铁路地质灾害勘察识别与监测预警

地质灾害对铁路建设、安全运营构成了极大威胁,“天空地”一体化综合勘察技术有效解决了地质灾害勘察识别难题。“天”基多源立体卫星遥感技术实现艰险复杂山区地质灾害的大范围精准判识,长时序InSAR与高精度GPS实现高陡岸坡的稳定性监测分析;“空”基真实感大场景、机载倾斜摄影和机载LiDAR扫描技术实现高植被覆盖区隐蔽性地质灾害判识;“地”基三维立体勘探技术获取岩土体结构、属性、参数;共同构建沟谷山地灾害链风险评价方案,为建设工程合理选址和工程设置提供依据。介绍地质灾害监测预警的方法、内容、技术和预警模型,对监测预警技术发展方向进行展望。

复杂艰险山区高速铁路慢行病害特征与治理

针对我国西南复杂艰险山区高速铁路建设与运营中路基、桥梁和隧道出现导致列车运行速度减慢的病害(慢行病害),依托南昆、沪昆、西成高铁3条复杂艰险山区高速铁路运营期间监测与补充勘察资料,分析不同慢行病害的危害方式与变形破坏特征,研究高速铁路慢行病害产生的原因,提出治理方案。研究得出结论:地层岩性、地形地貌、构造应力环境、气候降雨、岩体结构条件等多重因素造成复杂艰险山区高速铁路出现路基基底上拱、斜坡桥梁位移、隧道基底上拱、隧道混凝土腐蚀等慢行病害,针对不同慢行病害提出多种治理方案。研究成果可为复杂艰险山区高速铁路工程建设、运营维护提供借鉴。

红层地区高铁路堑基底上拱等级预测研究

轨面平顺性是高速铁路安全运行的重要保证。近年来,四川红层部分高速铁路(客运专线)出现路基上拱病害,致使轨面不平顺并影响高铁正常运营。对于高速铁路无砟轨道线路,基底上拱整治十分困难,如能在铺轨前进行上拱预测,就可采取相应措施以减缓路基上拱,因此高铁路基上拱预测研究势在必行。以成渝客运专线为研究对象,在综合分析路基上拱主要影响因素的基础上,选取路基中心开挖深度、岩层倾角、砂泥岩互层关系、泥岩饱和单轴抗压强度、泥岩膨胀性5个评价指标,采用熵权法确定各指标权重,运用功效系数法建立高铁红层路基上拱等级预测模型。将该模型应用于成渝客专和沪渝蓉高铁建设前期主要上拱段及上拱等级预测,验证了该模型的可行性与实用性。

崩塌滑坡-堰塞湖-溃决洪水-泥石流灾害链演化特征分析及防治对策研究

某沟谷两岸坡面陡峻,沟谷狭窄,纵坡降较大,在地震、降雨等不利因素影响下,其左岸堆积体上方的崩滑堵沟隐患点可能出现失稳,并发展为崩塌滑坡-堰塞湖-溃决洪水-泥石流灾害链。针对此灾害链不同阶段的演化特征,采用相应的数值模拟模型和数值计算方法进行模拟分析和计算,评价其对沟口桥梁工程的影响,并采取相应的防治对策。经分析计算,崩塌滑坡隐患点距沟底高程落差约1 km,岩体体积约8×10^(6)m^(3),平均厚度约26 m,崩塌滑坡堵河可形成最大水深为14.4 m、面积约为7.19×10^(4)m^(2)、方量约为2.74×10^(5)m^(3)的堰塞湖;堰塞湖溃决形成洪水过程中,桥梁处最大水深为4.43 m(不含原始水位),最大流速为7.54 m/s,峰值流量为807 m^(3)/s;在溃决洪水强烈揭底冲刷和侵蚀的条件下,溃决洪水引发的泥石流在桥梁处的最大水深为7.1 m、最大流速为8 m/s、峰值流量为1685.5 m^(3)/s、最大冲刷深度为16.58 m。为减少该灾害链对桥梁工程的影响,采取河道疏通、岸坡防护和监测预警等防治措施。

复杂艰险山区铁路隧道勘察现状分析与总结

研究目的:艰险山区地质条件复杂,勘察期间难以详尽查明艰险山区隧道的工程地质问题,导致施工期间揭示的地质情况与勘察成果存在一定差异,勘察精度不能满足艰险山区隧道建设的需要。依托艰险山区5条铁路隧道工程已有勘察成果与施工资料,通过分析隧道建设过程中存在的围岩变更、重大地质条件变化、工期延误与投资超概问题,对艰险山区复杂地质铁路隧道地质勘察现状进行分析与总结,以期提高艰险山区复杂地质铁路隧道勘察精度。研究结论:(1)导致隧道施工期间揭示地质情况与勘察成果存在差异的主要勘察原因是勘察周期设计不合理、勘探点布置不合理、地下水以及软岩大变形识别精度不足;(2)基于此提出了调整勘察周期、优化勘探点布置、高压富水带精细化评价以及高地应力环境软岩大变形分级的对策;(3)本研究成果可为艰险山区复杂地质隧道工程地质勘察工作提供借鉴。

铁路大范围复杂地质区域环境三维建模方法研究

科学合理的规划铁路线位,使铁路地质灾害问题解决在成灾之前,一直是复杂山区铁路选线的难题。基于空间数据三维可视化建模技术,提出一种铁路大范围复杂地质区域环境整体三维建模方法。通过对遥感地质解译图的矢量化信息提取与处理,采用拉格朗日插值和三次Hermite曲线插值算法,实现由数据驱动的矢量化不同类型地质对象三维模型创建。根据地质对象空间边界数据和区域边界,构建填充封闭区域和填充色系,实现颜色填充模式的三维地质建模。以DEM模型与DOM影像为数据源,在Infraworks BIM平台中实现大范围三维地形场景建模。基于七参数的坐标系转换方法,以面积比值、空间距离误差和灰度状态均值为标准,建立基于灰度直方图的图像匹配度分析方法和最优控制点选取策略,解决选线完整区域大范围矢量化地质模型在三维地形场景中的精确定位和集成难题,建立铁路工程完整区域的三维工程地质模型,实现大范围复杂地质区域的三维可视化。采用设计方案和铁路线路BIM设计结果在BIM平台定位和集成,实现在三维地质区域环境中无缝展示线路方案BIM模型设计效果。结果表明,构建的大范围的三维地质区域环境模型具有很好的地质信息完整性和可视性,直观展示了整个选线区域的三维地质区域环境,能够较好地满足预可研和可研阶段复杂山区铁路规划线位要求。

高植被覆盖下铁路隧道口危岩落石风险评估

山区铁路选线受地形条件制约,高陡边坡或陡崖地段的隧道洞口常面临危岩落石风险,传统人工调查方法困难,尤其是高植被覆盖地区,受现场条件限制不能完全查明危岩分布,同时常用的落石运动轨迹模拟缺少横向范围控制,存在一定的安全隐患。以某铁路隧道进口工程为研究对象,以机载LiDAR和三维倾斜摄影数据为基础,查明了危岩形成机制及分布特征,利用自主研发的Rockfall Hunter软件分析不同破坏形式的危岩三维运动特征,并给出防护措施建议。研究表明:(1)基于定性分析和定量计算,建立的“数据、方法、意义”三阶段高植被覆盖区危岩落石风险综合评估方案行之有效;(2)利用精细化三维实景模型可准确提取危岩体几何信息,危岩落石发育区数字地表灰度影像表面坎坷不平、具粗糙感,危岩体截面地面点棱角显著、地势陡峭,原生孤石或滚石截面呈凸起状、有明显界限;(3)研究发现可能对工程造成危害的危岩体120处,总体积约15541 m^(3),以倾倒、坠落式破坏为主,局部发生组合式破坏;(4)落石进入隧址区最大速度为17.3 m/s,最大弹跳高度为12.5 m,最大冲击能量超过8000 kJ,建议采用避让、清理、加固等措施。

晶体粒径对花岗岩力学特性影响规律的试验研究

岩石晶体尺寸在空间分布上具有变异性,不同晶体尺寸岩石具有不同的力学特性。为研究晶体尺寸对岩石力学特性的影响规律,选取怒江拥巴段浅层弱风化花岗岩为研究对象,根据晶体尺寸将花岗岩分为粗粒、中粗粒、中细粒和细粒共4组;采用三轴压缩试验研究不同晶体粒径花岗岩的应力-应变响应特征,并在此基础上分析了花岗岩强度、刚度及破坏特征随晶体粒径的变化规律;最后结合花岗岩微观结构图像讨论了晶体粒径对其宏观力学特性的影响。研究表明:(1)同一地区晶体粒径较小的花岗岩具有较大的峰值抗压强度及对应的轴向压缩应变,细粒花岗岩的峰值抗压强度及其对应的轴向压缩应变分别为粗粒花岗岩的1.5~2.2倍和1.6~2.1倍;(2)晶体粒径从粗粒逐渐减小到细粒的过程中,花岗岩的抗剪强度和刚度均逐渐增大,其中黏聚力从13 MPa增加至32 MPa,内摩擦角从45.2°增加至52.5°,变形模量从1.0(归一化)增加至1.7~2.5,泊松比从0.29减小至0.22;(3)不同粒径花岗岩的微观结构具有显著差异,细粒花岗岩晶体颗粒的致密程度及晶体之间的胶结程度显著优于粗粒花岗岩。

铁路地质灾害早期识别与监测预警技术及应用研究

地质灾害隐患是我国山区铁路运输安全面临的巨大威胁,及早发现、诊断和处置灾害隐患对于铁路安全风险防范具有重要意义。为满足隐患精细化防治需求,系统归纳总结了我国山区运营铁路普遍存在的地质灾害隐患类型及特征,通过将灾害筛查、危险性评估与监测预警技术有机结合与融合应用,提出了基于天空地多源遥感和人工智能的铁路地质灾害早期识别与监测预警技术路线。研究表明:(1)我国山区铁路的地质灾害隐患主要表现出高位陡坡多、隐蔽性和潜伏性强、受工程扰动影响大、远程链式致灾和缓变型隐患分布广泛5种突出特征;(2)联合采用卫星遥感、InSAR、机载LIDAR和无人机遥感技术,实现了不同类型灾害隐患的精细化识别,形成了多层次立体化的铁路沿线隐患筛查技术方法;(3)融合应用机器学习、图像识别及变化检测等人工智能方法,提出了铁路沿线灾害危险性评估与监测预警技术路线,并通过工程应用验证了技术方案的有效性;(4)结合铁路工程特点,提出了以“区域-区段-工点”为主线的铁路地质灾害三级防控策略,构建了适用于铁路运维的地质灾害早期识别与监测预警技术体系。

铁路路基下膨胀土地基浸水响应现场试验

在工程建设中,膨胀土大都属于非饱和土范畴。对高速铁路无砟轨道路基而言,膨胀土的胀缩变形可能加剧线路的不平顺性,影响高速铁路的正常运营。为研究铁路路基荷载下非饱和膨胀土土层在人工浸水后的变形特征,结合云桂铁路建设,设计并开展了铁路原型路基荷载下膨胀土地基现场浸水试验,并监测了从路基填筑开始到人工浸水结束时膨胀土地基与路基本体变形及浅层土水分的时程变化。试验结果揭示了膨胀土地基浸水饱和后的极限相对膨胀量、膨胀变形沿路基横向与地基深度的分布规律以及地基表面膨胀变形沿路基本体的衰减特征。基于试验成果,初步提出了以路基表面膨胀变形为0作为控制标准确定路基临界填高的设计思路。现场试验的设计原则与实施方法也可为今后研究铁路路基下膨胀土地基胀缩特性提供参考。

横断山区川藏线山地灾害和地质选线原则研究

研究目的:川藏铁路是国家十三五重点建设项目,目前林芝至拉萨段已经开工,成都至康定段已完成可行性研究,而康定至林芝段尚未正式开展勘察设计工作。横断山区是康林段铁路必经之地,具有高海拔、大高差、构造作用强烈、山地灾害发育的区域工程地质特征,因其地形地质条件极为复杂,历来被视为川藏铁路修建的瓶颈地带。为解决这一难题,中铁二院受铁路总公司委托,开展三江并流区铁路工程地质灾害特征及地质综合选线研究。本文以新构造运动的观点,从夷平面研究出发,总结横断山区主要工程地质问题,论述川藏铁路通过该区的地质选线原则。研究结论:(1)横断山区地形地貌以高海拔、大高差为特点,发育有三级夷平面,平均海拔分别为4 750 m、4 100 m和3 500 m,夷平面之间发育有三级斜坡过渡带,且海拔越高,夷平面、过渡带形成越早;(2)夷平面平坦稳定,是川藏铁路选线的最佳区域,其间的各级斜坡过渡带由高至低,岸坡稳定性依次降低;(3)川藏铁路选线应充分利用夷平面,尽量缩短在斜坡过渡带的长度,不宜沿深切河谷走行;(4)本研究成果适用于高山峡谷区铁路公路选线。

提速条件下粉土铁路路基动态稳定性研究

路基的动态响应及稳定直接决定了提速列车运行的舒适度和安全性。通过室内循环三轴试验,模拟了路基在湿度变化与提速列车动荷载作用下的动态特性。根据试验结果,结合既有线提速路基的动应力变化规律发现:在最优含水率附近,当压实系数为0.90,提速情况下路基可保持稳定状态;若压实系数为0.85,在动应力不超过70 kPa时,路基稳定性较好,但随着动应力水平增加和加载频率增大,路基的累积变形加剧并产生动强度破坏。列车提速使路基的弹性变形增大,但对路基的回弹模量影响较小。路基湿度增加导致临界动应力、回弹模量显著降低,而回弹应变、循环累积应变迅速增加,有可能导致路基产生动强度破坏,因此,雨季时应限速行车。

成贵铁路工程环境与线路选线设计

研究目的:成贵铁路是复杂艰险山区高速铁路之一,穿越四川盆地向云贵高原攀升的斜坡过渡带,经过四川盆地南缘断褶带、滇东北崇山峻岭及贵州高原西北地区,沿线具有"矿藏多、采空区多、天然气多、峡谷多,地质构造发育、岩溶发育、重力不良地质发育、岩盐发育"的"四多、四发育"特点,地质、地形、环境极为复杂。本文在"地形选线"、"地质选线"、"环保选线"、"重大工程优先选址"的基础上,贯彻"减灾选线"理念,从工程建设源头做好地质灾害风险规避、防控工作;贯彻一县(市)一站、站城融合理念,尽力打造生态工程。研究结论:(1)沿线控制线路走向的主要因素有地形地貌、重点桥隧工程、城市规划、环境敏感区和煤矿采空区、岩溶、天然气等不良地质发育区;(2)线路最大坡度,一般20‰,困难25‰,个别30‰;(3)本研究成果可供复杂艰险山区铁路、公路工程建设借鉴。

无人机三维影像技术在铁路勘察中的应用

研究目的:通过研究无人机三维影像铁路勘察技术,以应对在藏川滇等地形、地质条件极其复杂地区铁路勘察中效率低下,以及局部艰险地段勘察精度无法满足设计要求的问题,并同时降低勘察人员的安全风险。本文首先系统地阐述无人机的分类及应用,以及三维影像技术基本原理,在大量的现场试验工作基础上研究无人机三维影像技术在大范围地质选线、隧道区测以及危岩落石、滑坡、泥石流等不良地质勘察中的应用,对比传统的勘察手段分析无人机三维影像技术在勘察安全、勘察效率、勘察精度方面的优势。研究结论:(1)无人机三维影像技术可完成危岩落石方量、坐标计算,岩层产状测量以及滑坡、泥石流空间几何特征的测量等勘察工作;(2)无人机三维影像技术可完成构造判识、岩溶识别及计算等区域地质调查工作;(3)无人机三维影像技术可以提高勘察的精度和勘察效率;(4)无人机三维影像技术可广泛用于复杂艰险山区的铁路勘察工作。

川藏铁路成康段活动断裂工程效应及地质选线

研究目的:川藏铁路成都至康定段位于我国西部著名的"Y"字型构造楔合部位,区域构造复杂,新构造运动活跃,分布有龙门山断裂、鲜水河断裂和玉农希断裂三条全新世活动断裂,断裂活动对该区铁路选线所造成重大影响。本文通过研究三条活动断裂的粘滑位错、蠕滑变形特征,强震破坏特征以及活动断裂导致的热害、次生灾害分布情况,来探讨在此类地质条件复杂区域的地质选线原则,从而降低活动断裂对铁路工程的破坏。研究结论:(1)川藏铁路成康段穿越的三条断裂均发生过强烈地震,断裂活动性强,对铁路选线影响较大,需通过合理选线降低风险;(2)活动断裂导致的工程效应有地表破裂导致工程破坏,地震波导致震动破坏,断裂控制区地热异常导致工程施工难度加大或工程方案不可行,断裂活动形成的次生灾害如滑坡、泥石流、崩塌等对工程造成破坏;(3)活动断裂区地质选线应充分考虑活动断裂的活动特征以及其导致的主要工程问题;(4)本研究成果主要应用于川藏铁路成康段地质选线工作。

云南省思茅至澜沧高速公路思茅段某隧道地应力特征研究

通过对隧道SSK116480钻孔进行现场原位地应力测试,在198~285 m测试深度范围的最大水平主应力σ_(H)为5.8~8.3 MPa,最小水平主应力σ_(h)为5.0~6.0 MPa,垂直应力(自重应力)σ_(Z)为5.4~7.7 MPa。在钻孔测试深度范围内水平主应力与自重应力之间总体具有σ_(H)>σ_(Z)>σ_(h)的关系,表明测区应力场以水平应力场为主。实测最大水平主应力方位为N48°W-N61°W,为NW向,与初设隧道轴线方向成较大等角度相交,地应力对隧道围岩稳定性相对不利。

高铁复杂岩溶“空天地”一体化综合勘察技术

研究目的:为提高复杂岩溶区高速铁路的勘察效率和精细度,本文通过分析总结岩溶区"空""天""地"类勘察技术的适用条件、常规勘察技术优缺点以及新型勘察技术应用特点,从而提出各类岩溶区以及各勘察阶段岩溶综合勘察技术组合原则,进而构建复杂岩溶区高速铁路工程"空天地"一体化综合勘察成套技术体系。研究结论:(1)"空""天""地"三大类勘察技术各有其技术特征及适用范围;(2)我国岩溶区分为高原岩溶区、过渡带岩溶区和岩溶化平原区三大类型,应根据所在岩溶区的地质特征和主要岩溶问题,针对具体的工程型式选择相应的勘察技术手段加以组合,开展综合勘察;(3)铁路工程地质各勘察阶段应根据不同工程类型分别组合勘察技术,形成综合勘察模式;(4)构建的"空天地"一体化综合勘察成套技术体系可解决艰险山区复杂岩溶勘察难度大、效率低、精细度差等难题,广泛应用于各类复杂岩溶区高速铁路的综合勘察过程中。

基于GIS空间分析建模的区间线路走向自动生成方法

在GIS空间分析技术支持下,综合考虑分析铁路选线区域内的地形、地理环境和生态环境影响,以坡度、坡向、土地利用、植物群落、水域和湿地、道路、文物古迹和建筑用地等8个影响因素作为铁路选线的单成本因子,以辽宁省康平-法库区间铁路线路选线为试验段,建立以综合成本最低为目标、可以自动生成最优线路路径的区间铁路选线空间信息分析模型.康平-法库区间铁路选线GIS建模应用表明,基于成本距离的最优路径技术,是解决铁路选线多目标约束条件下自动进行空间线路搜索决策的可行方法,可有效克服选线设计中方案有限、选线效率低、决策周期长等问题.

青藏铁路高路堤下多年冻土热状态分析

对青藏铁路高路堤下多年冻土热状态监测结果进行分析研究。选取北麓河试验段3个不同高度(3.0,4.2,5.0m)的路基监测断面,对其多年冻土的地温特性进行研究。结果显示,稍高路堤的修筑有助于多年冻土上限的抬升,在经过2个冻融循环以后,试验路基下多年冻土上限抬升了0.3～0.7m,说明高路堤对多年冻土的保护起到积极作用。但是路堤的高度也不是越高越好,过高的路堤反而会造成工程效果下降,因此需要选择合理的路基高度。从分析结果也可以看出,高路堤的修筑也存在着潜在的不利方面。由于高路基的表面年平均气温要高于天然地表,路基表面的融化期较天然地表长而冻结期较天然地表短,同时路基表面的地温在融化期较天然地表高而在冻结期则与天然地表基本相当,造成路基表面融化指数大于天然地表而冻结指数要小于天然地表。高路基的另一个不利因素是路基填土在阻止暖季热量向下传导的同时也阻碍了寒季冷量向多年冻土的补给,导致多年冻土上限的抬升主要靠下部冻土的冷量消耗来维持。监测结果显示,高路基铺设后,上限以下多年冻土有明显的升温。这些将为路基的长期稳定性带来潜在的不利影响。通过对原天然地表下冻土温度变化过程的分析,得出路基对下伏冻土温度的影响范围在原天然地表下10.0m以上。

金沙江特大桥综合勘察与分析

研究目的:丽(江)香(格里拉)线金沙江特大桥为国内首座重载铁路悬索桥,桥址位于高山峡谷区,岩体卸荷松弛,断层发育,地震活动频繁,岩堆、危岩落石等不良地质发育。根据大桥地质环境和基础的受力特点,选取适宜的综合勘察方法,分析场地稳定性及岸坡稳定性,查明地基强度,为桥梁的基础设置及计算分析提供科学依据。研究结论:选取了平硐、垂直钻探、工程物探、地质调绘、现场及室内试验等勘察方法,综合分析得出如下结论:(1)桥址处无全新世活动断裂通过,次生地质灾害较轻,场地较稳定;(2)基础持力层为片理化玄武岩,属硬质岩,地基强度高;(3)岸坡卸荷带较厚,局部发育岩堆、危岩落石、不利结构面,但岸坡整体稳定,采取加固措施后方案可行;(4)本研究成果对高烈度深切峡谷区桥梁工程的地质勘察具有借鉴意义。