采空區(qū)場地高速鐵路路基變形控制研究現(xiàn)狀與展望

任連偉，寧 浩，鄒友峰，頓志林，郭文兵，田忠斌

(1.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000; 2.河南省采空區(qū)場地生態(tài)修復(fù)與建設(shè)技術(shù)工程研究中心，河南 焦作 454000; 3.河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000; 4.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000; 5.山西省煤炭地質(zhì)物探測繪院，山西 晉中 030600)

采空區(qū)是指地下開采空間圍巖失穩(wěn)而產(chǎn)生位移、開裂、破碎垮落，直到上覆巖層整體下沉、彎曲所引起的地表變形和破壞的區(qū)域及范圍[1]。當(dāng)采空區(qū)場地上建設(shè)有高速鐵路時，采空區(qū)地基在列車密集動荷載的長期作用下會加劇正在發(fā)生的沉降，甚至使已穩(wěn)定的采空區(qū)地基重新發(fā)生“活化”變形，加劇地基變形。然而高速鐵路采空區(qū)地基的沉降將會誘發(fā)一個嚴(yán)重的工程災(zāi)害——高速鐵路路基變形，這將會嚴(yán)重影響高速鐵路的運行和行車安全。

目前我國正處于高速鐵路快速發(fā)展的時期，隨著合肥—福州、太原—焦作線路的鋪設(shè)竣工及通車運營，高速鐵路采空區(qū)場地路基變形問題越來越引發(fā)人們的關(guān)注。如何精確分析和評價高速鐵路采空區(qū)場地路基在列車循環(huán)動荷載作用下的長期穩(wěn)定性，是目前面臨的重大問題。對于高速鐵路采空區(qū)場地路基變形控制的研究，在國內(nèi)外尚屬于比較新穎的課題，也是一個世界性難題，對于該方面的研究成果在國內(nèi)外都比較零散。然而高速鐵路路基動力學(xué)問題以及采空區(qū)地表變形問題的研究比較多，但一直以來2者都是相對孤立的體系。因此，有必要先回顧2者的研究發(fā)展歷程，對2者以往的研究內(nèi)容和方法進行總結(jié)，然后重點介紹當(dāng)前采空區(qū)場地高速鐵路路基變形的研究內(nèi)容、采空區(qū)地基治理技術(shù)以及提出存在的問題與展望。

1 高速鐵路路基動力學(xué)

1.1 高速鐵路路基動力學(xué)的理論模型

發(fā)展至今，高速鐵路路基動力學(xué)問題的研究不再是傳統(tǒng)的獨立系統(tǒng)動力學(xué)分析方法，已經(jīng)基本采用耦合動力學(xué)方法，目前常用模型為車輛-軌道-路基垂向耦合模型。

劉學(xué)毅等[2]應(yīng)用Winkler的彈性地基梁模型首先研究了鋼軌的動應(yīng)力問題，然后認(rèn)為軌枕和道床會隨之發(fā)生振動響應(yīng)，綜合以上考慮構(gòu)建了連續(xù)彈性支承三層疊合梁模型，如圖1所示。

圖1 連續(xù)彈性支承三層疊合梁模型Fig.1 Three layers-beam model with continuous elastic support

由于現(xiàn)實中鋼軌間斷支承于軌枕上，軌道簡化為連續(xù)彈性支承梁不符合實際情況，進而由連續(xù)彈性支承梁模型轉(zhuǎn)化成不連續(xù)彈性點支承梁模型[2]，如圖2所示。

圖2 不連續(xù)彈性點支承模型Fig.2 Discontinuous elastic point support model

后來開始輪軌動力方面問題的研究，為了研究列車的一些基本特性參數(shù)對輪-軌動力作用的影響，JENKINS等[3]建立了連續(xù)彈性基礎(chǔ)支撐歐拉梁理論，并在此基礎(chǔ)上提出了“輪-軌”動力模型，如圖3所示。

圖3 “輪-軌”動力模型Fig.3 “Wheel-rail” dynamic model

佐藤裕等[4]提出了Sato“半車-軌道”集總參數(shù)模型，如圖4所示。

圖4 “半車-軌道”集總參數(shù)模型Fig.4 Half-vehicle/rail lumped parameter model

隨著該領(lǐng)域研究的不斷深入和計算機技術(shù)的不斷更新，人們逐漸關(guān)注機車車輛與軌道動力的影響。將車輛簡化為單輪對，車輛其他元素忽略不計，雖然大幅度降低了計算工作量，但是難免導(dǎo)致分析誤差。后來有國外學(xué)者分析了車輛相鄰輪對之間的動力耦合關(guān)系，如圖5所示。結(jié)果表明，相鄰輪對相互動力作用十分明顯，對彼此輪位處軌道位移影響較大，所以將車輛簡化為單輪對模型是不精確的[5]。

圖5 相鄰輪對相互影響的動力模型Fig.5 Dynamic model of interaction between adjacent wheelsets

翟婉明等[6]通過對軌道使用脈沖激擾而引起振動，研究發(fā)現(xiàn)了激勵作用點位置前后相鄰3個軌枕范圍內(nèi)振動明顯。至此，從單輪對模型發(fā)展為“單側(cè)轉(zhuǎn)向架模型”和“半車模型”[2]，如圖6所示。

圖6 單側(cè)轉(zhuǎn)向架模型和半車模型Fig.6 Bogie model and half vehicle model

后期考慮到軌面存在連續(xù)正弦型不平順，在“半車模型”的基礎(chǔ)上發(fā)展了“整車-有砟軌道”垂向統(tǒng)一模型，如圖7所示。

圖7 車輛-有砟軌道垂向耦合模型Fig.7 Train-ballast track vertical coupled system

周廣新等[7]回顧了車輛-軌道-路基垂向耦合模型發(fā)展歷史?？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn)，列車相鄰車廂相鄰轉(zhuǎn)向架的車輪荷載疊加效果明顯，而同一車廂前、后轉(zhuǎn)向架的車輪荷載之間的疊加可以忽略不計[8]，并在此基礎(chǔ)上提出了“兩車半模型”。

研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)列車速度接近瑞利波速時或者車輪重復(fù)荷載作用頻率與路基固有頻率接近時，路基振動有明顯加劇現(xiàn)象，因此路基的振動問題理應(yīng)得到重視[2];隨著高鐵線路通過采空區(qū)、軟土地區(qū)等不良地基，人們?nèi)找骊P(guān)注路基沉降的影響，在“車輛-軌道模型”的基礎(chǔ)上發(fā)展為“車輛-軌道-路基耦合作用模型”[2](圖8)。

圖8 車輛-軌道-路基耦合作用模型Fig.8 Coupling model of vehicle-track-subgrade

1.2 高速鐵路路基動力響應(yīng)現(xiàn)場實測

對于高速鐵路路基動力響應(yīng)的研究，現(xiàn)場實測是最有效、直觀的方法。國內(nèi)外積累了一定的高速鐵路路基動力響應(yīng)實測資料。DEGRANDE等[9]對列車以223～314 km/h運行時的地基振動進行了現(xiàn)場實測，并結(jié)合實測數(shù)據(jù)繪制了速度時程和頻域曲線圖，后期獲取了地基參數(shù)和軌道-地基傳遞函數(shù)等。屈暢姿等[10]對武廣高速某綜合試驗段路基進行了現(xiàn)場監(jiān)測，獲取了路基在列車動荷載作用下的豎向振動加速度和動應(yīng)力幅值，得出了該段路基動應(yīng)力的分布規(guī)律。趙國堂等[11]通過對某新建高速鐵路路基CRTSⅢ型板式無砟軌道線路進行了現(xiàn)場試驗，如圖9所示。在施工段將測試元件預(yù)先埋設(shè)于無砟軌道內(nèi)部，獲得了扣件反力以及軌道結(jié)構(gòu)荷載的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，并結(jié)合試驗數(shù)據(jù)得到了現(xiàn)場無砟軌道車輛荷載橫向傳遞規(guī)律。

圖9 現(xiàn)場測試元件布置[11]Fig.9 Field test component layout[11]

1.3 高速鐵路路基動力模型試驗

在模型試驗方面，人們最初是采用等效靜荷載代替列車動荷載的。后來隨著該領(lǐng)域理論研究的突破和機械制造業(yè)的發(fā)展，使用激振器來模擬列車動荷載是目前最有效的方式。此外，相似比尺選取的不同將會影響整個試驗結(jié)果，同時也決定了試驗操作的難易程度。

詹永祥等[12]建立了相似比尺為1∶12的室內(nèi)模型試驗，通過激振器來模擬列車荷載，主要研究了無砟軌道樁板結(jié)構(gòu)路基在持續(xù)激勵荷載下的動力和變形特性。ISHIKAWAI等[13]建立了相似比尺為1∶5的室內(nèi)鐵路路基模型，如圖10所示。通過模型試驗對列車循環(huán)動荷載作用下有砟軌道路基的沉降發(fā)展規(guī)律進行了研究。

圖10 日本有砟軌道模型試驗裝置Fig.10 Experiment of ballast track in Japan

孔綱強等[14]建立了相似比尺為1∶5的樁-筏復(fù)合地基模型，如圖11所示。通過對X 形樁-筏復(fù)合地基施加不同頻率的激振力，研究了激振頻率對該類型復(fù)合地基動力響應(yīng)。

周穎等[15]建立了相似比尺為1∶4的軌道-路基模型，如圖12所示。開展了不同激振頻率工況下模型體系的動力試驗，測試并分析了路基模型不同位置處的加速度反應(yīng)等，確定了試驗?zāi)Ｐ腕w系一階固有頻率。

圖12 同濟大學(xué)1∶4無砟軌道路基模型Fig.12 1∶4 ballastless track subgrade model of Tongji University

SHAER等[16]構(gòu)建相似比尺為1∶3的室內(nèi)有砟軌道路基模型，如圖13所示。試驗重點研究了路基的累積沉降與軌枕動加速度的關(guān)系。

圖13 法國1∶3有砟軌道路基模型Fig.13 1∶3 model of ballasted track subgrade in France

邊學(xué)成等[17]創(chuàng)造性地提出了“假車真路”的想法，建立了相似比尺為1∶1的鐵路基試驗平臺，如圖14所示。該平臺可以模擬最高時速360 km/h列車對路基的動力荷載，重點研究了高鐵路基內(nèi)部動應(yīng)力放大效應(yīng)及沿深度衰減規(guī)律等。

圖14 浙江大學(xué)1∶1無砟軌道路基試驗平臺Fig.14 1∶1 Ballastless track subgrade test platform of Zhejiang University

王啟云等[8]建立了相似比尺為1∶1的室內(nèi)高速鐵路-路基模型，如圖15所示。通過采用5個作動器聯(lián)動加載有效地模擬了列車動荷載。為了得到作動器的輸入時程曲線，先通過數(shù)值模擬計算得到了扣件反力的時程曲線，然后將該曲線通過疊加和傅里葉變換進行導(dǎo)出。

圖15 中南大學(xué)1∶1無砟軌道模型試驗平臺Fig.15 1∶1 Ballastless track model test platform of Central South University

1.4 高速鐵路路基數(shù)值模擬

一般對有條件進行試驗的，盡量采用模型試驗法，然后利用數(shù)值模擬進行對照檢驗。對于一些受多種因素影響且材料復(fù)雜、幾何形狀不規(guī)則的模型往往難以進行試驗，對此數(shù)值模擬卻可以有效地解決。在高速鐵路路基動力學(xué)問題研究中，數(shù)值模擬常常采用有限元法，目前比較流行的有限元數(shù)值建模軟件有:ABAQUS,ANSYS,FLAC3D,Midas/GTS NX等。

為了研究高速鐵路列車動荷載與路基系統(tǒng)的相互作用機理，董亮等[18]借助ABAQUS有限元軟件合理地導(dǎo)入三維一致黏彈性人工邊界，建立了無砟軌道-路基三維有限元模型，并將計算結(jié)果與現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)對比，驗證了人工邊界和參數(shù)取值的合理性與可靠性。宋小林等[19]借助ANSYS有限元軟件建立了高速鐵路無砟軌道-路基結(jié)構(gòu)動力三維有限元模型，研究了高鐵動荷載作用下軌道和路基垂直位移的分布規(guī)律，并比較了軌道不平順性和斷面位置位移分布的影響規(guī)律。郭志廣等[20]在武廣高速鐵路某段無砟軌道路基典型斷面進行了動力特性現(xiàn)場試驗，并利用了FLAC3D軟件建立了CRH2型列車相鄰轉(zhuǎn)向架荷載作用下的無砟軌道-路基三維有限差分模型，結(jié)果表明基于該軟件的人工邊界處理以及使用激振力函數(shù)模擬列車的動荷載作用是可行的。何國輝等[21]利用Midas/GTS NX有限元軟件建立了高速鐵路地基-地裂縫-路堤動力三維動力耦合模型，重點分析了高鐵動荷載作用下有、無地斷裂帶天然地基上的路基動力響應(yīng)規(guī)律。

綜上所述，對于高速鐵路路基動力學(xué)研究，從理論模型上，體系逐漸完善，從最初的最簡單軌道模型發(fā)展為“車輛-軌道-路基耦合作用模型”;從現(xiàn)場監(jiān)測上，監(jiān)測儀器更加多元化、智能化和精確化，監(jiān)測內(nèi)容更加廣泛;從模型試驗上，從開始大比尺的小模型試驗逐漸發(fā)展成實尺的大模型試驗，并且采用更加有效的高鐵動荷載加載措施，使得試驗結(jié)果更加可靠，更接近真實情況;在數(shù)值模擬上，各大有限元軟件均可以有效地模擬高速鐵路路基的動力響應(yīng)，并可以得出合理的結(jié)果來說明相應(yīng)的科學(xué)問題。

2 采空區(qū)地表變形的研究

2.1 采場覆巖及地表移動變形理論

采場覆巖及地表移動變形問題的研究目前主要是理論分析、經(jīng)驗數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬三者相結(jié)合。實際采場覆巖及地表范圍大，且研究的地層人們又難以直接的觀測。一般通過一定的假設(shè)以及簡化來解決實際工程中遇到的問題，其中大部分采取半經(jīng)驗半理論的方法[22]。

起初，許多國內(nèi)外學(xué)者對開采塌陷進行了大量的調(diào)查，并結(jié)合自己的調(diào)查和研究相繼得出了相應(yīng)的理論，如國外的“垂線理論”“法線理論”“拱形理論”“分帶理論”“懸臂梁理論”以及后來的影響函數(shù)等。劉寶琛等[23]在開采沉陷研究中率先引入概率積分法。錢鳴高等[24]對采場上覆巖層的結(jié)構(gòu)形態(tài)進行研究時，提出了采場上覆巖層“砌體梁”結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，后來發(fā)展為“關(guān)鍵層理論”。錢鳴高等[25]再論煤炭的科學(xué)開采時，提到“開采沉陷的本質(zhì)是力學(xué)問題，是塊體運動和散體運動綜合的結(jié)果”。郝延綿等[26]假設(shè)采場上覆巖層為彈性薄板，建立了預(yù)計開采沉陷的模型。郭文兵等[27]提出了基于覆巖破壞傳遞過程的覆巖破壞充分采動程度判據(jù)及其高度計算方法，揭示了高強度開采覆巖“兩帶”破壞模式的形成機制。

2.2 采空區(qū)地表變形現(xiàn)場監(jiān)測

對于采空區(qū)地表變形的研究，為了可以客觀地發(fā)現(xiàn)采空區(qū)地基的變形規(guī)律，人們往往會首選現(xiàn)場觀測法。相對而言，該方法是最直接和準(zhǔn)確的研究方法之一，同時為很多治理措施的實施和研究結(jié)論的得出提供了依據(jù)。然而該方法也有不足之處，如觀測過程復(fù)雜、測試成本高、觀測周期長等。

國內(nèi)外學(xué)者對于開采所引起的地表沉陷進行了一定的現(xiàn)場監(jiān)測。20世紀(jì)50年代起，為了長期監(jiān)測由開采引起的地表沉陷，我國相繼在各大礦區(qū)建立了地表監(jiān)測站，其中包括阜新、淮南和撫順等主要礦區(qū)。O’CONNOR和MURPHY[28]基于時域反射測量原理(TDR)，研制了一種傳感器。并用于監(jiān)測加拿大某廢棄金礦頂柱的穩(wěn)定性，以及美國某廢棄煤礦的地層穩(wěn)定性。該裝置還在新校舍選址過程中得到較好的運用。KOHLI[29]對美國Mary Lee廢棄煤礦進行了地下調(diào)查，通過鉆探和地下攝像機技術(shù)獲取采空區(qū)相關(guān)地質(zhì)信息，分析了地表沉降的順序和影響因素。SHEOREY等[30]獲取了印度各大煤田的地表沉降結(jié)果，基于大多印度煤礦開采處于淺層到中等覆蓋層的情形下，給出了不連續(xù)沉降界限;并運用新的一種影響函數(shù)法來模擬沉降非對稱性和提取邊緣的影響。陳盼等[31]通過對陜西某煤礦工作面地表移動的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，對比了工作面覆巖中有無采空區(qū)時的地表移動參數(shù)的異處，并結(jié)合相關(guān)理論對該處重復(fù)開采下地表移動規(guī)律的差異性進行了說明。宋許根等[32]以程潮鐵礦西區(qū)為研究對象，采用采場頂板崩落鉆孔監(jiān)測和崩落區(qū)高密度電法勘探等手段，分析了該區(qū)頂板崩落特征和采礦初期地表塌陷機制，探討了采空區(qū)地表變形規(guī)律。

地表變形監(jiān)測手段由傳統(tǒng)的沉降儀、水準(zhǔn)儀、地表移動觀測站等直接測量儀器逐漸地更新為無線或電磁為媒介的測量手段。於永東等[33]建立了基于BDS和GPS雙系統(tǒng)的采空區(qū)地表沉降遠程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，主要針對撫順市采空區(qū)地表的沉降頻發(fā)點進行長期監(jiān)測，該系統(tǒng)達到了設(shè)計的5 mm沉降的監(jiān)測指標(biāo)。BDS采空區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測基站，如圖16所示。

圖16 BDS采空區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測基站Fig.16 BDS goaf monitoring system and monitoring base station

2.3 開采沉陷模型試驗

對于開采沉陷問題的研究，由于地層的復(fù)雜性，相似模型試驗往往只能針對某種特定的工況進行模擬，試驗過程中往往會簡化一些地層模型，忽略一些影響因素。模型試驗可以與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬進行比較分析，不能作為惟一參照。但模型試驗可以為研究者提供宏觀的自然現(xiàn)象和物理規(guī)律，這是其優(yōu)點所在。

劉義新[34]采用相似理論和光彈性模擬實驗方法，建立幾何相似比為1∶1 000相似模型，如圖17所示。對覆巖彈性模量、松散層厚度、開采厚度、開采深度及條帶開采留寬等主要因素與深部條帶開采地表移動規(guī)律之間的關(guān)系分別進行了模擬研究。

圖17 漫射式光測彈性儀及1∶1 000的土層模型Fig.17 Diffuse photoelasticity instrument and 1∶1 000 soil model

趙建軍等[35]以貴州馬大嶺某處自然邊坡為研究原型，建立室內(nèi)幾何相似比為1∶200的假三維地質(zhì)力學(xué)模型，如圖18所示。研究了緩傾斜煤層采場上覆巖層的變形規(guī)律，分析了采動滑坡變形破壞機理。

孫利輝等[36]通過破碎巖石壓縮試驗、巖石崩解試驗以及建立室內(nèi)幾何相似比為1∶100相似模型試驗，如圖19所示。研究了不同類型巖石的破碎、崩解性能，分析了巖石的變形過程和特征，最后通過相似模型試驗的結(jié)果證明了理論分析的合理性。

圖19 1∶100平面模型及三維光學(xué)攝影測量Fig.19 1∶ 100 Plane model and 3D optical photogrammetry

李東陽等[37]通過建立幾何相似比為1∶100的室內(nèi)三維立體采空區(qū)模型，如圖20所示。采用砌筑法進行鋪模，通過對巖層逐級加載并監(jiān)測巖層地表的位移、頂板與礦柱的應(yīng)變，同時利用內(nèi)窺鏡拍攝了礦柱與頂板的破壞過程，并得出了相應(yīng)的變化規(guī)律。

圖20 1∶100室內(nèi)三維立體模型Fig.20 1∶100 Indoor 3D model

2.4 采場覆巖及地表移動變形的數(shù)值模擬

對于采場覆巖及地表移動變形的數(shù)值模擬常用的是有限元法、有限差分法和離散元法等。汪吉林等[38]運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立了多層狀、寬緩皺褶的地質(zhì)三維模型，通過模擬得到了研究區(qū)的垂向位移、隧道徑向和切向應(yīng)力等，并驗證了理論計算的結(jié)果。韓森等[39]利用MIDAS/GTS有限元軟件對近塌陷區(qū)礦山公路在地下開采過程中的沉降規(guī)律及安全性進行了數(shù)值模擬研究，為塌陷區(qū)的有效治理提供了理論數(shù)據(jù)。高建良等[40]借助基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的離散元軟件CDEM，重點研究了采空區(qū)“三帶”分布范圍及變形規(guī)律。張向東等[41]借助ADINA非線性有限元軟件建立了公路路基-采空區(qū)三維模型，并重點分析了煤層傾角、開采深厚比以及路基與采場空間位置等影響因素對高速公路路基穩(wěn)定性的影響，最后利用MATLAB軟件設(shè)計出預(yù)測程序。黃平路等[42]結(jié)合有限元軟件ANSYS和離散元軟件UDEC對金山店鐵礦進行了數(shù)值模擬，分析了考慮有民采和無民采兩種情況下的地表變形規(guī)律和礦體圍巖移動規(guī)律。王樹仁等[43]結(jié)合MIDAS/GTS和 FLAC3D兩種有限元軟件建立了采空區(qū)場地橋隧工程三維計算模型，并通過數(shù)值計算，研究了下伏采空區(qū)橋隧施工過程中的相關(guān)力學(xué)響應(yīng)及變形特征。

總之，對于采場覆巖及地表移動變形的研究，從理論解析上，從當(dāng)初的比較單一、簡單的理論基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展成更深層、更細化和更統(tǒng)一的科學(xué)體系，可以更好地解釋實際問題;從現(xiàn)場監(jiān)測上，發(fā)展至今，采空區(qū)地表變形監(jiān)測技術(shù)越來越向綜合化、智能化、精確化方向發(fā)展;從模型試驗上，開采沉陷相似模型試驗開始引入光學(xué)電子儀器等超高精度測量手段，逐漸從準(zhǔn)平面應(yīng)變二維模型發(fā)展為三維立體模型;從數(shù)值分析上，隨著計算機軟件的快速更新，人們開始結(jié)合各大數(shù)值計算軟件的優(yōu)點來計算相關(guān)的數(shù)值模型，這在目前是一個比較流行、實用且有效的手段。

3 高速鐵路采空區(qū)場地路基變形研究

3.1 高速鐵路列車動荷載傳遞及分布規(guī)律

3.1.1車輛荷載縱向分布及傳遞規(guī)律

車輪荷載以集中力形式作用于連續(xù)鋼軌上，鋼軌作用于離散的扣件之上。通過研究扣件作用反力可以有效地說明高速鐵路車輛荷載的縱向分布及傳遞規(guī)律。連續(xù)梁結(jié)構(gòu)受集中力作用，對于超靜定結(jié)構(gòu)體系計算支撐反力，需要知道未知量數(shù)量，然后通過相應(yīng)位移法或力法解析多元平衡方程。計算出承擔(dān)車輪荷載的扣件數(shù)量以及各扣件荷載分擔(dān)比是研究該問題的關(guān)鍵。車輪集中力作用位置處的鋼軌變形最大，主要表現(xiàn)在扣件彈性墊層的壓縮量最大，以及正下方或距離最近的扣件所承擔(dān)的車輪荷載占比最大;鋼軌變形量向作用點兩側(cè)遞減，但非無限傳遞，研究發(fā)現(xiàn)傳遞到兩側(cè)一定數(shù)量的扣件出現(xiàn)拐點，有扣件開始受拉力作用[44]。高鐵運行速度快且多車輪作用于鋼軌上，相鄰車輪荷載的疊加效果非常明顯，以單車輪為研究對象很顯然不能符合實際工程情況。趙國堂等[11]通過實測和數(shù)值仿真相結(jié)合，研究發(fā)現(xiàn)同一轉(zhuǎn)向架兩車輪荷載疊加效果明顯，其主要體現(xiàn)在兩車輪之間的扣件反力有所增加。同一車廂相鄰轉(zhuǎn)向架車輪荷載疊加效果可忽略不計，但相鄰車廂相鄰轉(zhuǎn)向架車輪荷載存在一定的疊加效應(yīng)。

3.1.2車輛荷載橫向分布及傳遞規(guī)律

限于軌道路基結(jié)構(gòu)設(shè)計，實際工程高鐵路基結(jié)構(gòu)幾何形狀一般成梯形。車輛荷載作用于軌道板及混凝土支座，向下傳遞至路基結(jié)構(gòu)，最后再作用于地基。由于路基等構(gòu)筑物幾何尺寸的限制，車輛荷載橫向分布規(guī)律一定且傳遞是有限的。在軌道板底面，荷載在橫向上呈典型的雙峰型分布;在混凝土支座板底面，荷載在橫向上呈M型分布。2者最大峰值相差較大，但對于混凝土底座板底面壓應(yīng)力大小橫向分布相對平緩，在設(shè)計相關(guān)路基及地基承載力時，一般可以將車輛荷載及基床以上結(jié)構(gòu)自重視為等效均布力考慮。

3.1.3車輛荷載豎向分布及傳遞規(guī)律

研究路基頂面動應(yīng)力強度和動應(yīng)力在路基內(nèi)部的衰減規(guī)律是路基設(shè)計的關(guān)鍵所在。對于路基內(nèi)部各結(jié)構(gòu)層動應(yīng)力水平的影響，除了高鐵車輛設(shè)計軸重以及軌道不平順性外，主要還有列車運行速度以及軌道路基結(jié)構(gòu)材料的影響。其中列車運行速度的影響效果明顯，在一定的速度(150～300 km/h)范圍內(nèi)，路基動應(yīng)力隨車速線性增長，在這范圍之外則路基動應(yīng)力與車速無關(guān)[44]。路基動應(yīng)力大小受外界因素增大同時，還受路基內(nèi)在結(jié)構(gòu)的影響向下呈衰減規(guī)律。陳云敏院士和邊學(xué)成教授等研究發(fā)現(xiàn)有砟軌道路基和無砟軌道路基動應(yīng)力衰減系數(shù)相差較大，在深度3 m同一位置處，無砟軌道路基動應(yīng)力衰減50%，而有砟軌道路基衰減可達80%。由此可見，無砟軌道路基動應(yīng)力受車速影響較大，且影響范圍更廣。一般高鐵路基結(jié)構(gòu)動應(yīng)力在其路基內(nèi)部已經(jīng)大部分消耗，有一小部分傳遞至地基一定范圍，也就是臨界邊界。研究表明，高速鐵路路基受列車密集動荷載長期作用下，臨界邊界外部的地基土受到的動應(yīng)力不會引起土體的過大累積沉降，而且很快能恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)[44]。

3.2 高速鐵路路基工后沉降相關(guān)要求

我國高速鐵路大多使用無砟軌道結(jié)構(gòu)，為了滿足相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和安全運行的要求，其工后沉降不宜超過15 mm;路橋和隧道等過渡段處的工后差異沉降嚴(yán)格控制在5 mm之內(nèi)。對于有砟軌道正線路基工后沉降符合表1的規(guī)定[45]。

表1 有砟軌道正線路基工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Standard for settlement control after subgrade construction of ballasted track

3.3 采空區(qū)地基與高速鐵路路基相互作用機理淺析

3.3.1采空區(qū)地基“活化”變形對高速鐵路路基的作用

采空區(qū)地表有“兩移動”和“三變形”，其中包括豎向沉降、水平移動、傾斜、曲率和水平變形。隨著采空區(qū)地表移動和變形發(fā)生的同時，也在影響采空區(qū)場地高速鐵路路基的穩(wěn)定性。當(dāng)高速鐵路路基處于采空區(qū)場地不同位置時，其受到采空區(qū)地表變形影響效果不同。

(1)當(dāng)高速鐵路路基處于采場上方正中間位置時，路基底面中間處相對兩側(cè)沉降略大，不均勻沉降相對較小，高鐵路基以整體沉降為主;由于彎曲作用會使路基兩側(cè)產(chǎn)生相對壓應(yīng)力，可能導(dǎo)致路基或者基床上部結(jié)構(gòu)隆起變形，如圖21所示。

圖21 路基位于采場上方正中心位置Fig.21 Subgrade is located in the square center of the stope

(2)當(dāng)高速鐵路路基處于采場上方邊緣時，靠近采場中心路基一側(cè)相對遠離采場中心一側(cè)沉降量較大，致使高鐵路基內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)生變化，表現(xiàn)為路基向采場中心一側(cè)傾斜或者路基整體向該側(cè)滑移，如圖22所示。

圖22 路基位于采場上方邊緣位置Fig.22 Subgrade is located at the upper edge of stope

以上2種作用致使路基直接發(fā)生破壞，然而路基還存在臨界狀態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)。采空區(qū)地表產(chǎn)生不均勻變形時，路基與地基交界面也可能出現(xiàn)離層現(xiàn)象，此時路基底面可能處于承載能力極限狀態(tài)，隨著伴有列車荷載作用，會打破此時的極限平衡狀態(tài)致使路基產(chǎn)生移動與變形，從而影響高鐵安全運行。當(dāng)采空區(qū)地表變形與列車動荷載同時作用下變形總值不大于路基變形最大允許值時，視路基處于穩(wěn)定狀態(tài)，可以正常使用。

3.3.2高速鐵路路基荷載對采空區(qū)地基的作用

采空區(qū)地基下方存在受開采破壞的垮落帶和斷裂帶，兩帶巖層的承載力和抗干擾能力相對較差。高鐵動荷載在路基內(nèi)部結(jié)構(gòu)中向下傳遞且呈衰減規(guī)律，大部分動應(yīng)力被路基消耗，還有一小部分傳遞至采空區(qū)地基。列車密集荷載長期作用下路基及采空區(qū)地基難免會發(fā)生累積沉降變形，然而采空區(qū)地基中的一部分動應(yīng)力并非無限向下傳遞，超過一定邊界的動應(yīng)力對地基土不會產(chǎn)生過多的累積變形，土體會很快恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，稱該邊界為路基土體產(chǎn)生循環(huán)累積沉降的臨界邊界。騰永海等[46]以建筑物荷載的影響深度是否達到垮落斷裂帶的發(fā)育高度為原則來確定住宅樓的層數(shù)。對于高速鐵路路基對采空區(qū)地基的作用效果也有類似的如下3種情況:

(1)路基土體產(chǎn)生循環(huán)累積沉降的臨界邊界與垮落斷裂帶頂邊界相離，這種情況路基不會影響采空區(qū)地基的穩(wěn)定性。如圖23所示，其中，P為土的自重應(yīng)力。

圖23 臨界邊界與垮落帶、斷裂帶頂邊界相離Fig.23 Critical boundary is separated from the top boundary of the collapsed zone and fracture zone

(2)路基土體產(chǎn)生循環(huán)累積沉降的臨界邊界與垮落斷裂帶頂邊界相切，這種情況采空區(qū)地基處于臨界平衡狀態(tài)。如圖24所示。

圖24 臨界邊界與垮落帶、斷裂帶頂邊界相切Fig.24 Critical boundary is tangent to the top boundary of the collapsed zone and fracture zone

(3)路基土體產(chǎn)生循環(huán)累積沉降的臨界邊界與垮落斷裂帶頂邊界相交，這種情況采空區(qū)地基產(chǎn)生活化變形，路基會受活化變形的影響。如圖25所示。

圖25 臨界邊界與垮落斷裂帶頂邊界相交Fig.25 Intersection of critical boundary and top boundary of collapse zone and fracture zone

3.4 采空區(qū)場地高速鐵路路基變形問題的可行性研究手段

3.4.1采用綜合評價法預(yù)先評估采空區(qū)場地建設(shè)高鐵的可行性

在綜合評價方面，目前主要采用現(xiàn)代模糊數(shù)學(xué)理論構(gòu)建系統(tǒng)安全的評價理論和評價模型框架。韓科明等[47]基于模糊綜合評判方法對姚橋煤礦西三采空塌陷區(qū)進行了穩(wěn)定性評價，通過結(jié)合定性和定量分析使整個評價過程趨向定量化的計算和分析，使評價結(jié)果更趨向科學(xué)合理;張俊英[48]將采空區(qū)場地建筑物擬建情況視為影響因子，通過模糊數(shù)學(xué)理論提出了采空區(qū)地表建筑物地基穩(wěn)定性綜合評價，并通過3個工程實例加以驗證;楊峰等[49]考慮了水文地質(zhì)和采空區(qū)自身因素還考慮了車輛荷載、采空區(qū)沉降因素以及停采時間等影響因子，為武云高速采空區(qū)建設(shè)場地的安全運營提供了科學(xué)的Ⅱ級模糊綜合評價模型。以上學(xué)者分別對煤礦沉陷區(qū)、采空區(qū)地表建筑物地基以及采空區(qū)高速公路建設(shè)場地的穩(wěn)定性進行了綜合評價。該評價體系開始逐漸考慮建筑物靜荷載和交通動荷載等影響因子，如果考慮高鐵動荷載、路基結(jié)構(gòu)和采空區(qū)條件等多級影響因素，為此構(gòu)建多級模糊綜合評價模型，對高速鐵路采空區(qū)場地路基進行穩(wěn)定性評價不失為一種方便有效的科學(xué)研究方法。

3.4.2運用力學(xué)解析法得出采空區(qū)場地高鐵動荷載最大估計影響深度

相對于采空區(qū)地基，假設(shè)高速鐵路路基可以簡化為條形基礎(chǔ)，高速鐵路車輛荷載可以簡化為等效均布力。此類情況可視為采空區(qū)地基受條形面積豎向均布荷載作用，該均布荷載為移動均布荷載。

(1)當(dāng)?shù)鼗茇Q向集中力作用，地基中任一點豎向附加應(yīng)力為

(1)

式中，σz為地基中深度為z、到集中力p作用點的距離為R處的豎向附加應(yīng)力。

(2)當(dāng)?shù)鼗艿綏l形面積豎向均布荷載作用，將式(1)進行積分求解得到地基中任一點豎向附加應(yīng)力為

(2)

(3)對于采空區(qū)地基，當(dāng)?shù)鼗械呢Q向附加應(yīng)力為地基土自重應(yīng)力的 10% 時，則豎向附加應(yīng)力對該深度處的地基巖土層壓縮變形影響很小，該深度為地基受壓層深度[50]。受壓層以下的巖土層中豎向附加應(yīng)力很小，對地基的變形影響可忽略不計?？紤]到高速鐵路路基工后沉降相關(guān)的嚴(yán)格要求以及采空區(qū)地基“活化”變形問題的復(fù)雜性，建議采用地基中豎向附加應(yīng)力等于自重應(yīng)力的5%作為附加應(yīng)力對采空區(qū)地基“活化”變形影響可忽略不計的標(biāo)準(zhǔn)，來確定采空區(qū)場地高速鐵路動荷載擾動深度Dz。

(4)設(shè)地基巖土的容重γ，則深度為z處的地基巖土自重應(yīng)力σcz為

σcz=γz

(3)

σz=0.05γDz

(4)

結(jié)合式(2)～(4)可推導(dǎo)出最大擾動深度估計DZ為

(5)

對于推導(dǎo)采空區(qū)場地高速鐵路動荷載最大擾動深度估計公式，如何確定高鐵路基底面的動應(yīng)力是該推導(dǎo)的關(guān)鍵。目前我國現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)路基設(shè)計動應(yīng)力幅值σdl計算公式為

σdl=0.26P′(1+αv)

(6)

式中,車速v為300～350 km/h時，α=0.003;車速v為 200～250 km/h時,α=0.004;P′為列車靜軸重，(1+αv)為沖擊系數(shù),其中，α為取值系數(shù)，v為列車速度。客運專線鐵路最大沖擊系數(shù)為1.9。

3.4.3現(xiàn)場監(jiān)測、相似模型試驗及數(shù)值模擬3種研究方法協(xié)同論證

對于高速鐵路采空區(qū)場地路基變形的研究，不僅要考慮列車動荷載的影響，還要考慮采空區(qū)地基與路基的相互作用。該問題的研究影響因素眾多，很難通過單一的研究手段去做精細化研究。目前除了理論分析外，現(xiàn)場監(jiān)測、模型試驗以及數(shù)值模擬該3種研究手段受到廣大科研人員的青睞。3種研究手段都有各自的優(yōu)缺點，只有相互結(jié)合才能得到更為科學(xué)合理的結(jié)論去說明問題。程謙恭團隊的李傳寶[51]、梁鑫[52]以及鄭志龍[53]為了研究高速鐵路采空區(qū)樁板結(jié)構(gòu)復(fù)合路基的變形問題分別進行了相似模型試驗、數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測。結(jié)合3種研究手段，得出了該樁板結(jié)構(gòu)在采空區(qū)地基中的作用規(guī)律和受力機理，并驗證了樁加固可以有效的限制采空區(qū)巷道頂板的變形，進而控制了上方高速鐵路路基的變形。

4 高速鐵路采空區(qū)地基治理技術(shù)

在高速鐵路線路進行規(guī)劃時，一般遵循避開采空區(qū)等不良地基的原則。在高速鐵路關(guān)鍵線路的鋪設(shè)不得不經(jīng)過采空區(qū)時，必須對高速鐵路采空區(qū)地基進行預(yù)先勘查，對其覆巖穩(wěn)定性進行分析和評價。然后針對高速鐵路采空區(qū)地基的特征、水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件、工程類型及其重要程度等，選擇合理的高速鐵路采空區(qū)地基的治理方案。對于采空區(qū)地基治理技術(shù)目前主要有:強夯法、穿越法、跨越法、砌筑法、注漿法和剝挖法。如圖26所示，為高速鐵路采空區(qū)地基治理對策及路基抗變形措施。

圖26 高速鐵路采空區(qū)地基治理對策路基抗變形措施Fig.26 Subgrade anti-deformation measures for high-speed railway goaf ground treatment countermeasures

在選擇高速鐵路采空區(qū)地基治理時，一般應(yīng)遵守以下原則:① 在保證行車安全的基礎(chǔ)上，方案要經(jīng)濟適用;② 方案的選取必須綜合考慮采空區(qū)地質(zhì)條件、路基結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場施工情況等。貴東南某高速鐵路D2K93+300～D2K94+000段為主要的煤礦采空區(qū)影響區(qū)域，通過現(xiàn)場勘察，采空區(qū)有深度不同，對于淺層采空區(qū)以線路中心兩側(cè)各25 m進行地面淺孔注漿加固。處理深度20～30 m，形成沿線路兩側(cè)淺、中間深的硬殼;對于中、深部采空區(qū)則采用石骨料充填及高壓注漿加固方法。合肥-福州高速鐵路五府山車站段根據(jù)現(xiàn)場勘察，該地段有淺層采空區(qū)，深度一般為15～30 m，其中主要為巷道和風(fēng)井;同時根據(jù)歷史資料查證，該地段采空區(qū)主要從民國時期開始形成。對于現(xiàn)場治理措施，該地段采空區(qū)地基主要采用了穿越法，利用鉆孔灌注樁穿過采空區(qū)巷道。太原-焦作高速鐵路DK259+135.95～DK259+710.00段，經(jīng)過現(xiàn)場鉆探揭露，發(fā)現(xiàn)大面積采空區(qū)和巖溶區(qū)，勘測采空巷道埋深平均40～50 m，多數(shù)采空區(qū)為不穩(wěn)定頂板。現(xiàn)場采用注漿法治理，對于采空區(qū)采用水泥粉煤灰漿，巖溶區(qū)則采用水泥漿為主的單液注漿材料，治理后取得很好的效果。

5 問題與展望

5.1 存在問題

綜上所述，高速鐵路采空區(qū)路基變形問題涉及的領(lǐng)域廣泛，至今難以形成一個較為完整的體系。針對此方面的研究，雖然國內(nèi)外研究取得了一定的進展，但依舊還有許多問題亟待解決：

(1)高鐵動荷載作用下采空區(qū)路基最大擾動深度尚未得到更合理的預(yù)計。采空區(qū)場地剩余變形對采空區(qū)場地高速鐵路路基的作用機理缺乏研究，尚不清晰。

(2)雖然國內(nèi)外積累了一定的高速鐵路路基動應(yīng)力現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和采空區(qū)地表沉陷監(jiān)測數(shù)據(jù)，但在列車循環(huán)動荷載作用下高速鐵路采空區(qū)地基變形的現(xiàn)場監(jiān)測資料非常少。

(3)列車動荷載作用下高速鐵路采空區(qū)地基的動本構(gòu)模型的研究甚少，國內(nèi)外一般采用其他方面的本構(gòu)模型，是否合適并沒有做詳細的論證。

(4)在模型試驗方面，現(xiàn)在多將列車動荷載等效為靜力荷載施加，這種方法忽略了列車動荷載的頻率特性、時間特性、動荷載使土層發(fā)生軟化特性等。在制作采空區(qū)模型時，由于科研項目時間有限，很多忽略時間效應(yīng)，忽略采空區(qū)場地的剩余變形。

(5)高速鐵路采空區(qū)地基變形控制技術(shù)的實用成果較少，沒有形成較為系統(tǒng)的治理體系。一般在實際工程采取經(jīng)驗措施，沒有經(jīng)過詳細的論證和計算，缺乏安全性且造成不必要的資源浪費。

5.2 展 望

筆者通過對高速鐵路路基動力學(xué)和開采沉陷學(xué)的研究方法進行了簡要回顧，結(jié)合2者的研究方法和思路總結(jié)了高速鐵路采空區(qū)場地路基變形控制問題研究方法以及治理技術(shù)，提出以下研究展望:

(1)采空區(qū)場地高速鐵路路基變形s由4部分組成，分別為:采空區(qū)地基附加變形s1、工程開工后采空區(qū)場地剩余變形s2、采空區(qū)地基活化變形s3、高速鐵路路基變形s4，公式為s=s1+s2+s3+s4。開展4種變形的精準(zhǔn)化、理論化研究，為采空區(qū)場地高速鐵路路基變形分析提供理論支撐。

(2)基于高速鐵路采空區(qū)地基的現(xiàn)場調(diào)研，應(yīng)預(yù)先提出采空區(qū)的地質(zhì)概化模型，研究采場覆巖及地表移動變形的時空演化規(guī)律，形成采空區(qū)場地剩余變形的精確預(yù)測理論。

(3)利用綜合集成研究方法，加強研究列車動荷載作用下高速鐵路采空區(qū)場地路基變形演化機理與規(guī)律，構(gòu)建采空區(qū)地基活化判據(jù)及評價體系。

(4)結(jié)合5G技術(shù)構(gòu)建“天-空-地-深”一體的動態(tài)智能預(yù)警網(wǎng)絡(luò)平臺，形成高速鐵路安全運維預(yù)警的理論框架。

(5)由“車輛-軌道-路基”耦合模型發(fā)展為“車輛-軌道-路基-采空區(qū)地基”耦合模型，加強理論模型的研究。確定高速鐵路采空區(qū)場地路基變形類型劃分標(biāo)準(zhǔn)，提出快捷精準(zhǔn)辨識方法，形成高速鐵路長期安全運維的有害變形控制方法和災(zāi)變防控體系。