高速公路下伏采空区沉降变形规律研究

张思峰，夏冲，范伟，任士朴

（1.山东建筑大学交通工程学院，山东 济南 250101；2.山东高速交通建设集团股份有限公司，山东 济南 250014；3.山东省路桥集团有限公司，山东 济南 250014 ；4.山东华鉴工程检测有限公司，山东 济南 250101)

随着我国对矿产资源需求量的不断增大，矿产资源的开采规模和范围也随之增加，从而遗留下大量的采空区，在道路、车辆等上覆荷载作用下，极易引发顶板冒落、垮塌甚至地表沉陷等灾害，对人民生命财产安全造成较大的安全隐患[1-2]。为此，开展公路尤其是高等级公路下伏采空区变形规律研究具有重大工程意义。

采空区变形受各种影响因素的综合作用，如工程地质条件、上覆荷载、开采顺序、采矿方法及支护方案等[3]，在这方面，国内外学者取得了众多卓有成效的研究成果。孔学伟等[4]利用FLAC3D数值模拟软件，研究了矿体开采至不同距离时对采空区、矿柱等的稳定性影响规律。白云等[5]结合工程实际，利用FLAC3D数值模拟软件，分析了不同开采方式下采空区上覆围岩的变形特征及地表沉降规律。王波等[6]利用离散元软件建立采空区模型，研究了矿房数量、矿柱宽度以及护顶层厚度等对采空区塌陷特征的影响规律。孔立平[7]通过建立数值模型，分析了支护系统对围岩应力分布情况的影响规律。上述研究成果均为采空区变形规律研究提供了理论依据，但目前对于考虑采空区巷道埋深、截面尺寸等因素的足尺模型的沉降变形规律研究成果还鲜有报道。

本文以岚罗高速公路临沂罗庄段下伏大型采空区为工程依托，利用FLAC3D数值模拟软件，针对采空区巷道的埋设深度及截面尺寸，分析了自重应力作用下地表及采空区的变形规律，为依托工程下伏采空区的治理措施选择提供了理论依据，也可为其他类似采空区的稳定性评价及治理提供工程借鉴。

1 工程概况及数值分析模型建立

1.1 工程概况

岚山至罗庄高速公路位于山东省境内，其中临沂罗庄段K99+620～ K100+150 m 处为原劳模店煤矿区（见图1）。其煤层已于上世纪末全部开采完毕，煤层顶板深度从20 m 至100 m 不等，遗留下大面积的采空区，随时间推移，采空区形成了诸多矿坑。但目前采空区 尚未稳定，还处于持续塌陷中，造成上部道路及房屋的开裂。物探结果表明，目前采空区绝大部分巷道的截面尺寸约为4 m×4 m 方形，局部断面尺寸可达8 m×8 m，说明经过20 余年沉降，巷道仍未达到稳定状态。

图1 交通位置图

1.2 数值分析模型建立

FLAC（Fast Lagrangian Analysis of Continua）是美国ITASCA 公司研发的连续介质力学分析软件，由于其在计算岩土体破坏后的大变形问题上有独特的优势，已成为岩土工程领域的通用计算程序[8]。本文采用FLAC3D软件建立不同因素影响下的采空区数值分析模型，揭示受自重应力影响的采空区地表及顶板岩土体沉降变形演化规律。

为计算方便，模型以采空区道路中轴线为对称轴建立半模模型，且假定各岩（土）层为一水平面，其物理力学性质沿层面不发生改变。建立的模型长、宽、高分别为150 m、300 m 和120 m，其中，煤层推进方向与y轴方向平行，路基横断面与x 轴方向平行。

模型单元采用FLAC3D中六面体单元，本构关系采用Mohr-columb 塑性屈服准则，建立的不考虑上部路基荷载的三维实体结构如图2 所示，共建立单元数量118800 个。边界条件上，模型底面为全固定约束边界，前后左右为水平位移约束边界，顶面为自由边界。

图2 模型结构

结合前期物探及地质钻探结果，本数值模拟中确定依托工程下伏采空区巷道横断面基本形状为4×4 m的方形，巷道掘进工作面长度为140 m，分布于y 向80～220 m 范围内，巷道顶板深度依据煤层分布分别为24 m、62 m 和102 m，且在102 m 处的巷道截面尺寸变化最为复杂，因此后续分析中主要针对该工况进行了多因素下的沉降变形分析。

由于本工程大部分巷道截面尺寸仍基本接近于开挖完成后的状态，剩余沉降变形量仍较大，且上覆道路为永久性工程，自重应力下的变形特点及变形量是决定后期是否需要处治的关键因素。为此，数值模拟针对自重应力下的沉降变形进行分析，考虑道路距离下伏采空区的位置、实际工程中巷道局部断面尺寸，数值模拟中采空区开挖分为以下几种工况进行分析：

工况1：巷道顶板埋深为24 m，巷道截面尺寸为4×4 m；工况2：巷道顶板埋深为62 m，巷道截面尺寸为4×4 m；工况3：巷道顶板埋深为102 m，巷道截面尺寸为4×4 m；工况4：巷道顶板埋深为102 m，巷道截面尺寸为6×6 m；工况5：巷道顶板埋深为102 m，巷道截面尺寸为8×8 m。

2 计算结果分析

2.1 不同巷道顶板埋深下的沉降变形分析

工况1、工况2 及工况3 的模型竖向位移云图、模型上表面沿x 方向竖向位移曲线及采空区顶板沿y 方向竖向位移曲线,分别如图3～5 所示。

图3 竖向位移云图

图4 模型上表面竖向位移曲线

图5 采空区顶板竖向位移曲线

由图可知，自重应力作用下，顶板沉降主要发生在巷道掘进工作面长度内，巷道顶板埋深24 m、62 m 及102m时，地表及顶板最大沉降量分别为0.93 m和2.40 m、0.13 m 和0.81 m、0.09 m 和0.22 m，这说明采空区地表及巷道顶板塌陷程度与巷道埋深呈负相关关系。另外，当巷道顶板埋深为102 m 时，其最大地表沉降量小于10 cm，根据《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）[9]对高速公路容许工后沉降量的相关要求，若巷道上方非桥台部位，原则上可不予处理。

2.2 不同截面尺寸下的沉降变形分析

工况3、工况4 及工况5 的模型上表面沿x 方向竖向位移曲线及采空区顶板沿y 方向竖向位移曲线分别如图6～7 所示。

图6 模型上表面竖向位移曲线

与工况3 对比分析可知，自重应力作用下，巷道截面尺寸分别为4×4 m、6×6 m 及8×8 m 时，顶板最大沉降量分别为0.22 m、1.89 m 和7.64 m，即横截面积增大2.57 和4.57 倍时，其顶板最大位移增大了8.59 和34.73 倍，两者之间呈现出非线性增大趋势。另外，图6 及图7 还反映出，沿巷道掘进工作面方向，竖向位移呈现出中间大、两边小的特点，且巷道截面尺寸越大，巷道中间位置越易坍塌；但巷道截面尺寸对地表沉降范围影响不明显，说明地表沉降范围主要受巷道埋置深度影响，而受深层的巷道截面尺寸影响不大。因此，下伏采空区的实际工程治理需根据巷道埋置深度、尺寸及地表沉陷量合理确定采空区治理与否及相应的治理措施。

图7 采空区顶板竖向位移曲线

3 结语

本文利用FLAC3D数值模拟方法，针对岚罗高速公路下伏劳模店煤矿采空区巷道的埋设深度及截面尺寸，分析了自重应力作用下地表及采空区顶板的变形规律，得到以下主要结论：

（1）自重应力作用下，采空区地表及巷道顶板下沉量与其埋设深度呈负相关关系，当巷道顶板埋深小于100 m 时，应依据实际工况对采空区进行加固处治；

（2）巷道顶板下沉量与巷道截面面积呈非线性增大关系，但巷道截面面积对地表产生沉降范围影响不明显。沿巷道掘进工作面方向，竖向位移呈现出中间大、两边小特点。下伏采空区的公路工程应根据巷道埋置深度、尺寸及地表沉陷量合理确定采空区治理与否及相应的治理措施。