高速公路下伏采空區路基沉降現場監測與分析①

□□ 何 建,柳 佳,張海輝,童立紅,陳夢成,彭理群 (.萍鄉市交通運輸局,江西 萍鄉 7000;.核工業華東建設工程集團有限公司,江西 南昌 000;.華東交通大學 土木建筑學院,江西 南昌 00)

引言

自二十大以來,交通強國戰略的提出,促進了國內道路交通的繁榮發展[1]。隨著交通路網的建設,社會對礦產資源的需求逐步增大,諸多能源城市應運而生,如萍鄉、焦作和安陽等。地下礦產資源經過長期的開采,形成了大量采空區,附近巖體因原有應力平衡被打破而重新分布,導致采空區附近地層產生位移與變形。因此,實時監測采空區上方道路的沉降與變形,保證道路建設與運營期間的安全穩定是十分重要的[2-7]。

從20世紀80年代起,下伏采空區對公路的危害問題逐步被學者們所認知并得出大量的研究成果,馮強等[8]和宋文成等[9]基于彈性薄板理論和Mohr-Coulomb屈服準測計算了采空區上方的應力場和位移場分布。胡洪旺等[10]基于Ressiner厚板理論,將采空區頂板視為基巖和定向結構面構成的宏觀復合材料,得到內部應力表達式。李貢輝等[4]通過假設土體為各向同性,進行了圓形采空區周邊土體的應力情況和穩定性分析。周濤[11]基于現場監測數據研究了采空區上方路基沉降與變形規律。要海亮[12]以山西某公路下伏采空區為研究依托,對采空區上方覆蓋巖層與路基變形特征進行分析,結果顯示開采寬度、深度和傾角均對路基沉降有一定影響。張耀平等[13]以龍橋鐵礦空區為例,基于現場原位試驗及力學試驗研究,采用FLAC3D有限元計算方法建立數值模型,揭示了礦空區的整體形成過程,并對其穩定性情況進行了系統的預測分析。彭帥英[14]通過有限元法建立了高速公路下伏多層采空區計算模型,通過數值模擬預測了路基沉降和變形特征,揭示了采空區對高速公路的影響程度,為高速公路穩定性評價提供了參考。

目前,高速公路下伏采空區的問題不可避免且具有一定的復雜性,對于采空區的治理技術尚未有明確的準則,預防沉降措施仍需要深入研究及探討?，F以江西省萍鄉市贛粵高速公路為工程背景,以采空區范圍內路段為研究對象,對下伏采空區路基沉降與變形情況進行長期監測,以期為采空區上方高速公路沉降與變形預測提供參考。

1 工程概況

萍鄉市中環東路(S533繞城)始于國道G319杉灣里,終于國道G320萍鄉衛校,建設里程長為9.22 km。整體式路基寬為26 m,機動車道數為雙向六車道,單向路面寬為12 m,雙向車道間隔1 m作為綠化區域,車道寬度為3.5 m。根據對沿線的地質調查,路線區內山體穩定性較好,未發現嚴重的規模較大的崩塌、滑坡和泥石流等不良地質現象,對工程有影響的不良地質主要為采空區和山體開挖后引發的不穩定路塹邊坡,而路線特殊性巖土主要是軟土。采空區主要分布于安源山隧道附近,樁號為K5+900～K7+200段,均存在不同程度的采空區,現場已埋設混凝土板處理。采空區的存在會對路基施工期及后期運營階段產生較大的安全隱患,嚴重威脅行車安全。為做好高速公路下伏采空區路基沉降的監測與維護工作,采用測量設備實時監控路基沉降變形,并分析交通荷載對采空區路段路基沉降的影響。

2 沉降監測方案

2.1 監測內容

采用3組長度為12 m的陣列位移計作為路基沉降監測設備,每節1 m,并輔以土壓力盒測量分析交通荷載對路基沉降的影響,每隔4 h記錄一次數據。

2.2 監測方案

針對萍鄉中環東路的下伏采空區位置,在單向車道上選取3處監測斷面,沿行車方向依次為C1、C2和C3斷面,如圖1所示,其中C1和C3斷面下方存在采空區,C2斷面下方無采空區。C1和C3斷面僅監測路基沉降,其中C1采用陣列位移計進行自動監測,C3采用自動監測與北斗衛星結合進行監測,通過剝離北斗監測終端中的非必要功能模塊,如導航定位、授時和數據存儲等模塊,僅保留數據采集模塊和通訊模塊,自主研制小型化的北斗接收機。利用4G/LoRA等物聯網技術將監測數據實時傳送至云端,搭建相應的云平臺,在云平臺上實現數據的儲存、展示和計算功能。C2斷面除了陣列位移計外還布置了4個土壓力測點,測點之間相距3 m,其中最外側兩個測點距路邊1.5 m。

圖1 監測設備布置示意圖

為合理布置且延長設備的使用時間,采用切縫預埋的方法,沿著路基橫斷面方向布置陣列位移計。在路基施工過程中,對路基墊層進行切縫處理,其中C1和C3監測位置處的切縫截面尺寸為5 cm×5 cm,由于C2斷面要進行土壓力監測,因而C2斷面的切縫截面尺寸為15 cm×5 cm。設備布置結束后,在切縫內填充一層含鋯陶瓷纖維毯,防止鋪設瀝青時高溫對儀器的損害。具體布置方式如圖2和圖3所示。

圖2 監測設備布置

圖3 C2斷面監測設備布置示意圖

3 結果分析

選取距路邊0處為基準點,沿路基橫斷面方向由基準點至路面中線共布置13個測點,每個測點間隔為1 m。萍鄉中環東路通車后C1、C2和C3斷面右線路基不同位置處的沉降曲線如圖4所示。由圖4可知,右線路基均產生了不同程度的沉降。其中C1斷面處沉降幅度隨時間變化較大,結合圖1分析可知,C1斷面相距隧道出口比較近,車輛出隧道時的減速和出隧道后的加速行為對右線路面產生了較大的壓力,導致C1斷面沉降明顯大于C3斷面;C2斷面下方無采空區,該斷面處路基沉降最小且變化幅度穩定,路線中心處沉降僅為40 mm;C3斷面處沉降控制良好,僅在通車初期,路線中心附近處發生了顯著的沉降,隨著通車時間的增加,C3斷面路基沉降逐漸穩定,由此可以判斷,C3斷面下方采空區的處理措施沉降控制效果較好。C3斷面與C2斷面的最大沉降點均為據路線邊緣10 m位置處,沉降深度比較接近。為了有效控制路面沉降,應加強C1斷面下方采空區的加固處理,同時控制車輛在隧道內外保持勻速行駛,盡量較少C1斷面附近車輛的變速行為。

圖4 C1、C2和C3斷面右線路基沉降曲線

由圖4可知,C1至C3斷面右線路基沉降存在一定的不均勻性,為此繪制了C1至C3斷面右線主要測點沉降與時間關系曲線,如圖5所示。其中,C1斷面在剛通車時,最大沉降點為右線中心(6 m)處,隨著通車時間的增加,右線中心沉降逐漸穩定,而路線中心沉降逐漸增大;C2斷面處下方無采空區,各測點沉降變化穩定,均近似線性增長。C3斷面處路線中心(12 m)發生較大沉降,隨著通車時間增加,右線主要測點從基準點至路線中心沉降幅度近似呈線性變化。

圖5 C1、C2和C3斷面右線測點沉降監測

下伏采空區路基沿橫斷面方向傾斜易增加行車危險系數,嚴重的傾斜與不均勻沉降將會導致路面發生開裂,引發嚴重的行車事故,為此繪制了各斷面右線中心與路線中心的沉降對比如圖6所示。由圖6可知,C2斷面和C3斷面的沉降變化隨時間變化較均勻,右線中心與路線中心的沉降曲線近似平行;由于C3斷面下方存在采空區,C3斷面路線中心沉降大于C2斷面;C3斷面右線路面整體向路線中心傾斜。C1斷面處路線中心沉降增長速率明顯大于右線中心沉降增長速率,C1斷面處路面向路線中心方向產生了較大的整體傾斜,由此可以判斷,C1斷面沉降變化幅度受交通荷載與采空區的影響較大。

圖6 C1、C2和C3斷面右線中心與線路中心沉降對比

4 結語

以萍鄉中環東路采空區路段為研究背景,對下伏采空區處治后的路基開展實時沉降監測,為施工階段與運營維護階段提供技術指導,得到結論如下:

(1) 通過陣列位移計自行監測與自行研制的小型北斗信號接收機監測結合,可有效監測下伏采空區路基沉降數據。

(2) 通過分析陣列位移計沉降結果可知,萍鄉中環東路通車后路基沉降量逐漸增大,且呈現先快后慢的發展趨勢;C2、C3斷面沉降量接近,C1斷面沉降量受交通荷載影響較大,為保障行車安全,應對下方采空區進行加固處理,同時控制隧道出口處的行車速度。

(3) 通過實時監測右線中心與路線中心沉降數據,C1至C3斷面均向路線中心發生了不同程度的傾斜,其中C1斷面傾斜角度較大,應對C1斷面路線中心處進行加固處理,防止路面進一步傾斜。