高速公路下伏采空区路基沉降现场监测与分析①

□□ 何 建,柳 佳,张海辉,童立红,陈梦成,彭理群 (.萍乡市交通运输局,江西 萍乡 7000;.核工业华东建设工程集团有限公司,江西 南昌 000;.华东交通大学 土木建筑学院,江西 南昌 00)

引言

自二十大以来,交通强国战略的提出,促进了国内道路交通的繁荣发展[1]。随着交通路网的建设,社会对矿产资源的需求逐步增大,诸多能源城市应运而生,如萍乡、焦作和安阳等。地下矿产资源经过长期的开采,形成了大量采空区,附近岩体因原有应力平衡被打破而重新分布,导致采空区附近地层产生位移与变形。因此,实时监测采空区上方道路的沉降与变形,保证道路建设与运营期间的安全稳定是十分重要的[2-7]。

从20世纪80年代起,下伏采空区对公路的危害问题逐步被学者们所认知并得出大量的研究成果,冯强等[8]和宋文成等[9]基于弹性薄板理论和Mohr-Coulomb屈服准测计算了采空区上方的应力场和位移场分布。胡洪旺等[10]基于Ressiner厚板理论,将采空区顶板视为基岩和定向结构面构成的宏观复合材料,得到内部应力表达式。李贡辉等[4]通过假设土体为各向同性,进行了圆形采空区周边土体的应力情况和稳定性分析。周涛[11]基于现场监测数据研究了采空区上方路基沉降与变形规律。要海亮[12]以山西某公路下伏采空区为研究依托,对采空区上方覆盖岩层与路基变形特征进行分析,结果显示开采宽度、深度和倾角均对路基沉降有一定影响。张耀平等[13]以龙桥铁矿空区为例,基于现场原位试验及力学试验研究,采用FLAC3D有限元计算方法建立数值模型,揭示了矿空区的整体形成过程,并对其稳定性情况进行了系统的预测分析。彭帅英[14]通过有限元法建立了高速公路下伏多层采空区计算模型,通过数值模拟预测了路基沉降和变形特征,揭示了采空区对高速公路的影响程度,为高速公路稳定性评价提供了参考。

目前,高速公路下伏采空区的问题不可避免且具有一定的复杂性,对于采空区的治理技术尚未有明确的准则,预防沉降措施仍需要深入研究及探讨。现以江西省萍乡市赣粤高速公路为工程背景,以采空区范围内路段为研究对象,对下伏采空区路基沉降与变形情况进行长期监测,以期为采空区上方高速公路沉降与变形预测提供参考。

1 工程概况

萍乡市中环东路(S533绕城)始于国道G319杉湾里,终于国道G320萍乡卫校,建设里程长为9.22 km。整体式路基宽为26 m,机动车道数为双向六车道,单向路面宽为12 m,双向车道间隔1 m作为绿化区域,车道宽度为3.5 m。根据对沿线的地质调查,路线区内山体稳定性较好,未发现严重的规模较大的崩塌、滑坡和泥石流等不良地质现象,对工程有影响的不良地质主要为采空区和山体开挖后引发的不稳定路堑边坡,而路线特殊性岩土主要是软土。采空区主要分布于安源山隧道附近,桩号为K5+900～K7+200段,均存在不同程度的采空区,现场已埋设混凝土板处理。采空区的存在会对路基施工期及后期运营阶段产生较大的安全隐患,严重威胁行车安全。为做好高速公路下伏采空区路基沉降的监测与维护工作,采用测量设备实时监控路基沉降变形,并分析交通荷载对采空区路段路基沉降的影响。

2 沉降监测方案

2.1 监测内容

采用3组长度为12 m的阵列位移计作为路基沉降监测设备,每节1 m,并辅以土压力盒测量分析交通荷载对路基沉降的影响,每隔4 h记录一次数据。

2.2 监测方案

针对萍乡中环东路的下伏采空区位置,在单向车道上选取3处监测断面,沿行车方向依次为C1、C2和C3断面,如图1所示,其中C1和C3断面下方存在采空区,C2断面下方无采空区。C1和C3断面仅监测路基沉降,其中C1采用阵列位移计进行自动监测,C3采用自动监测与北斗卫星结合进行监测,通过剥离北斗监测终端中的非必要功能模块,如导航定位、授时和数据存储等模块,仅保留数据采集模块和通讯模块,自主研制小型化的北斗接收机。利用4G/LoRA等物联网技术将监测数据实时传送至云端,搭建相应的云平台,在云平台上实现数据的储存、展示和计算功能。C2断面除了阵列位移计外还布置了4个土压力测点,测点之间相距3 m,其中最外侧两个测点距路边1.5 m。

图1 监测设备布置示意图

为合理布置且延长设备的使用时间,采用切缝预埋的方法,沿着路基横断面方向布置阵列位移计。在路基施工过程中,对路基垫层进行切缝处理,其中C1和C3监测位置处的切缝截面尺寸为5 cm×5 cm,由于C2断面要进行土压力监测,因而C2断面的切缝截面尺寸为15 cm×5 cm。设备布置结束后,在切缝内填充一层含锆陶瓷纤维毯,防止铺设沥青时高温对仪器的损害。具体布置方式如图2和图3所示。

图2 监测设备布置

图3 C2断面监测设备布置示意图

3 结果分析

选取距路边0处为基准点,沿路基横断面方向由基准点至路面中线共布置13个测点,每个测点间隔为1 m。萍乡中环东路通车后C1、C2和C3断面右线路基不同位置处的沉降曲线如图4所示。由图4可知,右线路基均产生了不同程度的沉降。其中C1断面处沉降幅度随时间变化较大,结合图1分析可知,C1断面相距隧道出口比较近,车辆出隧道时的减速和出隧道后的加速行为对右线路面产生了较大的压力,导致C1断面沉降明显大于C3断面;C2断面下方无采空区,该断面处路基沉降最小且变化幅度稳定,路线中心处沉降仅为40 mm;C3断面处沉降控制良好,仅在通车初期,路线中心附近处发生了显著的沉降,随着通车时间的增加,C3断面路基沉降逐渐稳定,由此可以判断,C3断面下方采空区的处理措施沉降控制效果较好。C3断面与C2断面的最大沉降点均为据路线边缘10 m位置处,沉降深度比较接近。为了有效控制路面沉降,应加强C1断面下方采空区的加固处理,同时控制车辆在隧道内外保持匀速行驶,尽量较少C1断面附近车辆的变速行为。

图4 C1、C2和C3断面右线路基沉降曲线

由图4可知,C1至C3断面右线路基沉降存在一定的不均匀性,为此绘制了C1至C3断面右线主要测点沉降与时间关系曲线,如图5所示。其中,C1断面在刚通车时,最大沉降点为右线中心(6 m)处,随着通车时间的增加,右线中心沉降逐渐稳定,而路线中心沉降逐渐增大;C2断面处下方无采空区,各测点沉降变化稳定,均近似线性增长。C3断面处路线中心(12 m)发生较大沉降,随着通车时间增加,右线主要测点从基准点至路线中心沉降幅度近似呈线性变化。

图5 C1、C2和C3断面右线测点沉降监测

下伏采空区路基沿横断面方向倾斜易增加行车危险系数,严重的倾斜与不均匀沉降将会导致路面发生开裂,引发严重的行车事故,为此绘制了各断面右线中心与路线中心的沉降对比如图6所示。由图6可知,C2断面和C3断面的沉降变化随时间变化较均匀,右线中心与路线中心的沉降曲线近似平行;由于C3断面下方存在采空区,C3断面路线中心沉降大于C2断面;C3断面右线路面整体向路线中心倾斜。C1断面处路线中心沉降增长速率明显大于右线中心沉降增长速率,C1断面处路面向路线中心方向产生了较大的整体倾斜,由此可以判断,C1断面沉降变化幅度受交通荷载与采空区的影响较大。

图6 C1、C2和C3断面右线中心与线路中心沉降对比

4 结语

以萍乡中环东路采空区路段为研究背景,对下伏采空区处治后的路基开展实时沉降监测,为施工阶段与运营维护阶段提供技术指导,得到结论如下:

(1) 通过阵列位移计自行监测与自行研制的小型北斗信号接收机监测结合,可有效监测下伏采空区路基沉降数据。

(2) 通过分析阵列位移计沉降结果可知,萍乡中环东路通车后路基沉降量逐渐增大,且呈现先快后慢的发展趋势;C2、C3断面沉降量接近,C1断面沉降量受交通荷载影响较大,为保障行车安全,应对下方采空区进行加固处理,同时控制隧道出口处的行车速度。

(3) 通过实时监测右线中心与路线中心沉降数据,C1至C3断面均向路线中心发生了不同程度的倾斜,其中C1断面倾斜角度较大,应对C1断面路线中心处进行加固处理,防止路面进一步倾斜。