高等級公路采動損害計算及防護論文

1、高等級公路采動損害計算及防護摘 要：地下開采導致的地表危害一直是礦區(qū)高等級公路建設和維護的關鍵技術難題之一，本文針對我國高等級公路下采煤的現狀，應用彈性力學和巖層與地表移動理論，在分析高等級公路受開采損害的現象和原因的基礎上研究了采動高等級公路穩(wěn)定性及受力計算問題，并提礦區(qū)高等級公路受開采損害的防護措施。對預防或處理高等級公路采動損害問題具有一定的理論和實踐意義，同時也豐富和發(fā)展了采動損害研究的理論和實踐。關鍵詞：高等級公路；采動損害；穩(wěn)定性；受力計算；防護措施我國是煤炭大國，煤炭在我國一次性能源消耗中占70左右，到21世紀20年代仍將在50以上13。近年來隨著我國煤炭工業(yè)和公路事業(yè)的不斷發(fā)展

2、，煤礦區(qū)的高等級公路受采動影響破壞的現象日益突出。高等級公路是大范圍延伸的線形整體構筑物，其路基的承載能力與穩(wěn)定性受開采沉陷變形的影響較大，若對其留設保護煤柱則對礦井的開拓掘進、合理布局以及生產的連續(xù)性等都將造成不利影響45。欲準確評價地下開采對礦區(qū)高等級公路的損壞，以便采取經濟上合理，技術上可行的井下開采方案和公路防護措施，必須準確計算公路采動損壞大小。經檢索，目前這方面的研究工作尚不夠充分和完善。為了保證路基的穩(wěn)定和消除礦區(qū)高等級公路運營的安全隱患，本文開展了高等級公路采動損害計算及防護的研究工作，以期對正確評估采動損壞對礦區(qū)高等級公路的影響，延長礦區(qū)高等級公路的使用壽命，確保礦區(qū)高等級公

3、路的暢通及運輸安全，協(xié)調路礦部門之間的矛盾有一定的指導意義。1 采動影響下高等級公路的損害特征 開采影響下公路的損害包括路基和路面兩個方面。研究資料表明6：均勻下沉引起的路基變形在空間上是大范圍的、平緩的，在時間上是連續(xù)漸變的。因此，在采動影響下，路基會隨著地表整體下沉，而不會在豎直方向上產生脫離等病害，但在高潛水位礦區(qū)可能導致路面因低洼而長期積水。非均勻下沉將導致公路傾斜，使公路的坡度發(fā)生變化，而且還可能使高等級公路在豎直方向上產生彎曲，改變原有的曲率半徑等。傾斜將導致高速行駛車輛重心的偏移、線路坡長的加大，路基穩(wěn)定系數的減小，在彎道位置將對高速行駛車輛構成安全威脅。水平變形和曲率的增大使路

4、面因受拉伸作用而開裂，因受壓縮作用而隆起，最終導致路面呈波浪狀起伏，路面與路基間也因局部離層而破壞。2 采動高等級公路受力計算礦區(qū)公路在開采影響下的受力情況分析包括下沉、傾斜、曲率、水平移動和水平變形5個方面。2.1 下沉對公路的損壞計算 根據礦山開采沉陷學中對開采引起的地表下沉經驗計算公式2,11,12可知： （1）式中，w0為最大下沉量；m為煤層開采厚度，為煤層傾角；q為下沉系數，a(x/r)是開采長度x的函數，可通過查表得到。確定公路下沉量后，根據彈性力學公式即可計算路基的應力大?。?（2）式中，e為巖土的地基系數。均勻的下沉雖對路面坡度和路基路面的受力模式影響較小，但如果下沉量過大，即

5、使是均勻的，在某些條件下，也會對公路造成嚴重損害。如在高潛水位礦區(qū)，當路基路面下沉量大于潛水位至路面的高度時，部分路堤就會沉入潛水位以下，造成路堤兩旁積水，如圖1所示，甚至出現路基路面被積水淹沒現象，如圖2所示，路基就會受到地下水的長期浸濕，造成路基翻漿，加速路基的破壞，加快路面的破壞，影響行車安全。圖1 路基下沉受積水浸濕（橫斷面）圖2 路基路面被積水淹沒（橫斷面）非均勻的下沉將導致路基路面附加應力，根據京津塘高速公路、杭甬高速公路、佛開高速公路采用的技術標準7，高速公路的路面路基下沉量應控制在1cm內，根據公路路基施工技術規(guī)范8，高速公路路基材料的地基系數e110mpa/m，則由公式（2）

6、可算出其路基垂直應力極限值為0.11mpa。此外，非均勻的下沉還將導致公路的坡度發(fā)生變化，根據山西交通廳于2005年提出的高速公路的路基路面允許變形值9可知，當下沉值的不均勻度超過3mm/m時，路面將出現裂縫，影響公路的安全運營。因此，在進行公路下采煤時應盡量避免出現路基路面不均勻沉降的情況。2.2 傾斜對公路的損壞計算傾斜主要影響路堤的穩(wěn)定性，資料表明12：高路堤或陡路堤受傾斜的影響較大。如圖3所示，可將路堤在橫斷面內分成n個條塊，滑動面的圓心為o，半徑為r，則由力矩平衡條件可得： （3）式中，wi垂直力，包括條塊自重及車輛荷載； qi由水平變形產生的水平力； si條塊底面抗滑分力； xi、

7、ziwi及qi的力臂。顧及路堤傾斜引起滑動角，經推導得出路堤安全系數ks： （4）式中，ci、fi巖土粘聚力和摩擦系數，fi=tan； iarcsin(xi/r)。圖3 路堤穩(wěn)定性計算示意圖 此外，地表傾斜變形將對路基產生附加影響，設傾斜i引起了路基滑動角增量，即： （5）當為正時，地表傾斜方向與滑動方向一致，將加速路基滑動及破壞；當為負時, 表示地表傾斜方向與滑動方向相反，在一定程度上地表傾斜將阻止路基的滑動及破壞。根據山西交通廳于2005年提出的高速公路的路基路面允許變形值8可知，路基路面的傾斜值必須小于3mm/m,否則路面將出現裂縫，影響公路的運營。根據高速公路路基路面的極限傾斜值，利用

8、公式（3）（5）即可算出路基路面允許的最大水平應力值為40mpa。2.3 曲率對公路的損壞計算 資料研究表明13：由于公路原始豎曲線曲率（0）的存在，礦區(qū)公路受開采影響后的曲率（kl）與采動引起的附加曲率變形值之間應滿足如下關系： （6）其中，極限，對凸型豎曲線取號，凹型豎曲線取號。 公路發(fā)生曲率變形后，路面將受到拉伸變形，路基深處將受到壓縮變形，并隨深度曾加而增大。以路面為例，如圖4所示，a2為a1變形后的點，a1a2間的弧長為s，對應圓心角變化量為，則可由材料力學中的胡克定律近似地得出a1點由于路面曲率變化而增加的拉應力，然后通過對整個受開采影響的路面進行積分，即可算出整個路面范圍內增加的

9、拉應力。圖4 路面曲率計算示意圖路面曲率的改變雖然增加了路面的拉應力和路基深處的壓應力，但因改變了曲率半徑而能減小高速行駛的車輛對路面的靜壓力，設車輛速度為v，質量為m，則由圖4并根據物理學的相關知識可以計算出由于曲率的變化而減小的車輛對路面的靜壓力： （7）式中，r1,r2分別為曲率改變前后的曲率半徑，可由下式計算： （8）式中，k1,k2分別為公路變形前后的曲率，其關系可由式（6）確定。根據山西交通廳于2005年提出的高速公路的路基路面允許變形值8可知，路基路面的極限曲率變形值為0.2mm/m2,若式（7）中m=5000kg，v=120km/h，r1=100m，r2=120m時，則可計算出

10、由于公路曲率變化而減少的車輛對路基路面的應力為1408pa?？梢娺m當增加曲率半徑可減小路基路面承受的載荷。2.4 水平移動對公路的損壞計算地下開采引起的水平移動包括路基路面的同步水平移動和非同步水平移動，路基路面的同步水平移動對公路的影響可以忽略，而非同步水平移動將使礦區(qū)公路在路基和路面接觸面處產生剪切破壞，剪切破壞主要是由于路基和路面水平移動的不同步而增大了路基和路面間的摩擦力所致。下面給出礦區(qū)公路因路基路面非同步水平移動而增加的剪切力計算公式： （9）式中，e公路填筑材料的地基系數，u(x)路基和路面的相對水平移動。2.5 水平變形對公路的損壞計算2.5.1忽略車載作用的分析計算當路面變形

11、值達到裂縫臨界變形值0時，即出現裂縫，設x為水平變形，z為豎向水平變形。則根據彈性力學理論有： （10） （11）若不考慮車輛輪載作用，在公路路面上，令，則由式（10）和式（11）式得7： （12） 近似地取，出現裂縫的臨界點處，由主應力表達的極限平衡條件為： （13）得： （14）故有： （15）式中：e、u、c、分別為路面材料的地基系數、泊松比、粘聚力和內摩擦角。式（15）的導出是在忽略車輛輪載作用等其它因素的影響下，由采礦所產生的地表變形值對公路的破壞條件。根據式（15），路面產生的裂縫延展方向應為最大水平變形值的垂直方向。2.5.2 車載作用下的分析計算 基于目前公路建設中大多采用鋼筋

12、混凝土路面的實際情況，此處選擇的路面即為該類型路面，根據地基小撓度薄板理論，研究頂板為局部范圍的輪載p，底板地基反力為q的路面板應力計算問題，根據該理論，得路面板應力應變位移關系式6： (16) (17) 式中，z輪載離板中面(z=0)的豎向距離；ec、uc混凝土的彈性模量和泊松比；w路面板的豎向位移，或稱撓度。采用半無限地基假說，任一點撓度為： （18）式中，es、uc地基彈性模量及泊松比；反力q(r)的零解亨格爾變換式；零解第一類貝塞爾函數。這樣，根據邊界條件解得路面板撓度w,進而求路面板的彎拉應力和內力值。彎拉應力為： （19）路面板內力為： （20）式中，h混凝土路面板厚；集中荷載作用

13、點與彎距計算點連線同x 軸夾角。、隨r/l而變，可查表得到。r為作用點荷載與作用中心(坐標原點)的距離，l為半無限地基板的相對剛度半徑： （21）設式（9）（20）計算中所選擇x軸均相同，則由式（12）、式（19）和式（20）可得礦區(qū)公路在車載作用下的采動水平應力：x軸方向： (22)y軸方向： (23)根據山西交通廳于2005年提出的高速公路的路基路面允許變形值8可知，路基路面的最大水平變形為2mm/m，根據此極限變形值，利用公式（16）（23）可算出高速公路在車載作用下的極限水平應力值為70mpa。3 采動高等級公路防護措施采動高等級公路的維護包括井下開采技術和路面防護措施。3.1地下開采

14、技術措施公路屬于特殊結構的建(構)筑物，可借鑒建筑物下采煤中的部分技術措施來減輕礦區(qū)公路受采動影響的損壞。如協(xié)調開采、限厚開采、條帶開采、充填開采等技術可降低礦區(qū)公路的移動和變形值；合理布置采區(qū)位置和形狀使公路下方及附近不留設孤立的殘存煤柱或永久性的開采邊界可避免公路突然下沉或出現塌陷坑；連續(xù)開采不在公路下過久停頓可避免公路承受靜態(tài)變形值；采用分層間歇開采避免放頂煤一次采全高降低地表下沉速度，減小采動過程中的動態(tài)變形值等。3.2地面治理措施采用井下開采技術措施來減小地表移動變形值以減小對礦區(qū)公路的采動損壞，在一定程度上要增加煤炭生產成本，造成資源浪費，因此，需要一定的地面防護措施加以輔助以保證

15、經濟效益。1）采前治理措施。公路管理部門應當和礦方密切合作，采前成立專門的公路維修隊伍，在采動區(qū)建立一個臨時維修工區(qū)，負責采動路線維修工作。根據礦方的采掘計劃，采前預計不同時間階段的地表移動變形，明確路線移動和變形的性質、數值和方向，以便采取相應的維護措施。對于待建高等級公路，若采動影響時間較短時，可以緩建采動影響段，直至地表移動進入衰退期；若高等級公路壓煤工作面較多時，可以根據預計的下沉量采前預加高路基，采用臨時路面運行。對于已建成路線，應當根據沉陷預計結果，在路線移動相反方向采前積極預備維修材料，特別是在高潛水位區(qū)，在塌陷積水前應從路線附近取出備用土，減少采動治理過程中的工作量。2）采中治

16、理措施。對采動路面裂縫及時進行填充、灌漿治理，對松動的路基進行夯實，防止雨水滲透路基，在動載荷作用下，導致路基翻漿。對路線失位進行適當修正，保持平面和縱面設計線形，對高路基的邊坡穩(wěn)定性進行演算加固，保障汽車運行安全。另外對于建成路線，為了防止路基浸水失穩(wěn)，還應當及時恢復路面標高。由于采動的影響，高等級公路的質量狀況嚴重下降，在路線進入采動區(qū)時，應當設立警戒標志，嚴格控制行車速度，避免發(fā)生車禍。采動中還應當對路基、路面的移動變形進行監(jiān)測，掌握移動變形規(guī)律，為采動治理提前作出預警和積累經驗。待添加的隱藏文字內容23）采后治理措施。采掘活動結束、地表移動進入衰退期后，應重新夯實路基，使路基具有足夠的

17、強度；探明老采空區(qū)的覆巖結構形態(tài)，分析“活化”形式，論證是否注漿處理老采空區(qū)；充分估算老采空區(qū)的殘余移動變形能力，在恢復高等級公路的線形設計時，要留有一定的余度；在恢復高等級公路路基、路面結構時，考慮到老采空區(qū)的“活化”和高等級公路對移動變形的敏感性，要采取一定的抗變形措施，比如在剛性基層底部和柔性路基間設置 “滑動層”、在剛性基層頂部與路面層間鋪設玻璃纖維網或預切縫后設置玻璃纖維格柵、路面采用sbs、sbr改性瀝青技術等14,15。4 結 論1）礦區(qū)公路的采動損壞特征不同于一般公路的破壞特征，更不同于普通建筑的破壞特征。2）結合地表采動損壞現象和受力情況，根據高等級公路自身的特點，利用彈性力

18、學相關公式可以推算出礦區(qū)公路受開采影響而引起的路基路面應力變化值。3）公路的承載能力有一定限度，在實際工程中，應根據相關規(guī)程規(guī)定采取合理的措施控制公路的受力大小，以保證公路運輸的安全。4）公路是一種特殊的線狀建（構）筑物，為了保證公路的安全，公路下采煤措施不能完全照搬“三下”采煤措施，應結合實際情況加以選擇。參考文獻：1 煤炭科學研究院北京開采所.煤礦地表移動與覆巖破壞規(guī)律及其應用m.北京:煤炭工業(yè)出版社,1981.2 何國清,楊倫,凌賡娣,等.礦山開采沉陷學m.徐州:中國礦業(yè)大學出版社,1994.3 錢鳴高,許家林,繆協(xié)興.煤礦綠色開采技術.中國礦業(yè)大學學報j,2003,32(4):343-

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