張向陽，任尚磊，徐 敏，周騰飛

1. 安徽理工大學 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001；2. 中國礦業(yè)大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3. 山東科技大學 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室，山東 青島 266590；4. 淮南礦業(yè)集團 張集煤礦，安徽 淮南 232001 )

隨著我國城鎮(zhèn)化和現(xiàn)代化進程的加快，一些基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、便民服務(wù)建設(shè)等需要大量的建設(shè)用地，許多項目建設(shè)和施工不可避免地穿過煤礦塌陷區(qū)，因此近年來許多地區(qū)開始了塌陷區(qū)土地開發(fā)利用等相關(guān)研究[1-7]。公路作為居民出行和貨物運輸?shù)闹饕袚撸?wù)水平的高低對人們的生活水平和區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。相關(guān)研究表明[8-9]，煤礦塌陷區(qū)上方公路是否能滿足交通需求，主要取決于公路路基沉降及變形程度，但國內(nèi)外對塌陷區(qū)路基沉降變形規(guī)律研究較少，為確保塌陷區(qū)上方公路建設(shè)及運營維護的合理性，本文結(jié)合相似模擬及數(shù)值模擬對塌陷區(qū)公路路基沉降變形規(guī)律進行探究分析。

1 工程概況

以淮南某淺埋厚煤層礦區(qū)為研究背景，該礦區(qū)地處淮河中游，地形平坦，地理位置優(yōu)越，礦區(qū)面積較大且距城鎮(zhèn)較近，附近居民眾多，對交通需求較高。隨著時間的積累，在淺埋厚煤層開采影響下該區(qū)域內(nèi)形成大面積塌陷區(qū)，而為了區(qū)域發(fā)展需要，塌陷區(qū)內(nèi)多條公路需要修建及維護。因此，本文結(jié)合該淺埋厚煤層開采后形成的塌陷區(qū)地質(zhì)條件對公路變形規(guī)律進行詳細的分析及探討。

煤層采動后原巖應(yīng)力平衡被打破，表現(xiàn)為上覆巖層不斷垮落下沉并自下而上依次形成垮落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶，影響傳遞直至地表并在地表形成塌陷區(qū)，經(jīng)一段時間穩(wěn)定后重新達到新的應(yīng)力平衡[10-11]，塌陷區(qū)各巖層移動破壞如圖1所示。塌陷區(qū)巖層存在巖性破碎、承載能力不足、易活化變形等特點，在塌陷區(qū)上方進行公路建設(shè)修護時易引起下方巖層的再次活化，進而對路基穩(wěn)定性產(chǎn)生極大威脅[12-16]。為進行塌陷區(qū)路基沉降規(guī)律研究，本文通過相似模擬與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對采動結(jié)束后形成的塌陷區(qū)進行監(jiān)測模擬，待模型穩(wěn)定后進行塌陷區(qū)不同等級公路鋪設(shè)模擬分析。

圖1 煤層開采覆巖移動破壞效果示意 Fig. 1 Effect diagram of overlying rock movement failure in coal seam mining

2 相似模擬試驗分析

2.1 相似模擬試驗鋪設(shè)過程

相似模擬試驗研究首先對塌陷區(qū)構(gòu)造進行模擬，基于此進行上覆公路鋪設(shè)模擬，通過不同等級及施載位置對比探究塌陷區(qū)上覆公路路基沉降變形規(guī)律。該礦區(qū)煤層采深95.1 m，開采均厚5 m，屬淺埋厚煤層，采動結(jié)束后塌陷區(qū)特征較為顯著。試驗通過分析模型表面十字布點法所布置的位移測點，觀測塌陷區(qū)及路基變化情況，并利用Getdata等相關(guān)軟件處理采集到的信息，得到相應(yīng)的沉降變形數(shù)據(jù)。

試驗選取塌陷區(qū)外邊緣區(qū)、內(nèi)邊緣區(qū)及中部區(qū)域等不同位置進行對比試驗；通過查閱資料并考慮實際試驗條件將公路鋪設(shè)模擬分為3個等級，以施加荷載形式進行模擬對比研究，荷載施加分別為0，0.25，0.50 MPa。荷載鋪設(shè)過程如圖2所示，圖2( a )為在塌陷區(qū)進行0.25 MPa等效公路荷載模擬，塌陷區(qū)外側(cè)、邊緣及中部位置處分別為A，A*，B，B*，C，C*；圖2( b )為在塌陷區(qū)上方不同位置處進行0.5 MPa荷載模擬，塌陷區(qū)外側(cè)、邊緣及中部位置分別為D，D*，E，E*，F(xiàn)，F(xiàn)*。

圖2 塌陷區(qū)不同位置施加荷載對比 Fig. 2 Comparison of loads applied at different positions in the subsidence area

2.2 相似模擬結(jié)果分析

2.2.1 荷載影響下塌陷區(qū)路基沉降變形規(guī)律

塌陷區(qū)形成初期巖層并不穩(wěn)定，存在一定程度的變形空間；塌陷區(qū)經(jīng)自我穩(wěn)定階段后在無較大活動干擾下會達到新的平衡狀態(tài)，并具有一定的承載能力，而在其上部進行公路建設(shè)則存在打破巖層應(yīng)力平衡的風險，進而導致路基產(chǎn)生相應(yīng)破壞。如圖3所示，公路荷載為0.25 MPa時路基最大沉降值為0.19 m，在荷載為0.50 MPa時下沉量達0.53 m。公路等級越高塌陷區(qū)變形程度越大，且隨著荷載的增加，路基由原來的單極值變形逐漸變?yōu)槎帱c共同沉降。因此，公路建設(shè)等級越高路基變形范圍也相應(yīng)擴大，在一定程度上降低了公路服務(wù)水平，給公路使用者的安全帶來極大風險。此外，下沉空間主要以路基下方孔洞及裂隙為主，公路等級過高會造成塌陷區(qū)失穩(wěn)活化。因此，在塌陷區(qū)進行公路建設(shè)需對施工條件進行詳細分析，再結(jié)合塌陷區(qū)實際地質(zhì)條件進行合理的公路等級設(shè)計和規(guī)劃，以規(guī)避后期施工及運營過程中所存在的風險。

圖3 不同等級公路影響下路基沉降變形數(shù)據(jù) Fig. 3 Subgrade settlement deformation data under the influence of different grade of highway

2.2.2 塌陷區(qū)不同位置處路基變形規(guī)律

由圖4塌陷區(qū)不同位置變形效果及相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，在塌陷區(qū)上方施加0.25 MPa荷載時，塌陷區(qū)中部和左右兩側(cè)路基產(chǎn)生了不同程度的沉降變形，塌陷區(qū)左邊緣沉降值為0.12 m，右邊緣沉降值為0.09 m，左側(cè)沉降略大于右側(cè)，沉降差值為0.03 m，而塌陷區(qū)邊緣外側(cè)影響較小，塌陷區(qū)中部沉降值約為0.19 m，高于兩側(cè)0.08 m左右；塌陷區(qū)上方公路荷載為0.50 MPa時，路基進一步變形，左邊緣路基沉降值達0.18 m，右邊緣沉降值為0.16 m，中部沉降值達0.53 m，沉降值大于兩側(cè)邊緣區(qū)。此外，結(jié)合相關(guān)資料[17]及模擬結(jié)果可知，荷載施加使原本較為平整的邊緣區(qū)逐漸變成具有一定坡度的坡狀結(jié)構(gòu)，在一定程度上對公路坡度產(chǎn)生影響。

由圖4的監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，塌陷區(qū)中部路基沉降值高于兩側(cè)邊緣區(qū)，但塌陷區(qū)中部區(qū)域沉降較為均勻，且能保持較高的完整性；中部路基水平移動值較小，裂隙發(fā)育不明顯，表明中部區(qū)域路基受拉張破壞程度較低，對交通影響程度較小。

圖4 不同公路荷載下塌陷區(qū)路基變形效果 Fig. 4 Effect map of subgrade deformation in subsidence area under different highway loads

煤層由左側(cè)開切眼向右循環(huán)回采，在煤層不斷推進的過程中近開切眼一側(cè)受周期來壓影響較大，裂隙自下而上發(fā)育的過程中采場左側(cè)塌陷區(qū)與邊緣區(qū)外側(cè)巖層連接程度較弱，因此在塌陷區(qū)上方進行公路建設(shè)后，在荷載作用下原本分散且繁雜的左邊緣區(qū)縱向裂隙呈貫通發(fā)育趨勢，并于路基處向下反向延深擴張，路基受影響產(chǎn)生較大的剪切裂縫。隨著公路荷載的增加塌陷區(qū)活化變形程度加大，此時路基剪切裂縫相應(yīng)增大，甚至出現(xiàn)臺階式下沉破壞，嚴重破壞了路基的整體性。

煤層右邊緣為終采線一側(cè)，該側(cè)裂隙數(shù)目及開裂程度較輕，巖層連接性較強，裂縫多為單獨發(fā)育，未見大面積裂縫群現(xiàn)象，該側(cè)塌陷區(qū)承載能力及抗變形能力較強，在塌陷區(qū)上方公路建設(shè)的影響下，左邊緣區(qū)裂隙貫通后右邊緣區(qū)裂縫仍呈單獨裂縫狀，因此右邊緣區(qū)路基變形程度輕于左邊緣區(qū)。此外，模擬表明邊緣區(qū)外側(cè)路基破壞主要由內(nèi)部區(qū)域下沉引起的拉張破壞，而邊緣區(qū)內(nèi)側(cè)路基則以擠壓變形破壞為主。

3 數(shù)值模擬試驗分析

根據(jù)淮南某礦實際地質(zhì)條件，建立FLAC3D數(shù)值模型，模擬縱向長度取300 m，橫向?qū)挾热?00 m，煤層采深為95 m，采厚設(shè)為5 m，煤層下設(shè)20 m巖層?？紤]模擬的可行性并結(jié)合相關(guān)資料，塌陷區(qū)上方公路進行4個等級鋪設(shè)模擬，主要以施加荷載的方式進行對比研究，荷載分別為0.125，0.250，0.375，0.500 MPa，模型效果如圖5所示。根據(jù)現(xiàn)場取樣和巖石力學試驗結(jié)果，各巖層物理參數(shù)見表1。

表1 煤巖力學參數(shù) Table 1 Mechanical parameters of coal and rock

圖5 塌陷區(qū)公路施工建設(shè)數(shù)值模擬 Fig. 5 Numerical simulation diagram of highway construction in subsidence area

3.1 塌陷區(qū)路基位移結(jié)果分析

3.1.1 塌陷區(qū)路基垂直位移結(jié)果分析

塌陷區(qū)路基沉降位移模擬結(jié)果如圖6所示，路 基垂直位移極值位于塌陷區(qū)中部，且中部最先出 現(xiàn)變化并向兩側(cè)邊緣區(qū)蔓延減小，在距塌陷區(qū)較 遠處影響消失。荷載為0.125 MPa時路基最大沉降值為7.63 cm，荷載為0.250 MPa時路基最大沉降值 為7.76 cm，荷載為0.375 MPa時路基最大沉降值為14.72 cm，荷載增至0.500 MPa時路基最大沉降值達22.33 cm。結(jié)果表明塌陷區(qū)自我穩(wěn)定后存在一定的承載能力，在塌陷區(qū)上方進行一定等級的公路建設(shè)路基沉降值較小，而公路荷載超過一定程度會引起塌陷區(qū)活化進而引起路基產(chǎn)生較大變形，甚至公路出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性或功能性損壞。此外，隨著塌陷區(qū)上方荷載的增加，路基沉降變形范圍也逐漸加大，甚至出現(xiàn)路基破斷等問題，影響路基結(jié)構(gòu)的整體性，降低公路的安全性。

圖6 不同荷載影響下塌陷區(qū)路基垂直位移數(shù)據(jù) Fig. 6 Vertical displacement data of subgrade in subsidence area under different loads

3.1.2 塌陷區(qū)路基水平位移結(jié)果分析

路基抵抗拉伸的能力遠低于抵抗壓縮變形的能力，較小的地表拉伸就可導致路基產(chǎn)生裂縫，路基水平方向移動表征了路基沿縱向斷面拉伸變形趨勢。塌陷區(qū)路基水平方向位移模擬結(jié)果如圖7所示，在路基荷載為0.125 MPa時，最大移動值為1.86 cm，最大值位于距邊界106 m處；荷載為0.250 MPa時，最大移動值為1.96 cm，最大值位于距邊界104 m處；荷載為0.375 MPa時，最大移動值為2.95 cm，最大值位于距邊界102 m處；荷載為0.500 MPa時最大移動值變?yōu)?.24 cm，最大值位于距邊界100 m處。由此可知路基水平方向位移主要產(chǎn)生在塌陷區(qū)邊緣區(qū)，且隨荷載增加變形極值更接近塌陷區(qū)邊界。此外，塌陷區(qū)中部位移較小，移動峰值位于邊緣區(qū)，且以塌陷區(qū)中部為界呈反向趨勢，位移主要由塌陷區(qū)外側(cè)指向塌陷區(qū)內(nèi)部，因此邊緣區(qū)位置易產(chǎn)生拉裂縫，而邊緣區(qū)內(nèi)部則會產(chǎn)生相應(yīng)的擠壓變形，且公路荷載越大，路基拉伸擠壓程度越高，嚴重影響了路基的整體性與平整性。

圖7 不同荷載影響下塌陷區(qū)路基水平位移數(shù)據(jù) Fig. 7 Horizontal displacement data of subgrade in subsidence area under different loads

3.1.3 塌陷區(qū)路基側(cè)向位移結(jié)果分析

路基變形破壞除垂直沉降引起路基沉陷、垮塌和縱向擠壓拉伸引起路基產(chǎn)生坑槽、裂縫外還易產(chǎn)生側(cè)向移動變形，而側(cè)向位移也是引起路基失穩(wěn)、邊坡坍塌的重要因素[18-19]。塌陷區(qū)路基側(cè)向位移變形效果如圖8所示，路基位移主要產(chǎn)生在兩側(cè)位置，且變形破壞呈對稱分布，路堤單側(cè)變形主要分布在塌陷區(qū)邊緣區(qū)域邊界處。公路荷載較小時變形分布區(qū)域較廣，變形程度較小對路基穩(wěn)定性影響程度不大，但隨著荷載的增大，變形程度逐漸增大，且變形逐漸呈集中化、區(qū)域化的發(fā)展趨勢，變形主要集中于塌陷區(qū)兩側(cè)邊緣區(qū)的外側(cè)A、中部B處及內(nèi)側(cè)C等3點。在邊緣區(qū)外側(cè)A處路基產(chǎn)生由外部指向內(nèi)部的壓縮變形，在邊緣區(qū)B處壓縮變形達到極值，塌陷區(qū)C處變形值為3處最大，但該處路堤變形由向內(nèi)的收縮變形轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛲獾墓拿涀冃?。因此，在塌陷區(qū)不同位置處應(yīng)針對路基不同變形的受力特點采取針對性的防護措施。

圖8 塌陷區(qū)路基側(cè)向變形規(guī)律 Fig. 8 Lateral deformation regularity diagram of subgrade in subsidence area

3.2 塌陷區(qū)路基應(yīng)力結(jié)果分析

3.2.1 塌陷區(qū)路基垂直應(yīng)力結(jié)果分析

塌陷區(qū)路基垂直方向應(yīng)力模擬結(jié)果如圖9所示，應(yīng)力變化主要位于塌陷區(qū)邊緣區(qū)，并隨著荷載的增加應(yīng)力逐漸向周圍擴散。由路基垂直應(yīng)力分布數(shù)據(jù)可知，隨著荷載的增加，路基應(yīng)力分布逐漸紊亂，波動范圍和程度逐漸加劇，且在兩側(cè)塌陷區(qū)盆地邊緣產(chǎn)生應(yīng)力極值，表明在同等荷載下塌陷區(qū)兩側(cè)邊緣區(qū)路基變化復雜，需進行重點處理。

圖9 不同荷載影響下塌陷區(qū)路基垂直應(yīng)力數(shù)據(jù) Fig. 9 Data diagram of vertical stress of subgrade in subsidence area under different loads

3.2.2 塌陷區(qū)路基水平應(yīng)力結(jié)果分析

塌陷區(qū)路基水平方向應(yīng)力模擬結(jié)果如圖10所示，荷載邊緣區(qū)外側(cè)受拉應(yīng)力而內(nèi)側(cè)受壓應(yīng)力，且壓應(yīng)力較大，表明路基擠壓變形較為嚴重。荷載水平應(yīng)力極值主要集中于塌陷區(qū)邊緣區(qū)內(nèi)側(cè)，并隨著荷載的增加應(yīng)力逐漸向邊緣區(qū)外側(cè)移動，表明隨著荷載的增加水平移動范圍逐漸增大，應(yīng)力極值逐漸向外發(fā)育。路基在外邊界處產(chǎn)生拉應(yīng)力極值，且路基抗拉能力遠低于其抗壓能力，因此在塌陷區(qū)邊緣處路基極易產(chǎn)生拉張破壞導致的裂隙、裂斷，嚴重破壞路基結(jié)構(gòu)的完整性，降低道路使用壽命。相關(guān)研究表明，較小的水平移動對路基破壞程度較輕，對道路服務(wù)水平影響較低，而水平移動過大路基會產(chǎn)生拉伸破壞，甚至裂縫擴張到一定程度后產(chǎn)生臺階式斷裂，嚴重影響行車的速度及安全。

圖10 不同荷載影響下塌陷區(qū)路基水平應(yīng)力數(shù)據(jù) Fig. 10 Data diagram of horizontal stress of subgrade in subsidence area under different loads

3.2.3 塌陷區(qū)路基側(cè)向應(yīng)力結(jié)果分析

路基側(cè)向應(yīng)力分布模擬結(jié)果如圖11所示，荷載影響下側(cè)向應(yīng)力變化主要位于塌陷區(qū)邊緣區(qū)內(nèi)側(cè)。應(yīng)力極值主要為邊緣區(qū)外側(cè)和內(nèi)側(cè)2處，呈方向相反大小不等的趨勢，荷載較小時邊緣區(qū)外側(cè)應(yīng)力較大，隨著荷載的增加在邊緣區(qū)內(nèi)側(cè)應(yīng)力逐漸超過外側(cè)應(yīng)力。由此可知在塌陷區(qū)進行公路建設(shè)時應(yīng)對塌陷區(qū)邊緣區(qū)內(nèi)、外側(cè)路堤進行重點保護。

圖11 不同荷載影響下塌陷區(qū)路基側(cè)向應(yīng)力數(shù)據(jù) Fig. 11 Lateral stress data of subgrade in subsidence area under different loads

3.3 塌陷區(qū)路基塑性區(qū)變化結(jié)果分析

由圖12可知，塑性區(qū)主要分布在邊緣位置，隨著荷載的增加路基破壞程度逐漸增大，并逐漸向中部轉(zhuǎn)移。塌陷區(qū)上方進行公路施工建設(shè)在一定程度上會加劇塌陷區(qū)活化變形，由于路基存在一定的抗變形能力，因此路基變形存在一定的滯后性，但塌陷區(qū)變形程度過高或超出路基抗變形能力，路基即會產(chǎn)生相應(yīng)變形破壞。荷載較小時塌陷區(qū)中部下沉，但路基仍會保持一定的完整性，隨著荷載增加到一定值時，路基與塌陷區(qū)逐漸產(chǎn)生離層現(xiàn)象，并隨著荷載的繼續(xù)增加，離層范圍及離層程度逐漸增大。

圖12 不同荷載影響下塌陷區(qū)路基塑性區(qū)破壞 Fig. 12 Failure diagram of plastic zone of subgrade under the influence of different loads

邊緣區(qū)公路破壞以集中式為主。荷載較小時邊緣區(qū)路基破壞主要發(fā)生在路基底部與塌陷區(qū)表面結(jié)合處，由于塌陷區(qū)邊緣沉降存在一定坡度，與路基契合度降低，因此易在邊緣區(qū)產(chǎn)生集中式破壞。隨著荷載的增加，破壞程度逐漸增加，且破壞逐漸向路基頂部蔓延。荷載增加到一定程度時，路基產(chǎn)生張裂破壞，破壞了公路的完整性，甚至引起積水現(xiàn)象，嚴重降低了公路的使用壽命和服務(wù)水平。

4 結(jié) 語

( 1 ) 塌陷區(qū)上方進行公路建設(shè)活動易引起下方巖層的活化失穩(wěn)，進而導致路基產(chǎn)生相應(yīng)的變形破壞。試驗表明公路荷載越大路基內(nèi)部應(yīng)力波動程度越大，范圍越廣，路基移動變形程度越高。塌陷區(qū)公路建設(shè)和維護時，應(yīng)對公路規(guī)格進行詳細設(shè)計。

( 2 ) 塌陷區(qū)中部路基垂直沉降值高于兩側(cè)邊緣區(qū)，但受塌陷區(qū)特點影響中部區(qū)域路基沉降較均勻，能夠保持一定的整體性，路基水平變形程度較小，開裂等破壞現(xiàn)象不明顯。

( 3 ) 路基水平變形主要發(fā)生在塌陷區(qū)邊緣處，由于近開切眼一側(cè)在周期來壓影響下不斷被壓實，裂隙發(fā)育程度較高，破壞程度高于終采線一側(cè)。

( 4 ) 路基側(cè)向變形相對于垂直沉降和水平位移而言變形程度較輕，變形主要發(fā)生在路基兩側(cè)且呈對稱分布，影響呈區(qū)域化和集中化。邊緣區(qū)外側(cè)及中部路基主要產(chǎn)生壓縮變形，而邊緣區(qū)內(nèi)側(cè)則產(chǎn)生由內(nèi)向外的鼓脹變形。

( 5 ) 模擬表明路基破壞主要分布在塌陷區(qū)中部及邊緣區(qū)位置處，中部路基破壞主要表現(xiàn)為路基基床離層，但在一定程度上能保持其完整性，而邊緣區(qū)路基主要為拉張破壞，易產(chǎn)生張裂變形，嚴重破壞了路基的整體性。因此，在前期施工建設(shè)和后期運營中應(yīng)針對其不同特點采取相應(yīng)的防護措施。