高速公路下伏采空區(qū)地表變形分析

摘要：為分析下伏采空區(qū)路段高速公路地表變形情況，文章利用有限元軟件建立模型，對開采、公路建成和注漿填充后各施工階段的地表水平位移和豎向位移進(jìn)行數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明：開采后地表豎向位移較大，水平位移基本可忽略；公路建成后地表變形較大，施工中應(yīng)加強(qiáng)變形監(jiān)測；注漿填充后地表變形較未處治時水平位移和豎向位移均明顯下降，說明注漿填充后地基穩(wěn)定性明顯提升，加固效果良好。

關(guān)鍵詞：高速公路；采空區(qū)；地表變形；水平位移；豎向位移

中圖分類號：U416.01

0 引言

在高速公路下伏采空區(qū)路段，由于采空區(qū)地質(zhì)條件和巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性差，在開挖后地表會產(chǎn)生一定程度的變形，進(jìn)而影響高速公路結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。煤炭開采后的采空區(qū)自身結(jié)構(gòu)處于一個脆弱的平衡狀態(tài)［1］，在沒有外部荷載和水的作用下相對穩(wěn)定。在煤礦開采過程中，采空區(qū)上覆巖層會產(chǎn)生一定程度的變形，在巖層內(nèi)部形成空洞、裂縫等［2-3］，影響采空區(qū)的穩(wěn)定性。在采空區(qū)上部進(jìn)行公路施工時，施工機(jī)械沖擊荷載、路基自重荷載等可能破壞采空區(qū)原有的天然平衡，導(dǎo)致施工區(qū)域地表產(chǎn)生較大變形。公路是一種帶狀結(jié)構(gòu)，在一定范圍內(nèi)呈線性延伸［4-5］，下伏采空區(qū)結(jié)構(gòu)破壞引發(fā)的地表變形會直接影響路基的穩(wěn)定性。地表變形會造成路基路面沉陷、開裂等變化，在雨季容易積水加劇道路結(jié)構(gòu)的破壞，影響行車安全。為防止高速公路下伏采空區(qū)引起的地表變形，通常采用注漿填充的方式進(jìn)行處治。本文結(jié)合某高速公路采空區(qū)路段施工實踐，根據(jù)采空區(qū)地質(zhì)勘察資料制定注漿方案，利用有限元軟件對各個施工階段地表水平位移和豎向位移進(jìn)行數(shù)值模擬，對比確定注漿加固效果。

1 采空區(qū)注漿處治方案

1.1 采空區(qū)地質(zhì)概況

某高速公路建設(shè)路線途經(jīng)采空區(qū)，主要分布在K50+100～K56+420段，受影響路段全長6.32 km。該路段地形起伏高度不大，最大相對高差21.5 m，主要為填方路基，最大填方高度為6 m。該區(qū)域?qū)儆谏綕竞庸葏^(qū)，地勢開闊，局部有侵蝕沖溝，且溝底坡度較緩，深度≤5 m。沿線自然坡度穩(wěn)定，土層上覆黃土，具有一定的濕陷性，局部出露地層為卵石、粉砂巖、頁巖。該路段靠近采空區(qū)，存在采空區(qū)不良地質(zhì)，處治費(fèi)用高。該區(qū)域煤礦年代久遠(yuǎn)，分布有多處小煤窯，主要采[JP+1]用巷道式開采，采煤工藝落后、無規(guī)律、沒有對煤層頂板采取加固措施，巷道內(nèi)多處坍塌。巷道尺寸約為3.5 m×3 m，主要采用木材支護(hù)，年久朽爛嚴(yán)重，部分巷道積水嚴(yán)重，穩(wěn)定性較小。

結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)勘察資料，該路段下伏采空區(qū)煤層厚度為8.0～9.1 m，巷道頂板埋深為41～92 m。煤層產(chǎn)狀30°～70°、∠6°～20°，大體與路線方向垂直。施工區(qū)域內(nèi)已有部分區(qū)域出現(xiàn)沉陷、裂縫等現(xiàn)象，對高速公路建設(shè)存在較大危害，擬對該區(qū)域采空區(qū)采用注漿填充法進(jìn)行處理。

1.2 采空區(qū)注漿處治方案

根據(jù)現(xiàn)場勘察資料確定施工區(qū)域。對有堅硬頂板區(qū)域，注漿孔排距為25 m，路基施工范圍內(nèi)每排孔距為20 m，施工范圍外每排孔距為25 m，帷幕注漿孔孔距為15 m。對無堅硬頂板區(qū)域，注漿孔排距為20 m，路基施工范圍內(nèi)每排孔距為15 m，施工范圍外每排孔距為20 m，帷幕注漿孔孔距為15 m。個別地面沉陷、開裂嚴(yán)重的施工區(qū)域可適當(dāng)加密注漿孔。注漿孔采用130 mm鉆頭開鉆，鉆孔深度達(dá)到基巖以下5 m后換90 mm鉆頭，鉆孔至采空區(qū)底板以下0.5 m，出現(xiàn)明顯冒落方可停鉆。注漿材料采用水泥粉煤灰漿，水固比按1∶1.4～1∶1.0控制，固相中粉煤灰比例占70%，施工需要時按一定比例加入速凝劑。

2 有限元模型的建立

2.1 模型參數(shù)選擇

根據(jù)勘察設(shè)計資料，結(jié)合現(xiàn)場勘察結(jié)果，確定地基各土層和路基填土的計算參數(shù)如下頁表1所示。高速公路填土采用碎石土，路基填方高度為6 m，邊坡坡度為1∶1.5，寬度為25.5 m，路基土自重荷載對地表的影響按均布荷載考慮，粗略估計均布荷載P=15 kPa。

2.2 建立模型

為分析高速公路下伏采空地區(qū)地表變形情況，利用有限元軟件建立模型進(jìn)行數(shù)值分析，模擬注漿填充過程，計算地表變形。為了簡化計算，建模時做了以下假定：假定采空區(qū)形狀規(guī)則，不考慮洞形對計算結(jié)果的影響；計算過程中只考慮巖體自重應(yīng)力，其他應(yīng)力忽略不計；選定區(qū)域地表高低起伏較小，假定地表為水平。

本文利用理想化模型對采空區(qū)進(jìn)行概化模擬［6-7］，建立幾何模型尺寸如下：長度為360 m，寬度為180 m，上部土層包括黃土、卵石層、頁巖層，總厚度為18 m，煤層上部砂巖層厚度為35 m，下部第二層砂巖層厚度為200 m，采空區(qū)寬度為60 m，中間煤層厚度為9 m，采深為53 m，煤柱寬度為5 m，有限元地質(zhì)幾何模型和計算模型如圖1和圖2所示。

為了簡化計算，將基本單元大小確定為3 m×3 m，采空區(qū)周邊單元大小按1 m×1 m將模型共劃分為8 560個單元、17 307個節(jié)點(diǎn)。模型邊界條件為：模型底面X方向和Y方向約束；左右側(cè)面X方向約束，Y方向自由；模型頂面自由。

3 公路下伏采空區(qū)地表變形數(shù)值模擬分析

3.1 采空區(qū)開挖期間地表變形計算結(jié)果分析

利用有限元軟件，通過數(shù)值分析確定在巖體自重荷載作用下產(chǎn)生的初始位移，用開采后地表位移計算結(jié)果減去初始位移，即得出采空區(qū)開挖期間地表產(chǎn)生的變形。整理計算結(jié)果，繪制煤礦開采后地表水平位移和豎向位移變化曲線如圖3和圖4所示。

由圖4可知，開采后地表豎向位移最大量為0.138 m，出現(xiàn)在距模型左側(cè)約80 m位置。與水平位移相比，豎向位移相對較大，說明開采后地表所產(chǎn)生的豎向位移較大，影響較大。

3.2 公路建成后地表變形計算結(jié)果分析

在未對采空區(qū)進(jìn)行處理的情況下，利用有限元軟件計算公路建成后地表產(chǎn)生的累計變形，與開采后的計算結(jié)果相減，得到公路建成后的地表變形，整理數(shù)據(jù)后，繪制公路建成后水平位移和豎向位移的變化曲線如圖5和圖6所示。

由圖5可知，公路建成后所產(chǎn)生的地表水平位移最大值為51.30 mm，出現(xiàn)在模型左側(cè)100 m位置，位于高速公路下方。水平位移加大，說明公路建成后地表所產(chǎn)生的水平位移明顯增加，對路基穩(wěn)定性影響較大。

由圖6可知，公路建成后所產(chǎn)生的地表豎向位移最大值為0.189 m，出現(xiàn)在模型左側(cè)90 m位置，位于高速公路下方。與水平位移相比，豎向位移相對較大，這是由于公路建成后在路基自重荷載作用下增加了地表產(chǎn)生的豎向位移，對路基穩(wěn)定性的影響較大?？傊?，公路建成后地表上部增加了路基自重荷載，導(dǎo)致地表水平位移和豎向位移均有較大幅度增加，應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場變形監(jiān)測。

3.3 采空區(qū)注漿處治后地表變形計算結(jié)果分析

利用有限元軟件模擬采空區(qū)注漿填充施工過程，填充物為水泥粉煤灰。填充后對地表累計變形進(jìn)行模擬計算，與開采后的計算結(jié)果相減，得到注漿處治后的地表水平位移和豎向位移。整理數(shù)據(jù)后，繪制注漿處理后地表水平位移和豎向位移的變化曲線如圖7和圖8所示。

由圖7可知，注漿處理后所產(chǎn)生的地表水平位移明顯下降，最大值僅為4.45 mm，出現(xiàn)在模型左側(cè)100 m位置，位于高速公路下方。與處治前相比，水平位移最大值從51.30 mm下降到4.45 mm，下降幅度很大，說明采空區(qū)采用注漿填充處治后穩(wěn)定性明顯提升，有效控制了地表所產(chǎn)生的水平位移，可提高路基的穩(wěn)定性。

由圖8可知，公路建成后所產(chǎn)生的地表豎向位移最大值為0.057 m，出現(xiàn)在距模型左側(cè)100 m位置，也位于高速公路下方。與未注漿加固相比，豎向位移最大值從0.138 m下降到0.057 m，所產(chǎn)生豎向位移明顯下降，說明注漿加固后地基穩(wěn)定性明顯提升，地表變形下降。結(jié)合水平位移分析結(jié)果，說明注漿填充處理后采空區(qū)對地表變形影響明顯下降，路基穩(wěn)定性提高。

4 結(jié)語

本文以某高速公路下伏采空區(qū)路段填方路基施工為研究背景，利用有限元軟件建立理想化模型，對不同工況下下伏采空區(qū)區(qū)域地表變形進(jìn)行數(shù)值模擬，經(jīng)對比分析得出以下結(jié)論：

（1）開采后地表水平位移最大值僅為6.47 mm，影響基本可以忽略不計，地表豎向位移最大量為0.138 m，影響較大。

（2）在采空區(qū)未處治的情況下，路基水平位移最大值為51.30 mm，豎向位移最大值為0.189 m，地表變形相對較大，在施工現(xiàn)場應(yīng)加強(qiáng)變形監(jiān)測。

（3）采空區(qū)注漿填充處理后地表水平位移最大值從51.30 mm下降到4.45 mm，豎向位移最大值從0.138 m下降到0.057 m，說明采空區(qū)處治后地基穩(wěn)定性明顯提升，路基穩(wěn)定性也明顯提高。

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收稿日期：2024-03-02

作者簡介：張媛媛（1992—），工程師，研究方向：道路與橋梁。