采煤沉陷影响下高速公路内部应力分布研究

邓伟男

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)

目前，我国高速公路通车总里程已经位居世界第一，同时，大规模高速公路网的建设仍在持续进行，高速公路穿越煤炭生产区的现象不断增多，由此带来的采煤沉陷影响高速公路运营安全的事件频发[1]。从高速公路修建与地下煤炭开采的时间先后角度分类，采煤沉陷影响高速公路所产生的一系列问题可以分为两类：一类是拟建高速公路穿越已采矿区时的稳定性问题；另一类是高速公路穿越未采矿区时的压煤问题。相较于建筑物下及铁路下采煤领域，采煤沉陷影响高速公路相关问题的研究起步较晚，多集中在采空区的稳定性评估[2]，勘察、治理以及治理质量检测等工程实践[3-7]，以及对高速公路表面的移动变形监测[8-10]。对采煤沉陷影响下高速公路移动变形发展理论的研究以及高速公路压煤开采的实践相对较少[11-16]。由于高速公路属于封闭的构筑物，难以监测到其内部移动变形情况；高昂的造价及其重要程度也不允许进行理想条件的采煤沉陷影响现场实验。种种不利因素造成了相关研究的难度很大。

传统的“三下”采煤研究领域的基础数据以移动和变形为主，而高速公路的变形破坏本质上是力学问题，本文根据高速公路主体结构的特点，采用FLAC3D数值模拟计算的方法，考虑行车荷载作用及路面修筑材料强度的变化，对采煤沉陷影响下高速公路内部的应力分布进行研究。

1 模型建立及模拟方案

高速公路主体结构分为路基与路面，两者在材料性质上有较大的差异。为了反映具有普适性的采煤沉陷影响下高速公路移动变形特征，根据开采沉陷一般规律及高速公路结构的特点，模型的建立遵循以下原则：

(1)模型设计开采深度与开采厚度之比应不小于30[17]，以保证地表沉陷盆地内的移动和变形在空间和时间上是连续、渐变且具有一定规律的。

(2)高速公路路基与路面以我国一般路段路基与路面为原型[18]，不考虑特殊路基。

(3)模拟工作面推进尺寸应大于煤层充分采动临界尺寸，模型边界应在开采沉陷理论计算的影响范围之外。

基于上述原则，建立模型各层的物理力学参数(表1)，高速公路横断面见图1(模型按照双向八车道高速公路的设计尺寸，路面宽度42m，路基边坡坡率1∶1.5[19])。

表1 模型各层物理力学参数

图1 高速公路模型横断面

为了全面地说明采煤沉陷影响下高速公路路基与路面内部的应力分布特征，模型计算过程中考虑了行车荷载的影响及路面材料强度的变化，设计了3套模拟方案：

(1)方案一模拟高速公路压煤开采，工作面沿高速公路延伸方向推进达到充分开采的程度。

(2)方案二是在方案一的基础上，施加行车荷载的影响，行车荷载取高速公路车道均布荷载标准值10.5kN/m[20]。

(3)方案三是在方案一的基础上，降低路面材料的强度，取值与路基材料参数相同。

2 路基与路面内部水平应力的分布

工作面沿高速公路延伸方向推进50m(不充分采动)、100m(接近充分采动)及150m(充分采动)时，路基与路面内部的水平应力曲线如图2所示(图中正值代表拉应力，负值代表压应力，下文相同)。

图2 路基与路面内部水平应力曲线对比

随着工作面的推进，路基与路面内部水平应力的分布变化如下：

(1)工作面推进50m时，路基与路面内部水平应力曲线变化趋势一致，基本呈轴对称分布；两条曲线最大压应力点在水平方向上的位置重合，大致位于采空区中心点上方；路面内部水平压应力部分位于采空区上方，并向采空区边界两侧各扩展约48m，其余部分为水平拉应力区，分布特点与地表沉陷盆地水平变形曲线类似，受路面覆盖的约束，路基内部不存在水平拉应力；路基与路面内部水平应力在数值上相差较大。

(2)工作面推进100m时，路基与路面内部水平应力曲线形态出现差异，后者不再呈轴对称分布；路基内部最大压应力点仍位于采空区中心点上方，路面内部最大压应力点偏向开切眼方向，距离采空区中心点约18m；路基内部开始出现水平拉应力，路面内部水平压应力区随工作面的推进不断前移且范围在逐步扩大。

(3)工作面推进150m时，路基内部水平应力曲线也不再呈轴对称分布，最大压应力点位于采空区中心点上方偏向开切眼方向约2m，路面内部最大压应力点位于采空区中心点上方偏向工作面推进方向约3m；路面内部水平拉、压应力的极值不再增大，发展趋势不变，路基内部水平拉、压应力的极值仍在增大。

在对模型施加行车荷载后，路基与路面内部水平应力曲线形态基本与图2一致，行车荷载的作用仅仅会使高速公路内部水平应力值增大，但增大幅度极小。

将路面材料的强度与路基等同后，路面内部水平应力曲线如图3所示，此时，路面内部水平应力的曲线形态及数值大小与常规路面内部水平应力相差较多，接近图2中路基内部水平应力的分布。

图3 低强度路面内部水平应力曲线

综上分析，采煤沉陷影响下高速公路路基与路面内部水平应力的变化趋势大致相同，水平应力曲线形态及数值大小差异明显，相对于路面内部水平应力，路基内部水平应力的变化略有滞后且受影响范围较小；行车荷载的作用对路基与路面内部水平应力的分布影响很小；路面强度的大小对水平应力的分布影响较大，强度越高，路基与路面内部水平应力曲线差异越大。

3 路基与路面内部垂直应力的分布

工作面沿高速公路延伸方向推进50m，100m及150m时，路基与路面内部垂直应力曲线如图4所示(图中，a，b，c分别代表工作面推进50m，100m及150m时路面内部垂直应力曲线；d，e，f分别代表工作面推进50m，100m及150m时路基内部垂直应力曲线)。

图4 路基与路面内部垂直应力曲线对比

随着工作面的推进，路基与路面内部垂直应力的分布变化如下：

(1)工作面推进50m时，路基内部垂直应力曲线出现波动，应力值在采空区上方有所下降，在采空区边界外两侧有所上升，受采煤沉陷影响的路面内部垂直应力波动幅度较小；未受采煤沉陷影响区域的路基和路面内部垂直应力分别稳定在0.028MPa和0.0095MPa。

(2)工作面推进100m时，路基与路面内部垂直应力曲线数值出现较大波动，前者呈“驼峰”状分布，后者波动更为剧烈，最大波动幅度约为前者的4倍；路基与路面内部垂直应力曲线波动峰值点水平方向上位置重合，位于采空区上方靠近边界的区域；路基内部垂直应力最大值点有2个，分别位于垂直应力曲线2个波动峰值点两侧的采空区边界外，路面内部垂直应力最大值点有1个，位于垂直应力曲线2个波动峰值点之间，并且紧邻右侧波峰值点；路面内部出现垂直应力正值区域。

(3)工作面推进150m时，路基与路面内部垂直应力曲线形态与上一阶段相似，曲线波动峰值点之间的距离随工作面的推进有所增加，垂直应力的极值基本不变；路面内部的垂直应力正值区域在工作面推进一侧的范围明显大于开切眼一侧。

在对模型施加行车荷载后，路基与路面内部垂直应力曲线与图4中垂直应力曲线形态及变化趋势基本相同，行车荷载会增加路基与路面内部的垂直应力值，增大幅度等同于增加的行车荷载。

将路面材料的强度与路基等同后，路基与路面垂直应力曲线基本近似为2条水平线，随工作面的推进变化极小。

综上分析，采煤沉陷影响下高速公路路基与路面内部垂直应力变化趋势大致相同，路面内部垂直应力的波动比路基内部剧烈，路基与路面内部垂直应力曲线波动形态及路面内部垂直应力正值的出现，表明路基与路面的下沉存在不一致性，部分路面的自重荷载没有完全垂直施加到路基上，由两侧路基与路面共同支撑，路基与路面之间可能出现了离层空间；行车荷载的作用只会对路基与路面内部垂直应力的数值造成影响；路面强度的大小对路面垂直应力的分布影响较大，强度越高，路面抗沉陷能力越强。

4 高速公路损坏与应力分布的关系

采煤沉陷影响下高速公路的损坏可分为路基失稳破坏及路面的开裂和凸起破损，其中，路基的失稳破坏一般发生在高路堤路段，且伴随有强降水等其他因素的共同作用，属偶发性灾害事件；路面的开裂和凸起破损是最常见的高速公路受采煤沉陷影响的损坏现象，如图5所示。

图5 高速公路路面损坏现场

研究表明，路面的开裂和凸起破损分别是由地表水平拉伸变形和水平压缩变形引起的[1]。由图2和图3可知，路面内部水平应力曲线的分布形态与水平变形曲线相似，表现为采空区上方为压应力或压缩变形区，采空区外为拉应力或拉伸变形区。高速公路路面的开裂，是路面内部水平拉应力积累到路面强度极限的结果，与路面内垂直应力的积累变化无直接关系；路面的凸起破损现象的发生，是路面内部水平压应力积累到一定程度，且由垂直应力反映出路面与路基之间存在离层空间情况下的结果。

路面开裂一般只会影响行车的舒适感，可采取填缝补强的方式进行处治；而路面凸起破损会造成跳车等严重影响行车安全的事件发生，其修复工作也较复杂，需凿除破损路面后重新铺设。

根据高速公路损坏与应力的关系，在控制采煤沉陷对高速公路破坏性影响时，应采取能够减少高速公路内部水平压应力的分布的措施，另外，在采动影响期间，可考虑采用低强度路面作为过渡。

5 结 论

(1)采煤沉陷影响下高速公路路基与路面内部应力的变化趋势大致相同，随工作面的推进，应力的变化反映出路基与路面的下沉存在不一致性。

(2)行车荷载对高速公路内部应力的分布影响较小；路面材料强度的大小对高速公路内部应力的分布影响较大，低强度路面内部应力值相对较小且积累缓慢，高强度路面抗沉陷能力较强。

(3)高速公路路面的开裂是由路面内部水平拉应力积累到路面强度极限的结果；路面的凸起破损是路面内部水平压应力与垂直应力共同作用的结果。

(4)减少高速公路内部水平压应力的分布以及采用低强度路面，均可以控制采煤沉陷对高速公路的破坏。