下伏采空区对地表高速公路变形影响研究

杜东宁，张向东，张淑坤，杨 逾

(辽宁工程技术大学 土木与交通学院，辽宁 阜新123000)

0 引 言

随着高速公路建设迅速发展，难以避免穿越地下资源开采所留下的采空区［1-3］。矿体采出后打破了地下原岩应力平衡，形成的围岩变形传至地表，对高速公路产生扭曲、变形、开裂甚至塌陷等灾害［4-5］。为了将这种安全威胁降到最低，必须深入研究下伏采空区对地表高速公路变形破坏的影响［6-7］。

结合某高速下伏采空区为背景，综合现场监测、数值模拟和正交试验分析手段，分析采空区倾角、充填程度、深厚比等因素对地表高速公路影响规律，通过正交试验对各个因素进行敏感性分析，以期为类似工程提供一定的实际参考。

1 工程实例分析

1.1 工程概况及计算模型的选取

某高速公路区域局部存在陡坎，但总体地势较为平缓，下伏老采空区。公路两侧植被发育，因地表沉陷而导致公路扭曲变形的里程范围为K3+470 ～K4+070，扭曲变形最为严重，老采空区深度75 ～90 m 区间，为条带开采，倾角22°，采厚5 m。采用有限元软件ADINA 对枣木高速公路下伏采空区进行数值模拟，模拟结果见图1。土体均采用Mohr-Coulomb 材料模型进行模拟，模型约束条件为侧面水平约束，底面固定约束，地表及高速公路自由约束。模型长、宽、高尺寸为300 m×150 m×145.3 m，模型层结构尺寸及计算土层参数［8］来自室内试验，具体如表1所示。

图1 有限元网格Fig.1 Finite element meshes

表1 计算参数表Tab.1 Calculating parameter table

1.2 数值模拟与监测对比分析

由图2 可见，采空区残余变形对地表产生的影响范围较大，达到300 m 范围，地表的最大残余沉降变形为400 mm，与传统概率积分法预测结果表2 中最大残余沉降变形值402 mm 接近。在沉陷范围内间距100 m 布置测点，经观测发生残余沉陷变形的范围约为300 m(囊括4 个测点)，与该数值模型的影响范围趋于一致，证明了该数值模型的可靠性。提取沉陷范围内4 个测点数据如图3 所示，观测期间最大累计下沉18 mm，每个观测点总体呈现的下沉趋势一致，并且表现出持续变形状态。表明老采空区并非处于长期稳定，而是残余变形的延时性突出，虽然监测区域开采沉陷活跃期已经结束，但老采空区仍有缓慢下沉趋势。

表2 残余最大变形值预测Tab.2 Predictions of maximum residual deformation

图2 Z 向位移Fig.2 Z direction displacement

图3 沉陷变形Fig.3 Subsidence deformation

2 采空区对高速公路影响因素分析

依据上述模型具体模拟分析方案分别为采空区倾角影响;深厚比因素影响;采空区内部充填程度影响;

2.1 下伏采空区倾角对高速公路影响

以实际工程模型为依据，保持采空区中心埋深、采厚、尺寸及材料参数不变，分析采空区倾斜角度分别为15°、45°、60°，采空区塌陷对高速公路影响。提取高速公路中心线变形数据绘制曲线图，如图4 和图5 所示，采空区倾角越大，对高速公路影响范围越小，采空区角度的存在，导致了水平位移呈现不对称性，最大残余水平位移值大约为最大残余下沉值的35%左右。

图4 高速公路残余水平移动Fig.4 Residual highway horizontal movement

图5 高速公路残余沉降变形Fig.5 Residual highway settlement

2.2 下伏采空区深厚比对高速公路的影响

以实际工程模型为依据，保持采空区倾角、采厚、尺寸及材料参数不变，模拟深厚比为40、50、60 的情况，取后3 种情况对应方案分别为方案1、方案2、方案3。地表水平移动曲线与残余沉降影如图6 和图7 所示，随着深厚比的增加，变形范围及数值大幅度减小，原因在于采空区高度一定的情况下对应的垮落带及倒水裂隙带的高度基本也趋于一定，而采深就直接决定了弯曲带的厚度。采深越深，弯曲带厚度也就越大，抵抗老采空区残余变形的能力也就越强，对地表高速公路影响范围及变形量也就越小。

2.3 下伏采空区内部充填状态对高速公路影响

目前，充填治理是控制地表残余变形有效方法［9～11］。以实际工程模型为依据，保持采空区埋深、采厚、尺寸不变，将采空区内部充填单元抗剪强度指标折减为周围岩体的60%、80%、100%(未折减)，则对应模拟的充填度分别为60%、80%、100%，分别用方案1、方案2、方案3 表示。充填程度对地表高速公路影响水平位移和竖向沉陷位移如图8 和图9 所示，无论是水平位移还是沉陷位移随着充填程度越高，变形值越小，但当充填度超过80%时，其对地表高速公路变形控制影响不太明显，这也说明虽然充填程度越好控制变形能力也就越强，但达到较高充填度时一味增加充填量，对于地表残余变形的控制差异不会太大，且会大大提高治理成本。

图6 高速公路残余水平移动Fig.6 Residual highway horizontal movement

图7 高速公路残余沉降变形Fig.7 Residual highway settlement

图8 高速公路残余水平变形Fig.8 Residual highway horizontal movement

图9 高速公路残余沉降变形Fig.9 Residual highway settlement

3 正交实验因素分析

提取总体分析因素中各个数据，组成三因素三水平正交试验，如表3 所示。以最大残余沉陷值为控制结果，进行正交试验，具体实验方案组合及结果如表4 所示。

表3 正交设计表Tab.3 Orthogonal design table

表4 正交设计Tab.4 Orthogonal design table

对正交设计实验结果进行极差分析，极差分析如表5 所示，影响显著性由大到小为采空区倾角、深厚比、充填效果，表明先期形成的采空区条件对于地表沉陷影响起决定性作用，而后期充填治理相比较显著性要较差，但这也是后期可以人为唯一可以控制的一个影响因素。

表5 极差分析Tab.5 Range analysis

4 结 论

①随着采空区倾角不断增大，高速公路的残余沉降变形量及变形范围呈逐渐减小趋势，最大水平位移基本维持在最大下沉值的35%左右;针对于曲线变形的圆滑程度来看，随着深厚比的增加曲线线型越圆滑，其变形影响范围和变形量也越小.

②虽然充填程度越好控制变形能力也就越强，对地表高速公路的影响也就越小，但达到较高充填度时一味增加充填量，对于地表公路残余变形的控制差异不会太大。

③通过正交试验分析得出影响显著性由大到小为采空区倾角、深厚比、充填效果，表明先期形成的采空区条件对于地表沉陷影响起决定性作用，而后期充填治理相比较显著性要较差，但这也是后期可以人为唯一可以控制的一个影响因素。

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