采煤沉陷影響下高速公路內(nèi)部應(yīng)力分布研究

鄧偉男

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013)

目前，我國高速公路通車總里程已經(jīng)位居世界第一，同時(shí)，大規(guī)模高速公路網(wǎng)的建設(shè)仍在持續(xù)進(jìn)行，高速公路穿越煤炭生產(chǎn)區(qū)的現(xiàn)象不斷增多，由此帶來的采煤沉陷影響高速公路運(yùn)營安全的事件頻發(fā)[1]。從高速公路修建與地下煤炭開采的時(shí)間先后角度分類，采煤沉陷影響高速公路所產(chǎn)生的一系列問題可以分為兩類：一類是擬建高速公路穿越已采礦區(qū)時(shí)的穩(wěn)定性問題；另一類是高速公路穿越未采礦區(qū)時(shí)的壓煤問題。相較于建筑物下及鐵路下采煤領(lǐng)域，采煤沉陷影響高速公路相關(guān)問題的研究起步較晚，多集中在采空區(qū)的穩(wěn)定性評估[2]，勘察、治理以及治理質(zhì)量檢測等工程實(shí)踐[3-7]，以及對高速公路表面的移動(dòng)變形監(jiān)測[8-10]。對采煤沉陷影響下高速公路移動(dòng)變形發(fā)展理論的研究以及高速公路壓煤開采的實(shí)踐相對較少[11-16]。由于高速公路屬于封閉的構(gòu)筑物，難以監(jiān)測到其內(nèi)部移動(dòng)變形情況；高昂的造價(jià)及其重要程度也不允許進(jìn)行理想條件的采煤沉陷影響現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)。種種不利因素造成了相關(guān)研究的難度很大。

傳統(tǒng)的“三下”采煤研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以移動(dòng)和變形為主，而高速公路的變形破壞本質(zhì)上是力學(xué)問題，本文根據(jù)高速公路主體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用FLAC3D數(shù)值模擬計(jì)算的方法，考慮行車荷載作用及路面修筑材料強(qiáng)度的變化，對采煤沉陷影響下高速公路內(nèi)部的應(yīng)力分布進(jìn)行研究。

1 模型建立及模擬方案

高速公路主體結(jié)構(gòu)分為路基與路面，兩者在材料性質(zhì)上有較大的差異。為了反映具有普適性的采煤沉陷影響下高速公路移動(dòng)變形特征，根據(jù)開采沉陷一般規(guī)律及高速公路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，模型的建立遵循以下原則：

(1)模型設(shè)計(jì)開采深度與開采厚度之比應(yīng)不小于30[17]，以保證地表沉陷盆地內(nèi)的移動(dòng)和變形在空間和時(shí)間上是連續(xù)、漸變且具有一定規(guī)律的。

(2)高速公路路基與路面以我國一般路段路基與路面為原型[18]，不考慮特殊路基。

(3)模擬工作面推進(jìn)尺寸應(yīng)大于煤層充分采動(dòng)臨界尺寸，模型邊界應(yīng)在開采沉陷理論計(jì)算的影響范圍之外。

基于上述原則，建立模型各層的物理力學(xué)參數(shù)(表1)，高速公路橫斷面見圖1(模型按照雙向八車道高速公路的設(shè)計(jì)尺寸，路面寬度42m，路基邊坡坡率1∶1.5[19])。

表1 模型各層物理力學(xué)參數(shù)

圖1 高速公路模型橫斷面

為了全面地說明采煤沉陷影響下高速公路路基與路面內(nèi)部的應(yīng)力分布特征，模型計(jì)算過程中考慮了行車荷載的影響及路面材料強(qiáng)度的變化，設(shè)計(jì)了3套模擬方案：

(1)方案一模擬高速公路壓煤開采，工作面沿高速公路延伸方向推進(jìn)達(dá)到充分開采的程度。

(2)方案二是在方案一的基礎(chǔ)上，施加行車荷載的影響，行車荷載取高速公路車道均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值10.5kN/m[20]。

(3)方案三是在方案一的基礎(chǔ)上，降低路面材料的強(qiáng)度，取值與路基材料參數(shù)相同。

2 路基與路面內(nèi)部水平應(yīng)力的分布

工作面沿高速公路延伸方向推進(jìn)50m(不充分采動(dòng))、100m(接近充分采動(dòng))及150m(充分采動(dòng))時(shí)，路基與路面內(nèi)部的水平應(yīng)力曲線如圖2所示(圖中正值代表拉應(yīng)力，負(fù)值代表壓應(yīng)力，下文相同)。

圖2 路基與路面內(nèi)部水平應(yīng)力曲線對比

隨著工作面的推進(jìn)，路基與路面內(nèi)部水平應(yīng)力的分布變化如下：

(1)工作面推進(jìn)50m時(shí)，路基與路面內(nèi)部水平應(yīng)力曲線變化趨勢一致，基本呈軸對稱分布；兩條曲線最大壓應(yīng)力點(diǎn)在水平方向上的位置重合，大致位于采空區(qū)中心點(diǎn)上方；路面內(nèi)部水平壓應(yīng)力部分位于采空區(qū)上方，并向采空區(qū)邊界兩側(cè)各擴(kuò)展約48m，其余部分為水平拉應(yīng)力區(qū)，分布特點(diǎn)與地表沉陷盆地水平變形曲線類似，受路面覆蓋的約束，路基內(nèi)部不存在水平拉應(yīng)力；路基與路面內(nèi)部水平應(yīng)力在數(shù)值上相差較大。

(2)工作面推進(jìn)100m時(shí)，路基與路面內(nèi)部水平應(yīng)力曲線形態(tài)出現(xiàn)差異，后者不再呈軸對稱分布；路基內(nèi)部最大壓應(yīng)力點(diǎn)仍位于采空區(qū)中心點(diǎn)上方，路面內(nèi)部最大壓應(yīng)力點(diǎn)偏向開切眼方向，距離采空區(qū)中心點(diǎn)約18m；路基內(nèi)部開始出現(xiàn)水平拉應(yīng)力，路面內(nèi)部水平壓應(yīng)力區(qū)隨工作面的推進(jìn)不斷前移且范圍在逐步擴(kuò)大。

(3)工作面推進(jìn)150m時(shí)，路基內(nèi)部水平應(yīng)力曲線也不再呈軸對稱分布，最大壓應(yīng)力點(diǎn)位于采空區(qū)中心點(diǎn)上方偏向開切眼方向約2m，路面內(nèi)部最大壓應(yīng)力點(diǎn)位于采空區(qū)中心點(diǎn)上方偏向工作面推進(jìn)方向約3m；路面內(nèi)部水平拉、壓應(yīng)力的極值不再增大，發(fā)展趨勢不變，路基內(nèi)部水平拉、壓應(yīng)力的極值仍在增大。

在對模型施加行車荷載后，路基與路面內(nèi)部水平應(yīng)力曲線形態(tài)基本與圖2一致，行車荷載的作用僅僅會(huì)使高速公路內(nèi)部水平應(yīng)力值增大，但增大幅度極小。

將路面材料的強(qiáng)度與路基等同后，路面內(nèi)部水平應(yīng)力曲線如圖3所示，此時(shí)，路面內(nèi)部水平應(yīng)力的曲線形態(tài)及數(shù)值大小與常規(guī)路面內(nèi)部水平應(yīng)力相差較多，接近圖2中路基內(nèi)部水平應(yīng)力的分布。

圖3 低強(qiáng)度路面內(nèi)部水平應(yīng)力曲線

綜上分析，采煤沉陷影響下高速公路路基與路面內(nèi)部水平應(yīng)力的變化趨勢大致相同，水平應(yīng)力曲線形態(tài)及數(shù)值大小差異明顯，相對于路面內(nèi)部水平應(yīng)力，路基內(nèi)部水平應(yīng)力的變化略有滯后且受影響范圍較?。恍熊嚭奢d的作用對路基與路面內(nèi)部水平應(yīng)力的分布影響很??；路面強(qiáng)度的大小對水平應(yīng)力的分布影響較大，強(qiáng)度越高，路基與路面內(nèi)部水平應(yīng)力曲線差異越大。

3 路基與路面內(nèi)部垂直應(yīng)力的分布

工作面沿高速公路延伸方向推進(jìn)50m，100m及150m時(shí)，路基與路面內(nèi)部垂直應(yīng)力曲線如圖4所示(圖中，a，b，c分別代表工作面推進(jìn)50m，100m及150m時(shí)路面內(nèi)部垂直應(yīng)力曲線；d，e，f分別代表工作面推進(jìn)50m，100m及150m時(shí)路基內(nèi)部垂直應(yīng)力曲線)。

圖4 路基與路面內(nèi)部垂直應(yīng)力曲線對比

隨著工作面的推進(jìn)，路基與路面內(nèi)部垂直應(yīng)力的分布變化如下：

(1)工作面推進(jìn)50m時(shí)，路基內(nèi)部垂直應(yīng)力曲線出現(xiàn)波動(dòng)，應(yīng)力值在采空區(qū)上方有所下降，在采空區(qū)邊界外兩側(cè)有所上升，受采煤沉陷影響的路面內(nèi)部垂直應(yīng)力波動(dòng)幅度較??；未受采煤沉陷影響區(qū)域的路基和路面內(nèi)部垂直應(yīng)力分別穩(wěn)定在0.028MPa和0.0095MPa。

(2)工作面推進(jìn)100m時(shí)，路基與路面內(nèi)部垂直應(yīng)力曲線數(shù)值出現(xiàn)較大波動(dòng)，前者呈“駝峰”狀分布，后者波動(dòng)更為劇烈，最大波動(dòng)幅度約為前者的4倍；路基與路面內(nèi)部垂直應(yīng)力曲線波動(dòng)峰值點(diǎn)水平方向上位置重合，位于采空區(qū)上方靠近邊界的區(qū)域；路基內(nèi)部垂直應(yīng)力最大值點(diǎn)有2個(gè)，分別位于垂直應(yīng)力曲線2個(gè)波動(dòng)峰值點(diǎn)兩側(cè)的采空區(qū)邊界外，路面內(nèi)部垂直應(yīng)力最大值點(diǎn)有1個(gè)，位于垂直應(yīng)力曲線2個(gè)波動(dòng)峰值點(diǎn)之間，并且緊鄰右側(cè)波峰值點(diǎn)；路面內(nèi)部出現(xiàn)垂直應(yīng)力正值區(qū)域。

(3)工作面推進(jìn)150m時(shí)，路基與路面內(nèi)部垂直應(yīng)力曲線形態(tài)與上一階段相似，曲線波動(dòng)峰值點(diǎn)之間的距離隨工作面的推進(jìn)有所增加，垂直應(yīng)力的極值基本不變；路面內(nèi)部的垂直應(yīng)力正值區(qū)域在工作面推進(jìn)一側(cè)的范圍明顯大于開切眼一側(cè)。

在對模型施加行車荷載后，路基與路面內(nèi)部垂直應(yīng)力曲線與圖4中垂直應(yīng)力曲線形態(tài)及變化趨勢基本相同，行車荷載會(huì)增加路基與路面內(nèi)部的垂直應(yīng)力值，增大幅度等同于增加的行車荷載。

將路面材料的強(qiáng)度與路基等同后，路基與路面垂直應(yīng)力曲線基本近似為2條水平線，隨工作面的推進(jìn)變化極小。

綜上分析，采煤沉陷影響下高速公路路基與路面內(nèi)部垂直應(yīng)力變化趨勢大致相同，路面內(nèi)部垂直應(yīng)力的波動(dòng)比路基內(nèi)部劇烈，路基與路面內(nèi)部垂直應(yīng)力曲線波動(dòng)形態(tài)及路面內(nèi)部垂直應(yīng)力正值的出現(xiàn)，表明路基與路面的下沉存在不一致性，部分路面的自重荷載沒有完全垂直施加到路基上，由兩側(cè)路基與路面共同支撐，路基與路面之間可能出現(xiàn)了離層空間；行車荷載的作用只會(huì)對路基與路面內(nèi)部垂直應(yīng)力的數(shù)值造成影響；路面強(qiáng)度的大小對路面垂直應(yīng)力的分布影響較大，強(qiáng)度越高，路面抗沉陷能力越強(qiáng)。

4 高速公路損壞與應(yīng)力分布的關(guān)系

采煤沉陷影響下高速公路的損壞可分為路基失穩(wěn)破壞及路面的開裂和凸起破損，其中，路基的失穩(wěn)破壞一般發(fā)生在高路堤路段，且伴隨有強(qiáng)降水等其他因素的共同作用，屬偶發(fā)性災(zāi)害事件；路面的開裂和凸起破損是最常見的高速公路受采煤沉陷影響的損壞現(xiàn)象，如圖5所示。

圖5 高速公路路面損壞現(xiàn)場

研究表明，路面的開裂和凸起破損分別是由地表水平拉伸變形和水平壓縮變形引起的[1]。由圖2和圖3可知，路面內(nèi)部水平應(yīng)力曲線的分布形態(tài)與水平變形曲線相似，表現(xiàn)為采空區(qū)上方為壓應(yīng)力或壓縮變形區(qū)，采空區(qū)外為拉應(yīng)力或拉伸變形區(qū)。高速公路路面的開裂，是路面內(nèi)部水平拉應(yīng)力積累到路面強(qiáng)度極限的結(jié)果，與路面內(nèi)垂直應(yīng)力的積累變化無直接關(guān)系；路面的凸起破損現(xiàn)象的發(fā)生，是路面內(nèi)部水平壓應(yīng)力積累到一定程度，且由垂直應(yīng)力反映出路面與路基之間存在離層空間情況下的結(jié)果。

路面開裂一般只會(huì)影響行車的舒適感，可采取填縫補(bǔ)強(qiáng)的方式進(jìn)行處治；而路面凸起破損會(huì)造成跳車等嚴(yán)重影響行車安全的事件發(fā)生，其修復(fù)工作也較復(fù)雜，需鑿除破損路面后重新鋪設(shè)。

根據(jù)高速公路損壞與應(yīng)力的關(guān)系，在控制采煤沉陷對高速公路破壞性影響時(shí)，應(yīng)采取能夠減少高速公路內(nèi)部水平壓應(yīng)力的分布的措施，另外，在采動(dòng)影響期間，可考慮采用低強(qiáng)度路面作為過渡。

5 結(jié) 論

(1)采煤沉陷影響下高速公路路基與路面內(nèi)部應(yīng)力的變化趨勢大致相同，隨工作面的推進(jìn)，應(yīng)力的變化反映出路基與路面的下沉存在不一致性。

(2)行車荷載對高速公路內(nèi)部應(yīng)力的分布影響較小；路面材料強(qiáng)度的大小對高速公路內(nèi)部應(yīng)力的分布影響較大，低強(qiáng)度路面內(nèi)部應(yīng)力值相對較小且積累緩慢，高強(qiáng)度路面抗沉陷能力較強(qiáng)。

(3)高速公路路面的開裂是由路面內(nèi)部水平拉應(yīng)力積累到路面強(qiáng)度極限的結(jié)果；路面的凸起破損是路面內(nèi)部水平壓應(yīng)力與垂直應(yīng)力共同作用的結(jié)果。

(4)減少高速公路內(nèi)部水平壓應(yīng)力的分布以及采用低強(qiáng)度路面，均可以控制采煤沉陷對高速公路的破壞。