高等級(jí)公路采動(dòng)損害計(jì)算及防護(hù)論文

1、高等級(jí)公路采動(dòng)損害計(jì)算及防護(hù)摘 要：地下開(kāi)采導(dǎo)致的地表危害一直是礦區(qū)高等級(jí)公路建設(shè)和維護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)難題之一，本文針對(duì)我國(guó)高等級(jí)公路下采煤的現(xiàn)狀，應(yīng)用彈性力學(xué)和巖層與地表移動(dòng)理論，在分析高等級(jí)公路受開(kāi)采損害的現(xiàn)象和原因的基礎(chǔ)上研究了采動(dòng)高等級(jí)公路穩(wěn)定性及受力計(jì)算問(wèn)題，并提礦區(qū)高等級(jí)公路受開(kāi)采損害的防護(hù)措施。對(duì)預(yù)防或處理高等級(jí)公路采動(dòng)損害問(wèn)題具有一定的理論和實(shí)踐意義，同時(shí)也豐富和發(fā)展了采動(dòng)損害研究的理論和實(shí)踐。關(guān)鍵詞：高等級(jí)公路；采動(dòng)損害；穩(wěn)定性；受力計(jì)算；防護(hù)措施我國(guó)是煤炭大國(guó)，煤炭在我國(guó)一次性能源消耗中占70左右，到21世紀(jì)20年代仍將在50以上13。近年來(lái)隨著我國(guó)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(jí)公路受采動(dòng)影響破壞的現(xiàn)象日益突出。高等級(jí)公路是大范圍延伸的線形整體構(gòu)筑物，其路基的承載能力與穩(wěn)定性受開(kāi)采沉陷變形的影響較大，若對(duì)其留設(shè)保護(hù)煤柱則對(duì)礦井的開(kāi)拓掘進(jìn)、合理布局以及生產(chǎn)的連續(xù)性等都將造成不利影響45。欲準(zhǔn)確評(píng)價(jià)地下開(kāi)采對(duì)礦區(qū)高等級(jí)公路的損壞，以便采取經(jīng)濟(jì)上合理，技術(shù)上可行的井下開(kāi)采方案和公路防護(hù)措施，必須準(zhǔn)確計(jì)算公路采動(dòng)損壞大小。經(jīng)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(jí)公路運(yùn)營(yíng)的安全隱患，本文開(kāi)展了高等級(jí)公路采動(dòng)損害計(jì)算及防護(hù)的研究工作，以期對(duì)正確評(píng)估采動(dòng)損壞對(duì)礦區(qū)高等級(jí)公路的影響，延長(zhǎng)礦區(qū)高等級(jí)公路的使用壽命，確保礦區(qū)高等級(jí)公

3、路的暢通及運(yùn)輸安全，協(xié)調(diào)路礦部門之間的矛盾有一定的指導(dǎo)意義。1 采動(dòng)影響下高等級(jí)公路的損害特征 開(kāi)采影響下公路的損害包括路基和路面兩個(gè)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(shí)間上是連續(xù)漸變的。因此，在采動(dòng)影響下，路基會(huì)隨著地表整體下沉，而不會(huì)在豎直方向上產(chǎn)生脫離等病害，但在高潛水位礦區(qū)可能導(dǎo)致路面因低洼而長(zhǎng)期積水。非均勻下沉將導(dǎo)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(jí)公路在豎直方向上產(chǎn)生彎曲，改變?cè)械那拾霃降?。傾斜將導(dǎo)致高速行駛車輛重心的偏移、線路坡長(zhǎng)的加大，路基穩(wěn)定系數(shù)的減小，在彎道位置將對(duì)高速行駛車輛構(gòu)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(kāi)裂，因受壓縮作用而隆起，最終導(dǎo)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(dòng)高等級(jí)公路受力計(jì)算礦區(qū)公路在開(kāi)采影響下的受力情況分析包括下沉、傾斜、曲率、水平移動(dòng)和水平變形5個(gè)方面。2.1 下沉對(duì)公路的損壞計(jì)算 根據(jù)礦山開(kāi)采沉陷學(xué)中對(duì)開(kāi)采引起的地表下沉經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式2,11,12可知： （1）式中，w0為最大下沉量；m為煤層開(kāi)采厚度，為煤層傾角；q為下沉系數(shù)，a(x/r)是開(kāi)采長(zhǎng)度x的函數(shù)，可通過(guò)查表得到。確定公路下沉量后，根據(jù)彈性力學(xué)公式即可計(jì)算路基的應(yīng)力大?。?（2）式中，e為巖土的地基系數(shù)。均勻的下沉雖對(duì)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(guò)大，即

5、使是均勻的，在某些條件下，也會(huì)對(duì)公路造成嚴(yán)重?fù)p害。如在高潛水位礦區(qū)，當(dāng)路基路面下沉量大于潛水位至路面的高度時(shí)，部分路堤就會(huì)沉入潛水位以下，造成路堤兩旁積水，如圖1所示，甚至出現(xiàn)路基路面被積水淹沒(méi)現(xiàn)象，如圖2所示，路基就會(huì)受到地下水的長(zhǎng)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(méi)（橫斷面）非均勻的下沉將導(dǎo)致路基路面附加應(yīng)力，根據(jù)京津塘高速公路、杭甬高速公路、佛開(kāi)高速公路采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)7，高速公路的路面路基下沉量應(yīng)控制在1cm內(nèi)，根據(jù)公路路基施工技術(shù)規(guī)范8，高速公路路基材料的地基系數(shù)e110mpa/m，則由公式（2）

6、可算出其路基垂直應(yīng)力極限值為0.11mpa。此外，非均勻的下沉還將導(dǎo)致公路的坡度發(fā)生變化，根據(jù)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(dāng)下沉值的不均勻度超過(guò)3mm/m時(shí)，路面將出現(xiàn)裂縫，影響公路的安全運(yùn)營(yíng)。因此，在進(jìn)行公路下采煤時(shí)應(yīng)盡量避免出現(xiàn)路基路面不均勻沉降的情況。2.2 傾斜對(duì)公路的損壞計(jì)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(nèi)分成n個(gè)條塊，滑動(dòng)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(chǎn)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(dòng)角，經(jīng)推導(dǎo)得出路堤安全系數(shù)ks： （4）式中，ci、fi巖土粘聚力和摩擦系數(shù)，fi=tan； iarcsin(xi/r)。圖3 路堤穩(wěn)定性計(jì)算示意圖 此外，地表傾斜變形將對(duì)路基產(chǎn)生附加影響，設(shè)傾斜i引起了路基滑動(dòng)角增量，即： （5）當(dāng)為正時(shí)，地表傾斜方向與滑動(dòng)方向一致，將加速路基滑動(dòng)及破壞；當(dāng)為負(fù)時(shí), 表示地表傾斜方向與滑動(dòng)方向相反，在一定程度上地表傾斜將阻止路基的滑動(dòng)及破壞。根據(jù)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(xiàn)裂縫，影響公路的運(yùn)營(yíng)。根據(jù)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(yīng)力值為40mpa。2.3 曲率對(duì)公路的損壞計(jì)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(kāi)采影響后的曲率（kl）與采動(dòng)引起的附加曲率變形值之間應(yīng)滿足如下關(guān)系： （6）其中，極限，對(duì)凸型豎曲線取號(hào)，凹型豎曲線取號(hào)。 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(diǎn)，a1a2間的弧長(zhǎng)為s，對(duì)應(yīng)圓心角變化量為，則可由材料力學(xué)中的胡克定律近似地得出a1點(diǎn)由于路面曲率變化而增加的拉應(yīng)力，然后通過(guò)對(duì)整個(gè)受開(kāi)采影響的路面進(jìn)行積分，即可算出整個(gè)路面范圍內(nèi)增加的

9、拉應(yīng)力。圖4 路面曲率計(jì)算示意圖路面曲率的改變雖然增加了路面的拉應(yīng)力和路基深處的壓應(yīng)力，但因改變了曲率半徑而能減小高速行駛的車輛對(duì)路面的靜壓力，設(shè)車輛速度為v，質(zhì)量為m，則由圖4并根據(jù)物理學(xué)的相關(guān)知識(shí)可以計(jì)算出由于曲率的變化而減小的車輛對(duì)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(jì)算： （8）式中，k1,k2分別為公路變形前后的曲率，其關(guān)系可由式（6）確定。根據(jù)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(shí)，則可計(jì)算出

10、由于公路曲率變化而減少的車輛對(duì)路基路面的應(yīng)力為1408pa。可見(jiàn)適當(dāng)增加曲率半徑可減小路基路面承受的載荷。2.4 水平移動(dòng)對(duì)公路的損壞計(jì)算地下開(kāi)采引起的水平移動(dòng)包括路基路面的同步水平移動(dòng)和非同步水平移動(dòng)，路基路面的同步水平移動(dòng)對(duì)公路的影響可以忽略，而非同步水平移動(dòng)將使礦區(qū)公路在路基和路面接觸面處產(chǎn)生剪切破壞，剪切破壞主要是由于路基和路面水平移動(dòng)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(dòng)而增加的剪切力計(jì)算公式： （9）式中，e公路填筑材料的地基系數(shù)，u(x)路基和路面的相對(duì)水平移動(dòng)。2.5 水平變形對(duì)公路的損壞計(jì)算2.5.1忽略車載作用的分析計(jì)算當(dāng)路面變形

11、值達(dá)到裂縫臨界變形值0時(shí)，即出現(xiàn)裂縫，設(shè)x為水平變形，z為豎向水平變形。則根據(jù)彈性力學(xué)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(xiàn)裂縫的臨界點(diǎn)處，由主應(yīng)力表達(dá)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(shù)、泊松比、粘聚力和內(nèi)摩擦角。式（15）的導(dǎo)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(chǎn)生的地表變形值對(duì)公路的破壞條件。根據(jù)式（15），路面產(chǎn)生的裂縫延展方向應(yīng)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(jì)算 基于目前公路建設(shè)中大多采用鋼筋

12、混凝土路面的實(shí)際情況，此處選擇的路面即為該類型路面，根據(jù)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(yīng)力計(jì)算問(wèn)題，根據(jù)該理論，得路面板應(yīng)力應(yīng)變位移關(guān)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(wú)限地基假說(shuō)，任一點(diǎn)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(shù)。這樣，根據(jù)邊界條件解得路面板撓度w,進(jìn)而求路面板的彎拉應(yīng)力和內(nèi)力值。彎拉應(yīng)力為： （19）路面板內(nèi)力為： （20）式中，h混凝土路面板厚；集中荷載作用

13、點(diǎn)與彎距計(jì)算點(diǎn)連線同x 軸夾角。、隨r/l而變，可查表得到。r為作用點(diǎn)荷載與作用中心(坐標(biāo)原點(diǎn))的距離，l為半無(wú)限地基板的相對(duì)剛度半徑： （21）設(shè)式（9）（20）計(jì)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(dòng)水平應(yīng)力：x軸方向： (22)y軸方向： (23)根據(jù)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(jù)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(yīng)力值為70mpa。3 采動(dòng)高等級(jí)公路防護(hù)措施采動(dòng)高等級(jí)公路的維護(hù)包括井下開(kāi)采技術(shù)和路面防護(hù)措施。3.1地下開(kāi)采

14、技術(shù)措施公路屬于特殊結(jié)構(gòu)的建(構(gòu))筑物，可借鑒建筑物下采煤中的部分技術(shù)措施來(lái)減輕礦區(qū)公路受采動(dòng)影響的損壞。如協(xié)調(diào)開(kāi)采、限厚開(kāi)采、條帶開(kāi)采、充填開(kāi)采等技術(shù)可降低礦區(qū)公路的移動(dòng)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(shè)孤立的殘存煤柱或永久性的開(kāi)采邊界可避免公路突然下沉或出現(xiàn)塌陷坑；連續(xù)開(kāi)采不在公路下過(guò)久停頓可避免公路承受靜態(tài)變形值；采用分層間歇開(kāi)采避免放頂煤一次采全高降低地表下沉速度，減小采動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變形值等。3.2地面治理措施采用井下開(kāi)采技術(shù)措施來(lái)減小地表移動(dòng)變形值以減小對(duì)礦區(qū)公路的采動(dòng)損壞，在一定程度上要增加煤炭生產(chǎn)成本，造成資源浪費(fèi)，因此，需要一定的地面防護(hù)措施加以輔助以保證

15、經(jīng)濟(jì)效益。1）采前治理措施。公路管理部門應(yīng)當(dāng)和礦方密切合作，采前成立專門的公路維修隊(duì)伍，在采動(dòng)區(qū)建立一個(gè)臨時(shí)維修工區(qū)，負(fù)責(zé)采動(dòng)路線維修工作。根據(jù)礦方的采掘計(jì)劃，采前預(yù)計(jì)不同時(shí)間階段的地表移動(dòng)變形，明確路線移動(dòng)和變形的性質(zhì)、數(shù)值和方向，以便采取相應(yīng)的維護(hù)措施。對(duì)于待建高等級(jí)公路，若采動(dòng)影響時(shí)間較短時(shí)，可以緩建采動(dòng)影響段，直至地表移動(dòng)進(jìn)入衰退期；若高等級(jí)公路壓煤工作面較多時(shí)，可以根據(jù)預(yù)計(jì)的下沉量采前預(yù)加高路基，采用臨時(shí)路面運(yùn)行。對(duì)于已建成路線，應(yīng)當(dāng)根據(jù)沉陷預(yù)計(jì)結(jié)果，在路線移動(dòng)相反方向采前積極預(yù)備維修材料，特別是在高潛水位區(qū)，在塌陷積水前應(yīng)從路線附近取出備用土，減少采動(dòng)治理過(guò)程中的工作量。2）采中治

16、理措施。對(duì)采動(dòng)路面裂縫及時(shí)進(jìn)行填充、灌漿治理，對(duì)松動(dòng)的路基進(jìn)行夯實(shí)，防止雨水滲透路基，在動(dòng)載荷作用下，導(dǎo)致路基翻漿。對(duì)路線失位進(jìn)行適當(dāng)修正，保持平面和縱面設(shè)計(jì)線形，對(duì)高路基的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行演算加固，保障汽車運(yùn)行安全。另外對(duì)于建成路線，為了防止路基浸水失穩(wěn)，還應(yīng)當(dāng)及時(shí)恢復(fù)路面標(biāo)高。由于采動(dòng)的影響，高等級(jí)公路的質(zhì)量狀況嚴(yán)重下降，在路線進(jìn)入采動(dòng)區(qū)時(shí)，應(yīng)當(dāng)設(shè)立警戒標(biāo)志，嚴(yán)格控制行車速度，避免發(fā)生車禍。采動(dòng)中還應(yīng)當(dāng)對(duì)路基、路面的移動(dòng)變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，掌握移動(dòng)變形規(guī)律，為采動(dòng)治理提前作出預(yù)警和積累經(jīng)驗(yàn)。待添加的隱藏文字內(nèi)容23）采后治理措施。采掘活動(dòng)結(jié)束、地表移動(dòng)進(jìn)入衰退期后，應(yīng)重新夯實(shí)路基，使路基具有足夠的

17、強(qiáng)度；探明老采空區(qū)的覆巖結(jié)構(gòu)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(dòng)變形能力，在恢復(fù)高等級(jí)公路的線形設(shè)計(jì)時(shí)，要留有一定的余度；在恢復(fù)高等級(jí)公路路基、路面結(jié)構(gòu)時(shí)，考慮到老采空區(qū)的“活化”和高等級(jí)公路對(duì)移動(dòng)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(shè)置 “滑動(dòng)層”、在剛性基層頂部與路面層間鋪設(shè)玻璃纖維網(wǎng)或預(yù)切縫后設(shè)置玻璃纖維格柵、路面采用sbs、sbr改性瀝青技術(shù)等14,15。4 結(jié) 論1）礦區(qū)公路的采動(dòng)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(jié)合地表采動(dòng)損壞現(xiàn)象和受力情況，根據(jù)高等級(jí)公路自身的特點(diǎn)，利用彈性力

18、學(xué)相關(guān)公式可以推算出礦區(qū)公路受開(kāi)采影響而引起的路基路面應(yīng)力變化值。3）公路的承載能力有一定限度，在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)相關(guān)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(yùn)輸?shù)陌踩?）公路是一種特殊的線狀建（構(gòu)）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(yīng)結(jié)合實(shí)際情況加以選擇。參考文獻(xiàn)：1 煤炭科學(xué)研究院北京開(kāi)采所.煤礦地表移動(dòng)與覆巖破壞規(guī)律及其應(yīng)用m.北京:煤炭工業(yè)出版社,1981.2 何國(guó)清,楊倫,凌賡娣,等.礦山開(kāi)采沉陷學(xué)m.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1994.3 錢鳴高,許家林,繆協(xié)興.煤礦綠色開(kāi)采技術(shù).中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)j,2003,32(4):343-

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