基地温监测；测温传感器；监测孔埋设；低温采集终端；高寒野外装备；冻胀防护

0 引言

冻土工程监测成败，一半取决于传感器硬件性能，一半取决于现场埋设施工工艺。青藏高原冻土区，地层冻胀融沉反复作用，钻孔内部存在盐渍地下水，野外冬季气温低至‑30℃以下，普通民用监测设备投放到现场，往往运行数月就出现故障，监测项目达不到预期效果。

很多冻土监测项目，设备选型照搬内地常规监测方案，没有针对冻土特殊工况做适应性设计，出现传感器漂移、线缆被冻胀力拉断、采集终端低温死机等问题。北京鸿鸥成运仪器设备有限公司面向寒区冻土工程，开发成套冻土监测硬件产品，针对冻胀、低温、盐渍腐蚀工况做专项优化。本文从装备选型、现场埋设工艺两个维度开展研究，为冻土监测实施提供参考。

1 冻土监测工况痛点分析

多年冻土区监测主要面临四类工况难题。第一，特种温度，冬季低温，夏季钻孔内部温度升高，高低温交替循环，普通电子元件零点漂移明显；第二，冻胀机械破坏，地层冻结体积膨胀，产生巨大挤压力，容易挤压、拉断传感器线缆；第三，盐渍腐蚀，冻土区地下水含盐量高，对传感器外壳、线缆护套存在腐蚀；第四，野外无市电供电，只能依靠太阳能储能供电，设备整体功耗必须严格控制。

以上多重因素叠加，造成内地普通监测设备直接移植到高原冻土项目，故障率居高不下。

2 主流测温监测技术对比

当前冻土分层地温监测主要有三类技术路线。

第一类，单点独立PT100传感器。单支探头对应一个深度，每一支独立出线，优点是单点精度高；缺点是钻孔内部线缆数量多，钻孔孔径要求大，冻胀环境下多根线缆更容易发生损坏，后期维护难度大。

第二类，分布式光纤DTS测温。一根光纤实现全孔连续测温，无电子元器件下入孔内；但设备成本高，解调仪体积大，野外现场部署难度大，温度测量精度有限，适合宏观温度场观测，不适合高精度工程监测。

第三类，总线式串联测温电缆，即多个测温节点集成在一根电缆上，总线信号传输，钻孔内线缆数量少，施工便捷。北京鸿鸥成运HO‑TD系列即采用该技术路线，探头封装为一体化铠装结构，抗拉伸抗挤压，适配冻土钻孔工况。

综合对比，工程类冻土路基监测，总线式分层测温电缆综合性价比、野外可靠性更具备优势。

3 鸿鸥成运冻土路基成套监测装备组成

整套装备分为井下传感单元、井下保护组件、地面采集与供电单元三部分。

井下传感单元：高精度PT1000测温节点，316L不锈钢防腐外壳，节点抗拉强度高，整体铠装耐低温线缆，耐受‑40℃低温，线缆耐反复弯折，抵御地层冻胀拉扯。可以根据项目需求自定义测温节点布设深度。

井下保护组件：包含不锈钢保护套管、孔口密封压盖、防渗橡胶组件。孔口密封可以阻止地表融雪水、雨水顺着钻孔缝隙下渗，避免形成热通道扰动原始地温场，孔口防护是冻土监测非常容易被忽视的环节。

地面部分：低温工业级RTU采集主控箱，支持‑40℃稳定工作，具备485 Modbus接口；太阳能光伏组件+低温储能锂电池，实现野外自给供电；无线传输模块将数据上传云平台，实现远程查看、异常告警。

4 标准化埋设工艺研究

4.1钻孔施工

冻土钻孔严禁采用大量清水循环钻进，大量注水会融化周边冻土，改变原始地温场，优先采用干钻工艺。钻孔孔径根据传感器选型确定，一般φ110‑130mm。钻孔完成之后，需要静置一段时间，让钻孔周边受扰动地层温度初步恢复，再下放传感器。

4.2传感器下放

下放传感器过程匀速缓慢下放，避免线缆磕碰孔壁，严禁硬拉硬拽。传感器节点按照设计深度定位固定，保证每一个测温节点位于设计地层位置，不能出现传感器移位。线缆预留一定松弛余量，抵消地层冻胀带来位移，不能把线缆绷直，否则冻胀发生后直接拉断线缆。

4.3钻孔回填封孔

回填材料导热性能需要和周边岩土尽量接近，减少回填体对测温结果的干扰。分层回填、分层捣实，避免回填体内部出现空洞。做好孔口封堵，安装孔口密封组件，隔绝地表水流入。

4.4地面采集站布设

采集控制柜安装在路基不受沉降、洪水冲刷的位置，做好设备防晒、防冻、防盗；太阳能板朝向合理，清除积雪遮挡；线缆接头全部做防水绝缘处理。设备完成布设之后，连续采集72小时，确认设备工作正常，数据无异常波动，才算埋设完成。

5 装备选型原则

1、传感器元器件必须满足‑40℃低温工作，外壳具备盐渍防腐能力；

2、线缆优先铠装结构，具备抗拉抗挤压能力，预留冻胀位移余量；

3、采集终端选用工业低温型号，不能使用普通民用采集模块；

4、孔口密封防渗组件不可省略，防止地表水入渗破坏地温场；

5、太阳能供电按照高原冬季光照条件配置，预留功率余量。

6 结论

（1）多年冻土区监测设备失效，很多不是元器件本身损坏，而是忽视冻胀机械作用、盐渍腐蚀、孔口渗水等冻土工况。

（2）总线式铠装分层测温电缆，在冻土路基工程监测场景综合优势突出。北京鸿鸥成运冻土成套监测装备针对高寒工况做专项优化，适配高原野外条件。

（3）冻土监测钻孔优先干钻施工，传感器下放、回填、孔口密封、地面采集站每一步工艺，都会直接影响监测数据质量。只重视传感器硬件，忽视埋设工艺，依旧无法获取可靠监测成果。

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