采空区上方高速公路允许移动变形指标研究.pdf

第3 3 卷第2 期 2 0 1 3 年0 4 月 矿冶工程 d 田呵D i GA N DM 咂T A L L U R G I C A LE N G D 幔置R 矾G V 0 1 ．3 3 №2 A p r i l2 0 1 3 采空区上方高速公路允许移动变形指标研究① 贺跃光1 ，熊莎1 ，吴盛才2 1 ．长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙4 1 0 0 0 4 ；2 ．中国水电顾问集团中南勘测设计研究院，湖南长沙4 1 0 0 r 7 5 摘要分析了采空区上方高速公路路基路面破坏的5 个指标，即沉降、倾斜、水平位移、水平移动、曲率，以及5 个指标之间的定量 表达式；结合城市地下工程开挖相关控制指标，定量地研究了采空区上方高速公路路面的变形控制指标。综合国内外相关文献以 及高速公路采空区路基施工稳定性评判指标，提出了适合采空区上方高速公路路基以及桥墩等允许变形的控制指标。 关键词高速公路；采空区；地表变形；稳定性；控制指标 中图分类号U 4 1 6文献标识码Ad o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 删9 ．2 0 1 3 ．0 2 ．0 0 r 7 文章编号0 筋3 6 0 9 9 2 0 1 3 0 2 0 0 2 7 一0 4 S t I l m e so nI n I l i c a t o r sf 1 0 rT 0 l e r a b l e1 i s p l a c e m e n t 锄dD e 置．o 珊a t i o n o fE 】m r e s s w a ya b o v eM i I 地d ．o u tA r e a H EY u e g u a n 9 1 ，X I O N GS h a l ，W US h e n g c a i 2 1 ．＆I I l o o Z 矿c o 肼n 肌记m 如凡口趔7 ’r o n 驴o n 口砌n 西痧凡∞一，l g ，‰咿地‰眈瑙蚵旷 诧凡∞口蒯死砘，l o 锄，‰，拶地 4 1 0 0 0 4 ，肌M 凡，现讹；2 ．胁d 啪以 胍泖 胍e 口r c I } l 觚￡如姚，现i M 勘抛p o l t J e rE 啷，l e e ，l gc o 瑚以‘垤G r o 印 c o 伊o m t 如凡，C 概，够施4 1 0 0 7 5 ，舭M 凡，饥i M A b s 岫c t T h e r e ’r e5f a i l u r ei n d i c a t o r sf o rt l l er o a db e do fe x p r e s s w a ya b o v et l l em i n e d o u ta r e a ，i n c l u d i n gs u b s i d e n c e ， i n c l i n a t i o n ，h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t ，h o r i z o n t a Im o v e m e n ta n dc u n r a t u r e ． B a s e do nt h ea n a l y s i so ft } l e s ef i v ei n d i c a t o r s a n dt l l e i r q u a n t i t a t i v ee x p r e s s i o n s ， c o m b i n e dw i t I lr e l a t i v ei n d e x e sf o re x c a v a t i o no fu n d e t g r o u n dp r o j e c ti n c i t i e s ， d e f o 珊a t i o nc o n t I D U i n gi n d e x e sw e r es t u d i e df o rt l l er o a db e do fe x p r e s s w a ya b o v et h em i n d o u ta r e a ． T a k i n gi n t o c o n s i d e r a t i o ns t a b i l i t ye v a l u a t i o no ft l l eh i g h w a yr o a db e da b o v em i n e d o u ta r e a ，b 鹊e do nr e l a t e dd o c u m e n to b t a i n e da t h o m ea n da b m a d ，t h ec o n t m U i n gi n d i c a t o r sw e r ep m p o s e df o rt o l e r a b l ed e f o 咖a t i o no ft h ee x p r e s s w a yr o a d b e da b o V et h e m i n d ．o u ta r e a ． K e yw o n l s e x p r e s s w a y ；m i n e d - o u ta r e a ；g r o u n ds u d ’a c ed e f o m a t i o n ；s t a b i l i t y ；c o n t r o l l i n gi n d e x 采空区地表残余变形引起的高速公路路基路面移 动与变形值过大，将导致路基路面、桥梁和涵洞以及附 属设施等发生破坏。例如不均匀沉降使高速公路发生 坡度、竖曲线的变化、塌陷，路面隆起或开裂，桥梁的拱 结构断裂、横向位移增大等损害。因此，必须研究高速 公路路基路面的沉降与变形控制指标，并使各项指标 控制在移动与变形允许范围内，从而保证高速公路的 安全运营以及车辆安全行驶。 近年来，对采空区上方高速公路路基稳定性评价 指标研究甚少，主要是以孙忠弟、童立元、刘松玉、耿玉 岭、贾学民、梅志华、陈晓斌、张家生等为代表。J ，而 其规定的采空区上方高速公路稳定性评价指标大都是 以波兰的建筑物允许变形指标为参考∞J 。由于高速 公路本身整体性、刚性、柔性及硬度等相对建筑物有极 大提高，因此其允许变形范围不应以建筑物允许变形 标准作为最终判定依据。随着经济的高速发展，大量 高速公路不得不穿越采空区，因而有必要研究适合高 速公路跨越采空区时路基路面的允许变形指标，并借 以作为采空区稳定性判定依据。9J 。 1 采空区上方高速公路稳定性影响分析 1 ．1 采空区对高速公路的影响 开挖面地层损失使岩土体中存在空隙，上覆岩层 由于自重会向临空面移动弥补空隙。地下开采使得地 表可能产生连续性或非连续性位移变形，对高速公路 的危害主要有如下几个方面①采空区失稳冒落，使 ①收稿日期2 0 1 2 - l O 一1 l 基金项目湖南省重点学科建设项目资助 作者简介贺跃光 1 9 6 6 一 ，男，湖南桃江人，教授，博士，主要从事工程灾害监测与治理方面的教学与科研工作。 万方数据 矿冶工程第3 3 卷 地表剧烈变形，产生陷坑、台阶等；②路基沉陷，造成 路基、路面局部开裂，导致承载力下降，使用条件降低， 或造成路面低洼积水破坏；③倾斜变形使坡度发生变 化，导致行驶车辆重心偏移，在弯道处易发生事故； ④水平变形和曲率使路面受拉伸开裂、受压缩隆起， 导致路面发生波浪起伏、路面与路基间局部离层。 高速公路路基过度下沉，其竖直方向产生拉伸变 形，将引起路堤本身松弛，且有可能在不同压实度的土 层中产生脱层，而影响路基的承载力，加大高速公路路 基的倾斜及拉伸变形，对路基的稳定性构成威胁；当路 基两侧下沉至地下水位标高以下时，路堤浸泡在水中， 路基两侧积水，路基坡脚被水冲刷可能造成塌陷，而危 害路基、路面强度和稳定性，最为严重的是地下空洞突 然塌陷导致路基塌陷。对路堑来说，如果在其上方边 坡中进行地下开采，则因开挖形成临空面，此时考虑高 速公路倾斜和水平变形对边坡稳定性的影响，有可能 导致滑坡。 高速公路路基下沉，将引起水平移动与变形 ①垂直于路线方向的横向移动将改变路基的原有方 向，路基纵向方向的水平变形使路基受到拉伸和压缩 变形，由于这两种移动与变形存在不均匀性，会使公路 发生坡度、竖曲线形状及沿线方向改变；②水平变形 和移动使高速公路路基拉伸开裂、压缩隆起，路面产生 波浪起伏，路基产生附加内力、弯矩，路面或路基中产 生局部离层，路面的波浪起伏可能导致高速行驶车辆 腾空，导致翻车事故；③高速公路路基变形的不连续 性、不均匀性及沉降的无规律性，导致高速公路路面坡 度改变当路基倾斜变化方向与路线一致时，高速公路 路面坡度增加，反之则减少甚至形成反坡。路线坡度 的变化，将使移动盆地内各段路线的车辆阻力发生 改变。 1 ．2 路基路面稳定性指标计算方法 采空区引起高速公路路基路面移动与变形的主要 指标有5 个高速公路路基路面沉降、水平位移、倾斜、 水平变形、曲率。高速公路平面及路面变形示意分别 见图1 和图2 。 3 ．7 5 m3 ．7 5 m 路面 3 ．7 5 m 3 ．7 5 m 路面 图1 高速公路平面图 H 翻t[ 孑j L 一”一 F 二～l 止 7 ．5 m ，dF 卜1 ．竺 查坐， 屹％。 ％ ％- c d 图2 高速公路路面变形示意 a 高速公路路面沉降； b 高速公路路面水平移动； c 高速公路倾斜； d 高速公路倾斜允许值 1 路基路面沉降与水平移动变形。假设高速公 路上某点n ，其地表下沉及水平移动计算式为0 | 取 以。一以“ 1 U 。 ￡。”一￡。“ 2 式中睨为路基或路面n 点的下沉值；以o 、以“分别为 路基或路面n 点首次观测时及第m 次观测时的高程； u 。为路基或路面n 点的水平移动值；L 。o 、L 。“分别为 路基或路面首次及第m 次到控制点的直接水平距离。 2 路基路面倾斜变形。高速公路路基路面倾斜 变形是指相邻监测点在竖直方向的相对移动量与水平 距离的比值，用i 表示。假设高速公路相邻两点号分 别为m 和m l ，其下沉值分别为既和既一，，则两点 间的倾斜为 ． 既一既一。⋯ ‘m 一1 21 i u ， 式中i 。一。一。为路基路面m 至m 一1 点间的倾斜； L 。一。一。为m 至m 一1 点间的水平距离。 3 路基路面曲率变形。高速公路路基路面曲率 变形是指两相邻点的倾斜值之差与两线段中间点的水 平距离的比值，它表示监测断面上路基路面的弯曲程 度。设点m ，m 一1 ，m 一2 ，根据式 3 分别计算i 。一。小 i 。一。一。一，若i 。一。一。与i 。一，一。一。不等，则高速公路路基 路面形成弯曲，即产生曲率变形。用K 表示曲率， 则有 矿一生竺 1 一i 。- l - 。～一2 △i 。。l 2 1 。“一’”一1 一“一2 一 z 2 3 z 3 4 ／2 一z 。一。一1 z 。一I 一。一2 4 式中i 。一。小i 。一。一。一分别为路基路面m 至m l 及 m l 至m 一2 点间的平均斜率；f 。一。一。、Z 。一。一。一分别 为路基路面m 至m 一1 及m 一1 至．m 一2 点间的水平 距离。 如果点间距离相等，则式 4 可简化为 K 。一1 2 竺型≠盟 5 万方数据 第2 期贺跃光等采空区上方高速公路允许移动变形指标研究 曲率变形与曲率半径尺间关系为 尺 去 定性要求比基坑低，因此取高速公路路面的允许变形值 6 为3 0m m 。高速公路路面稳定性变形指标见表l 。 4 路基路面水平变形。高速公路路基路面水平 变形是指相邻两点的水平移动差值与两点间水平距离 的比值，它反映相邻两点间单位长度的水平移动差值， 用s 表示，计算式为 U 。一l U 。△U 。一。一1 ，，、 ％州2 1 _ 2i u ， 。m m 一1o m m l 按照式 7 计算高速公路路基路面水平移动变形，实 际上是m 至m l 点间单位长度的拉伸或压缩，负值 为压缩变形，正值为拉伸变形。 2 稳定性指标研究 根据深圳、广州、上海地铁施工经验值，并依据国 家建筑基坑规范地表点及建 构 筑物允许沉降值，规 定高速公路路面允许沉降值为3 0m m 。 2 ．1 路面稳定性指标 采空区对高速公路的影响及危害，特别是路基稳 定性标准的研究目前处于起步阶段。对于壁式陷落法 开采或经过特殊设计开采的采空区中部或充分采动 区，如果采空区地表年沉降量小于2 4m m 平均沉降速 度小于O ．0 6 6 叫n ／d ，则地表属于稳定型，采空区不需 治理即可进行公路建设；如果采空区地表年沉降值大 于2 4m m 平均沉降速度大于o ．0 6 6m r n ／d ，则地面属 不稳定型，采空区须经适当治理后方可修建公路。 当规定高速公路路面允许沉降值为3 0m m ，对高 速公路路面，设点m 沉降值为0 ，点m l 沉降值为3 0 m m ，高速公路行车道和超车道路面宽度3 ．7 5m ，取 ￡ 7 ．5m ，由式 3 可得 既一睨一。 3 0 ． k - m ‘1 21 i 2 甭纠 D m 一巩一l ，J 即最大允许倾斜值为4m 瑚／m 。 设最大倾斜值为4m ∥m ，最小倾斜值为0 ，最远 距离为超车道和行车道宽度之和7 ．5m ，采用微分原 理，假设另外一点离基准点m 相离近似等于7 ．5m ，则 有Z 。一。一。 Z 。一。一。一 7 ．5 ，代人式 4 得允许最大曲率 为0 ．5 3 1 0 ～m ～。路面也采用路基水平变形指标， 即允许最大水平变形为2m Ⅱ∥m 。 根据式 7 ，当最大水平变形为2m n ／m 时，最大 水平距离为7 ．5m ，最小允许水平移动为0 ，可得最大 允许水平移动为1 5r 珊。而地铁基坑工程规范规定围 护桩顶水平位移不应超过3 0m m ，现场测量基坑围护 桩顶水平位移大于3 0 - 啪时对连续墙的影响很小，且不 产生裂缝，而由于高速公路路面整体性比基坑好，且稳 表1 高速公路路面稳定性评价指标 2 ．2 路基稳定性指标 目前，对采空区引起高速公路路基允许变形值的 研究一般参照地下开采的地表允许变形指标。1 9 5 0 年代波兰学者提出最重要的建筑物的允许变形倾斜值 i 小于2 ．5I I l I n ／m ，水平变形值s 小于1 ．5 眦n ／m ，曲率 K 小于0 ．0 5 1 0 - 1m 一1 ‘1 1 l 。 表2 为国内各高速公路采空区路基施工时稳定性 控制标准值2 。1 5J 。 表2 高速公路路基稳定性指标 名称 盛／ 墨- I 水怒动，譬器 ／ 墨 1 耒宜高速公路一 ≤2 ．0 一 ≤1 ．5≤5 0 晋焦高速公路一 ≤3 一1 0 一 ≤2 ～6≤2 D 一6 0 京福高速公路见说明 ≤3 一 ≤2≤加 禹登高速公路一 ≤3 一 ≤2≤∞ 星塑壹i 坌堕型塑至i 型堕 三 三垫竺 表2 中，京福高速公路大刘煤矿段路面设计使用 年限内残余沉降规定，桥台与路堤毗邻处小于0 ．1m ， 涵洞或箱型通道处小于O ．2m ，一般路段小于O ．3m ， 相邻墩台问均匀沉降差不应使桥面大于2 ‰的纵坡， 静定桥梁结构桥墩台间不均匀沉降不超过1t 砌；昌瑞 高速公路路面设计使用年限内残余沉降规定，桥台与 路堤毗邻处小于0 ．1m ，涵洞或箱型通道处小于O ．2 m ，一般路段小于O ．3m ，静定结构不均匀沉降不允许 超过1 ．5c m ，简支梁桥墩台均匀沉降 不包括施工中 的沉降 不大于2 √Lm m ，相邻墩台不均匀沉降差值不 大撇m m ，墩台顶面水平位移不大于o ．5 拉m m ，其 中￡为相邻墩台最小跨径长度，m ，若其小于2 5m 仍 按2 5m 计算，地表剩余沉降一般路段小于3 0c m ，桥 头接坡小于1 0c m ，其中各指标低限对应构造物段，高 限为一般路段。 综合文献及国内外相关规范，高速公路路基及桥 墩沉降与变形控制指标如下 1 路基沉降与变形控制指标。对路面设计使用年 限内剩余沉降 简称工后沉降 桥台与路堤毗邻处不大 于0 ．1m ，涵洞或箱型通道以及一般路段处不大于0 ．2 m ，桥头接坡小于不大于0 ．1m 。曲率不大于0 ．0 5 1 0 。 万方数据 矿冶工程第3 3 卷 m ～，倾斜不大于3r n r n ／m ，水平变形不大于2 ⅡⅡn ／m 。 2 桥梁墩台沉降及位移控制指标。简支梁桥墩 台不均匀总沉降 不包括施工中的沉降 应不大于2 以 m m ，相邻墩台不均匀沉降差值不大予压m m ，墩台顶面 水平位移不大于o ．5 肛m m ，其中L 为相邻墩台最小跨 径长度，若￡小于2 5m 按2 5m 计算。特大桥、大桥连 续超静定结构墩台间不均匀沉降不超过1 ．5c m ，对于 外静体系的桥梁，相邻墩台间均匀沉降差不应使桥面 大于2 ‰的纵坡。 国内采空区上方高速公路的地面控制指标，不同 等级要求的高速公路其允许值也不同。相比上述重要 高速公路，大多普通建 构 筑物的稳定性指标要求相 对较低，故在上述高速公路变形控制指标的基础上，国 内多位专家将高速公路采空区地表稳定性划分为3 个 等级，各等级允许变形范围见表3 。 表3 变形控制指标 地基地表下沉Ⅳ倾斜i水平变形占曲率K 类型 ／咖 ／ 咖m _ 1 ／ 舢m - 1 ／ 1 0 ．3 m _ 1 1 当高速公路路基处于稳定状态时，剩余沉降量 小于变形指标，则对高速公路影响不大，不必要采取处 治措施。 2 当路基处于基本稳定状态时，剩余沉降量接近 变形指标，如不对高速公路路基处理，则对高速公路有 一定影响，考虑到路基工程地质条件复杂，如含有流沙 层、断层破碎带、岩溶等其他无法确定因素，其后期沉 降可能大于预计沉降量。 3 当不稳定区地表沉降量大于变形允许沉降量 时，由于地质采矿条件复杂，尚不确定是否为稳定区 域，必须采取工程治理措施才能保证高速公路的安全。 3 结论 通过分析采空区上方高速公路路基路面破坏的5 个指标沉降、倾斜、水平位移、水平移动、曲率，可知采 空区引起高速公路移动与变形主要是由于开采引起地 层损失和周围地层损失而发生地层移动。地层损失主 要由土体向临空面内移动，采场断面产生收敛，引起地 层损失，在含水层中进行开采时，可能引起周围土体内 部空隙水压力变化，使地层发生排水固结而引起高速 公路移动与变形。此外，对比城市地下基坑工程开挖 的相关控制指标，利用路基路面稳定性指标计算方法， 获得采空区上方高速公路路基路面的变形控制指标。 当高速公路最大曲率大于稳定值时，会导致路基路面 弯曲变形、开裂；最大倾斜大于稳定值时，会使高速公 路发生坡度、竖曲线形状和线性方向的变化；最大变形 大于稳定值时，路基路面会受到拉伸和压缩变形，而引 起路基路面开裂或隆起。由于高速公路路面整体性比 基坑好，其稳定性要求比基坑低，取高速公路路面允许 沉降值3 0m m ，研究获得适合采空区上方高速公路路 基、路面以及桥墩等相应允许变形控制指标。 参考文献 [ 1 ]山西省交通厅，中交通力公路勘察设计工程有限公司．高速公路 采空区 空洞 勘察设计与施工治理手册[ M ] ．北京人民教育出 版社，2 0 0 5 ． [ 2 ]童立元，刘松玉，邱钰．高速公路下伏采空区危害性评价与处 治技术[ M ] 。南京东南大学出版社，2 0 0 6 ． [ 3 ] 耿玉岭，贾学民，李大鸣，等．高等级公路下伏采空区治理优化和 治理效果评价研究[ M ] ．北京地震出版社，2 0 0 7 ． [ 4 ] 梅志华．高速公路路基路堑失稳反演与防治研究[ D ] ．长沙长 沙理工大学交通运输工程学院，2 0 0 7 ． [ 5 ]陈晓斌，张家生，安关峰，等．高速公路采空区地面变形计算方法 [ J ] ．岩土工程学报，2 0 0 7 ，2 9 2 1 9 l 1 9 7 ． [ 6 ] 刘宝琛，廖国华．煤矿地表移动的基本规律[ M ] ．北京中国工业 出版社，1 9 6 5 ． [ 7 ]张淑坤，张向东，陆启珂．枣木高速公路塌陷区探测及残余变形 预测[ J ] ．广西大学学报 自然科学版 ，2 0 l l ，3 6 4 6 4 0 6 4 8 ． [ 8 ] 杜兴明，田小伟，董加强．采煤活动对唐山城市建设场地稳定性 的影响分析[ J ] ．中国地质灾害与防治学报，2 0 1 0 ，2 l 3 8 2 8 8 ． [ 9 ]童立元，邱钰，刘松玉，等．高速公路与下伏煤矿采空区相互作 用规律探讨[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 1 0 ，2 9 1 1 2 2 7 l 一 2 2 7 9 ． [ 1 0 ] 何国清，杨伦，凌赓娣，等．矿山开采沉陷学[ M ] ．徐州中国 矿业大学出版社，1 9 9 5 ． [ 1 1 ]贺跃光．工程开挖引起的地表移动与变形模型及监测技术研究 [ D ] ．长沙中南大学信息物理工程学院，2 0 0 3 ． [ 1 2 ] 陈晓斌，张家生，陈果岳，等．高速公路采空区工程处治范围确 定方法[ J ] ．岩土力学与工程学报，2 0 0 7 ，2 6 1 1 6 2 1 6 8 ． [ 1 3 ]耿玉岭，贾学民，李大鸣，等．高等级公路下伏采空区治理优化 和治理效果评价研究[ M ] ．北京地震出版社，2 0 0 7 ． [ 1 4 ]武志德．大刘煤矿采空区对公路工程影响的分析与研究[ D ] ． 西安西安科技大学地质与环境学院，2 0 0 8 ． [ 1 5 ]河南省高速公路发展有限责任公司，河南省地球物理工程勘察 院．高速公路下伏采空区治理工程一勘察设计、施工、监理、招投 标[ M ] ．北京人民交通出版社，2 0 0 8 ． 万方数据