任連偉，寧 浩，鄒友峰，頓志林，郭文兵，田忠斌

(1.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000; 2.河南省采空區(qū)場(chǎng)地生態(tài)修復(fù)與建設(shè)技術(shù)工程研究中心，河南 焦作 454000; 3.河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000; 4.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000; 5.山西省煤炭地質(zhì)物探測(cè)繪院，山西 晉中 030600)

采空區(qū)是指地下開(kāi)采空間圍巖失穩(wěn)而產(chǎn)生位移、開(kāi)裂、破碎垮落，直到上覆巖層整體下沉、彎曲所引起的地表變形和破壞的區(qū)域及范圍[1]。當(dāng)采空區(qū)場(chǎng)地上建設(shè)有高速鐵路時(shí)，采空區(qū)地基在列車(chē)密集動(dòng)荷載的長(zhǎng)期作用下會(huì)加劇正在發(fā)生的沉降，甚至使已穩(wěn)定的采空區(qū)地基重新發(fā)生“活化”變形，加劇地基變形。然而高速鐵路采空區(qū)地基的沉降將會(huì)誘發(fā)一個(gè)嚴(yán)重的工程災(zāi)害——高速鐵路路基變形，這將會(huì)嚴(yán)重影響高速鐵路的運(yùn)行和行車(chē)安全。

目前我國(guó)正處于高速鐵路快速發(fā)展的時(shí)期，隨著合肥—福州、太原—焦作線(xiàn)路的鋪設(shè)竣工及通車(chē)運(yùn)營(yíng)，高速鐵路采空區(qū)場(chǎng)地路基變形問(wèn)題越來(lái)越引發(fā)人們的關(guān)注。如何精確分析和評(píng)價(jià)高速鐵路采空區(qū)場(chǎng)地路基在列車(chē)循環(huán)動(dòng)荷載作用下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，是目前面臨的重大問(wèn)題。對(duì)于高速鐵路采空區(qū)場(chǎng)地路基變形控制的研究，在國(guó)內(nèi)外尚屬于比較新穎的課題，也是一個(gè)世界性難題，對(duì)于該方面的研究成果在國(guó)內(nèi)外都比較零散。然而高速鐵路路基動(dòng)力學(xué)問(wèn)題以及采空區(qū)地表變形問(wèn)題的研究比較多，但一直以來(lái)2者都是相對(duì)孤立的體系。因此，有必要先回顧2者的研究發(fā)展歷程，對(duì)2者以往的研究?jī)?nèi)容和方法進(jìn)行總結(jié)，然后重點(diǎn)介紹當(dāng)前采空區(qū)場(chǎng)地高速鐵路路基變形的研究?jī)?nèi)容、采空區(qū)地基治理技術(shù)以及提出存在的問(wèn)題與展望。

1 高速鐵路路基動(dòng)力學(xué)

1.1 高速鐵路路基動(dòng)力學(xué)的理論模型

發(fā)展至今，高速鐵路路基動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的研究不再是傳統(tǒng)的獨(dú)立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析方法，已經(jīng)基本采用耦合動(dòng)力學(xué)方法，目前常用模型為車(chē)輛-軌道-路基垂向耦合模型。

劉學(xué)毅等[2]應(yīng)用Winkler的彈性地基梁模型首先研究了鋼軌的動(dòng)應(yīng)力問(wèn)題，然后認(rèn)為軌枕和道床會(huì)隨之發(fā)生振動(dòng)響應(yīng)，綜合以上考慮構(gòu)建了連續(xù)彈性支承三層疊合梁模型，如圖1所示。

圖1 連續(xù)彈性支承三層疊合梁模型Fig.1 Three layers-beam model with continuous elastic support

由于現(xiàn)實(shí)中鋼軌間斷支承于軌枕上，軌道簡(jiǎn)化為連續(xù)彈性支承梁不符合實(shí)際情況，進(jìn)而由連續(xù)彈性支承梁模型轉(zhuǎn)化成不連續(xù)彈性點(diǎn)支承梁模型[2]，如圖2所示。

圖2 不連續(xù)彈性點(diǎn)支承模型Fig.2 Discontinuous elastic point support model

后來(lái)開(kāi)始輪軌動(dòng)力方面問(wèn)題的研究，為了研究列車(chē)的一些基本特性參數(shù)對(duì)輪-軌動(dòng)力作用的影響，JENKINS等[3]建立了連續(xù)彈性基礎(chǔ)支撐歐拉梁理論，并在此基礎(chǔ)上提出了“輪-軌”動(dòng)力模型，如圖3所示。

圖3 “輪-軌”動(dòng)力模型Fig.3 “Wheel-rail” dynamic model

佐藤裕等[4]提出了Sato“半車(chē)-軌道”集總參數(shù)模型，如圖4所示。

圖4 “半車(chē)-軌道”集總參數(shù)模型Fig.4 Half-vehicle/rail lumped parameter model

隨著該領(lǐng)域研究的不斷深入和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷更新，人們逐漸關(guān)注機(jī)車(chē)車(chē)輛與軌道動(dòng)力的影響。將車(chē)輛簡(jiǎn)化為單輪對(duì)，車(chē)輛其他元素忽略不計(jì)，雖然大幅度降低了計(jì)算工作量，但是難免導(dǎo)致分析誤差。后來(lái)有國(guó)外學(xué)者分析了車(chē)輛相鄰輪對(duì)之間的動(dòng)力耦合關(guān)系，如圖5所示。結(jié)果表明，相鄰輪對(duì)相互動(dòng)力作用十分明顯，對(duì)彼此輪位處軌道位移影響較大，所以將車(chē)輛簡(jiǎn)化為單輪對(duì)模型是不精確的[5]。

圖5 相鄰輪對(duì)相互影響的動(dòng)力模型Fig.5 Dynamic model of interaction between adjacent wheelsets

翟婉明等[6]通過(guò)對(duì)軌道使用脈沖激擾而引起振動(dòng)，研究發(fā)現(xiàn)了激勵(lì)作用點(diǎn)位置前后相鄰3個(gè)軌枕范圍內(nèi)振動(dòng)明顯。至此，從單輪對(duì)模型發(fā)展為“單側(cè)轉(zhuǎn)向架模型”和“半車(chē)模型”[2]，如圖6所示。

圖6 單側(cè)轉(zhuǎn)向架模型和半車(chē)模型Fig.6 Bogie model and half vehicle model

后期考慮到軌面存在連續(xù)正弦型不平順，在“半車(chē)模型”的基礎(chǔ)上發(fā)展了“整車(chē)-有砟軌道”垂向統(tǒng)一模型，如圖7所示。

圖7 車(chē)輛-有砟軌道垂向耦合模型Fig.7 Train-ballast track vertical coupled system

周廣新等[7]回顧了車(chē)輛-軌道-路基垂向耦合模型發(fā)展歷史。總結(jié)發(fā)現(xiàn)，列車(chē)相鄰車(chē)廂相鄰轉(zhuǎn)向架的車(chē)輪荷載疊加效果明顯，而同一車(chē)廂前、后轉(zhuǎn)向架的車(chē)輪荷載之間的疊加可以忽略不計(jì)[8]，并在此基礎(chǔ)上提出了“兩車(chē)半模型”。

研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)列車(chē)速度接近瑞利波速時(shí)或者車(chē)輪重復(fù)荷載作用頻率與路基固有頻率接近時(shí)，路基振動(dòng)有明顯加劇現(xiàn)象，因此路基的振動(dòng)問(wèn)題理應(yīng)得到重視[2];隨著高鐵線(xiàn)路通過(guò)采空區(qū)、軟土地區(qū)等不良地基，人們?nèi)找骊P(guān)注路基沉降的影響，在“車(chē)輛-軌道模型”的基礎(chǔ)上發(fā)展為“車(chē)輛-軌道-路基耦合作用模型”[2](圖8)。

圖8 車(chē)輛-軌道-路基耦合作用模型Fig.8 Coupling model of vehicle-track-subgrade

1.2 高速鐵路路基動(dòng)力響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

對(duì)于高速鐵路路基動(dòng)力響應(yīng)的研究，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)是最有效、直觀的方法。國(guó)內(nèi)外積累了一定的高速鐵路路基動(dòng)力響應(yīng)實(shí)測(cè)資料。DEGRANDE等[9]對(duì)列車(chē)以223～314 km/h運(yùn)行時(shí)的地基振動(dòng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，并結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制了速度時(shí)程和頻域曲線(xiàn)圖，后期獲取了地基參數(shù)和軌道-地基傳遞函數(shù)等。屈暢姿等[10]對(duì)武廣高速某綜合試驗(yàn)段路基進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，獲取了路基在列車(chē)動(dòng)荷載作用下的豎向振動(dòng)加速度和動(dòng)應(yīng)力幅值，得出了該段路基動(dòng)應(yīng)力的分布規(guī)律。趙國(guó)堂等[11]通過(guò)對(duì)某新建高速鐵路路基CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道線(xiàn)路進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，如圖9所示。在施工段將測(cè)試元件預(yù)先埋設(shè)于無(wú)砟軌道內(nèi)部，獲得了扣件反力以及軌道結(jié)構(gòu)荷載的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了現(xiàn)場(chǎng)無(wú)砟軌道車(chē)輛荷載橫向傳遞規(guī)律。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試元件布置[11]Fig.9 Field test component layout[11]

1.3 高速鐵路路基動(dòng)力模型試驗(yàn)

在模型試驗(yàn)方面，人們最初是采用等效靜荷載代替列車(chē)動(dòng)荷載的。后來(lái)隨著該領(lǐng)域理論研究的突破和機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，使用激振器來(lái)模擬列車(chē)動(dòng)荷載是目前最有效的方式。此外，相似比尺選取的不同將會(huì)影響整個(gè)試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)也決定了試驗(yàn)操作的難易程度。

詹永祥等[12]建立了相似比尺為1∶12的室內(nèi)模型試驗(yàn)，通過(guò)激振器來(lái)模擬列車(chē)荷載，主要研究了無(wú)砟軌道樁板結(jié)構(gòu)路基在持續(xù)激勵(lì)荷載下的動(dòng)力和變形特性。ISHIKAWAI等[13]建立了相似比尺為1∶5的室內(nèi)鐵路路基模型，如圖10所示。通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)列車(chē)循環(huán)動(dòng)荷載作用下有砟軌道路基的沉降發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了研究。

圖10 日本有砟軌道模型試驗(yàn)裝置Fig.10 Experiment of ballast track in Japan

孔綱強(qiáng)等[14]建立了相似比尺為1∶5的樁-筏復(fù)合地基模型，如圖11所示。通過(guò)對(duì)X 形樁-筏復(fù)合地基施加不同頻率的激振力，研究了激振頻率對(duì)該類(lèi)型復(fù)合地基動(dòng)力響應(yīng)。

周穎等[15]建立了相似比尺為1∶4的軌道-路基模型，如圖12所示。開(kāi)展了不同激振頻率工況下模型體系的動(dòng)力試驗(yàn)，測(cè)試并分析了路基模型不同位置處的加速度反應(yīng)等，確定了試驗(yàn)?zāi)Ｐ腕w系一階固有頻率。

圖12 同濟(jì)大學(xué)1∶4無(wú)砟軌道路基模型Fig.12 1∶4 ballastless track subgrade model of Tongji University

SHAER等[16]構(gòu)建相似比尺為1∶3的室內(nèi)有砟軌道路基模型，如圖13所示。試驗(yàn)重點(diǎn)研究了路基的累積沉降與軌枕動(dòng)加速度的關(guān)系。

圖13 法國(guó)1∶3有砟軌道路基模型Fig.13 1∶3 model of ballasted track subgrade in France

邊學(xué)成等[17]創(chuàng)造性地提出了“假車(chē)真路”的想法，建立了相似比尺為1∶1的鐵路基試驗(yàn)平臺(tái)，如圖14所示。該平臺(tái)可以模擬最高時(shí)速360 km/h列車(chē)對(duì)路基的動(dòng)力荷載，重點(diǎn)研究了高鐵路基內(nèi)部動(dòng)應(yīng)力放大效應(yīng)及沿深度衰減規(guī)律等。

圖14 浙江大學(xué)1∶1無(wú)砟軌道路基試驗(yàn)平臺(tái)Fig.14 1∶1 Ballastless track subgrade test platform of Zhejiang University

王啟云等[8]建立了相似比尺為1∶1的室內(nèi)高速鐵路-路基模型，如圖15所示。通過(guò)采用5個(gè)作動(dòng)器聯(lián)動(dòng)加載有效地模擬了列車(chē)動(dòng)荷載。為了得到作動(dòng)器的輸入時(shí)程曲線(xiàn)，先通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得到了扣件反力的時(shí)程曲線(xiàn)，然后將該曲線(xiàn)通過(guò)疊加和傅里葉變換進(jìn)行導(dǎo)出。

圖15 中南大學(xué)1∶1無(wú)砟軌道模型試驗(yàn)平臺(tái)Fig.15 1∶1 Ballastless track model test platform of Central South University

1.4 高速鐵路路基數(shù)值模擬

一般對(duì)有條件進(jìn)行試驗(yàn)的，盡量采用模型試驗(yàn)法，然后利用數(shù)值模擬進(jìn)行對(duì)照檢驗(yàn)。對(duì)于一些受多種因素影響且材料復(fù)雜、幾何形狀不規(guī)則的模型往往難以進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)此數(shù)值模擬卻可以有效地解決。在高速鐵路路基動(dòng)力學(xué)問(wèn)題研究中，數(shù)值模擬常常采用有限元法，目前比較流行的有限元數(shù)值建模軟件有:ABAQUS,ANSYS,FLAC3D,Midas/GTS NX等。

為了研究高速鐵路列車(chē)動(dòng)荷載與路基系統(tǒng)的相互作用機(jī)理，董亮等[18]借助ABAQUS有限元軟件合理地導(dǎo)入三維一致黏彈性人工邊界，建立了無(wú)砟軌道-路基三維有限元模型，并將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了人工邊界和參數(shù)取值的合理性與可靠性。宋小林等[19]借助ANSYS有限元軟件建立了高速鐵路無(wú)砟軌道-路基結(jié)構(gòu)動(dòng)力三維有限元模型，研究了高鐵動(dòng)荷載作用下軌道和路基垂直位移的分布規(guī)律，并比較了軌道不平順性和斷面位置位移分布的影響規(guī)律。郭志廣等[20]在武廣高速鐵路某段無(wú)砟軌道路基典型斷面進(jìn)行了動(dòng)力特性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并利用了FLAC3D軟件建立了CRH2型列車(chē)相鄰轉(zhuǎn)向架荷載作用下的無(wú)砟軌道-路基三維有限差分模型，結(jié)果表明基于該軟件的人工邊界處理以及使用激振力函數(shù)模擬列車(chē)的動(dòng)荷載作用是可行的。何國(guó)輝等[21]利用Midas/GTS NX有限元軟件建立了高速鐵路地基-地裂縫-路堤動(dòng)力三維動(dòng)力耦合模型，重點(diǎn)分析了高鐵動(dòng)荷載作用下有、無(wú)地?cái)嗔褞烊坏鼗系穆坊鶆?dòng)力響應(yīng)規(guī)律。

綜上所述，對(duì)于高速鐵路路基動(dòng)力學(xué)研究，從理論模型上，體系逐漸完善，從最初的最簡(jiǎn)單軌道模型發(fā)展為“車(chē)輛-軌道-路基耦合作用模型”;從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)上，監(jiān)測(cè)儀器更加多元化、智能化和精確化，監(jiān)測(cè)內(nèi)容更加廣泛;從模型試驗(yàn)上，從開(kāi)始大比尺的小模型試驗(yàn)逐漸發(fā)展成實(shí)尺的大模型試驗(yàn)，并且采用更加有效的高鐵動(dòng)荷載加載措施，使得試驗(yàn)結(jié)果更加可靠，更接近真實(shí)情況;在數(shù)值模擬上，各大有限元軟件均可以有效地模擬高速鐵路路基的動(dòng)力響應(yīng)，并可以得出合理的結(jié)果來(lái)說(shuō)明相應(yīng)的科學(xué)問(wèn)題。

2 采空區(qū)地表變形的研究

2.1 采場(chǎng)覆巖及地表移動(dòng)變形理論

采場(chǎng)覆巖及地表移動(dòng)變形問(wèn)題的研究目前主要是理論分析、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬三者相結(jié)合。實(shí)際采場(chǎng)覆巖及地表范圍大，且研究的地層人們又難以直接的觀測(cè)。一般通過(guò)一定的假設(shè)以及簡(jiǎn)化來(lái)解決實(shí)際工程中遇到的問(wèn)題，其中大部分采取半經(jīng)驗(yàn)半理論的方法[22]。

起初，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)開(kāi)采塌陷進(jìn)行了大量的調(diào)查，并結(jié)合自己的調(diào)查和研究相繼得出了相應(yīng)的理論，如國(guó)外的“垂線(xiàn)理論”“法線(xiàn)理論”“拱形理論”“分帶理論”“懸臂梁理論”以及后來(lái)的影響函數(shù)等。劉寶琛等[23]在開(kāi)采沉陷研究中率先引入概率積分法。錢(qián)鳴高等[24]對(duì)采場(chǎng)上覆巖層的結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行研究時(shí)，提出了采場(chǎng)上覆巖層“砌體梁”結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，后來(lái)發(fā)展為“關(guān)鍵層理論”。錢(qián)鳴高等[25]再論煤炭的科學(xué)開(kāi)采時(shí)，提到“開(kāi)采沉陷的本質(zhì)是力學(xué)問(wèn)題，是塊體運(yùn)動(dòng)和散體運(yùn)動(dòng)綜合的結(jié)果”。郝延綿等[26]假設(shè)采場(chǎng)上覆巖層為彈性薄板，建立了預(yù)計(jì)開(kāi)采沉陷的模型。郭文兵等[27]提出了基于覆巖破壞傳遞過(guò)程的覆巖破壞充分采動(dòng)程度判據(jù)及其高度計(jì)算方法，揭示了高強(qiáng)度開(kāi)采覆巖“兩帶”破壞模式的形成機(jī)制。

2.2 采空區(qū)地表變形現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

對(duì)于采空區(qū)地表變形的研究，為了可以客觀地發(fā)現(xiàn)采空區(qū)地基的變形規(guī)律，人們往往會(huì)首選現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)法。相對(duì)而言，該方法是最直接和準(zhǔn)確的研究方法之一，同時(shí)為很多治理措施的實(shí)施和研究結(jié)論的得出提供了依據(jù)。然而該方法也有不足之處，如觀測(cè)過(guò)程復(fù)雜、測(cè)試成本高、觀測(cè)周期長(zhǎng)等。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于開(kāi)采所引起的地表沉陷進(jìn)行了一定的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。20世紀(jì)50年代起，為了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)由開(kāi)采引起的地表沉陷，我國(guó)相繼在各大礦區(qū)建立了地表監(jiān)測(cè)站，其中包括阜新、淮南和撫順等主要礦區(qū)。O’CONNOR和MURPHY[28]基于時(shí)域反射測(cè)量原理(TDR)，研制了一種傳感器。并用于監(jiān)測(cè)加拿大某廢棄金礦頂柱的穩(wěn)定性，以及美國(guó)某廢棄煤礦的地層穩(wěn)定性。該裝置還在新校舍選址過(guò)程中得到較好的運(yùn)用。KOHLI[29]對(duì)美國(guó)Mary Lee廢棄煤礦進(jìn)行了地下調(diào)查，通過(guò)鉆探和地下攝像機(jī)技術(shù)獲取采空區(qū)相關(guān)地質(zhì)信息，分析了地表沉降的順序和影響因素。SHEOREY等[30]獲取了印度各大煤田的地表沉降結(jié)果，基于大多印度煤礦開(kāi)采處于淺層到中等覆蓋層的情形下，給出了不連續(xù)沉降界限;并運(yùn)用新的一種影響函數(shù)法來(lái)模擬沉降非對(duì)稱(chēng)性和提取邊緣的影響。陳盼等[31]通過(guò)對(duì)陜西某煤礦工作面地表移動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，對(duì)比了工作面覆巖中有無(wú)采空區(qū)時(shí)的地表移動(dòng)參數(shù)的異處，并結(jié)合相關(guān)理論對(duì)該處重復(fù)開(kāi)采下地表移動(dòng)規(guī)律的差異性進(jìn)行了說(shuō)明。宋許根等[32]以程潮鐵礦西區(qū)為研究對(duì)象，采用采場(chǎng)頂板崩落鉆孔監(jiān)測(cè)和崩落區(qū)高密度電法勘探等手段，分析了該區(qū)頂板崩落特征和采礦初期地表塌陷機(jī)制，探討了采空區(qū)地表變形規(guī)律。

地表變形監(jiān)測(cè)手段由傳統(tǒng)的沉降儀、水準(zhǔn)儀、地表移動(dòng)觀測(cè)站等直接測(cè)量?jī)x器逐漸地更新為無(wú)線(xiàn)或電磁為媒介的測(cè)量手段。於永東等[33]建立了基于BDS和GPS雙系統(tǒng)的采空區(qū)地表沉降遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，主要針對(duì)撫順市采空區(qū)地表的沉降頻發(fā)點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)的5 mm沉降的監(jiān)測(cè)指標(biāo)。BDS采空區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)基站，如圖16所示。

圖16 BDS采空區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)基站Fig.16 BDS goaf monitoring system and monitoring base station

2.3 開(kāi)采沉陷模型試驗(yàn)

對(duì)于開(kāi)采沉陷問(wèn)題的研究，由于地層的復(fù)雜性，相似模型試驗(yàn)往往只能針對(duì)某種特定的工況進(jìn)行模擬，試驗(yàn)過(guò)程中往往會(huì)簡(jiǎn)化一些地層模型，忽略一些影響因素。模型試驗(yàn)可以與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬進(jìn)行比較分析，不能作為惟一參照。但模型試驗(yàn)可以為研究者提供宏觀的自然現(xiàn)象和物理規(guī)律，這是其優(yōu)點(diǎn)所在。

劉義新[34]采用相似理論和光彈性模擬實(shí)驗(yàn)方法，建立幾何相似比為1∶1 000相似模型，如圖17所示。對(duì)覆巖彈性模量、松散層厚度、開(kāi)采厚度、開(kāi)采深度及條帶開(kāi)采留寬等主要因素與深部條帶開(kāi)采地表移動(dòng)規(guī)律之間的關(guān)系分別進(jìn)行了模擬研究。

圖17 漫射式光測(cè)彈性?xún)x及1∶1 000的土層模型Fig.17 Diffuse photoelasticity instrument and 1∶1 000 soil model

趙建軍等[35]以貴州馬大嶺某處自然邊坡為研究原型，建立室內(nèi)幾何相似比為1∶200的假三維地質(zhì)力學(xué)模型，如圖18所示。研究了緩傾斜煤層采場(chǎng)上覆巖層的變形規(guī)律，分析了采動(dòng)滑坡變形破壞機(jī)理。

孫利輝等[36]通過(guò)破碎巖石壓縮試驗(yàn)、巖石崩解試驗(yàn)以及建立室內(nèi)幾何相似比為1∶100相似模型試驗(yàn)，如圖19所示。研究了不同類(lèi)型巖石的破碎、崩解性能，分析了巖石的變形過(guò)程和特征，最后通過(guò)相似模型試驗(yàn)的結(jié)果證明了理論分析的合理性。

圖19 1∶100平面模型及三維光學(xué)攝影測(cè)量Fig.19 1∶ 100 Plane model and 3D optical photogrammetry

李東陽(yáng)等[37]通過(guò)建立幾何相似比為1∶100的室內(nèi)三維立體采空區(qū)模型，如圖20所示。采用砌筑法進(jìn)行鋪模，通過(guò)對(duì)巖層逐級(jí)加載并監(jiān)測(cè)巖層地表的位移、頂板與礦柱的應(yīng)變，同時(shí)利用內(nèi)窺鏡拍攝了礦柱與頂板的破壞過(guò)程，并得出了相應(yīng)的變化規(guī)律。

圖20 1∶100室內(nèi)三維立體模型Fig.20 1∶100 Indoor 3D model

2.4 采場(chǎng)覆巖及地表移動(dòng)變形的數(shù)值模擬

對(duì)于采場(chǎng)覆巖及地表移動(dòng)變形的數(shù)值模擬常用的是有限元法、有限差分法和離散元法等。汪吉林等[38]運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立了多層狀、寬緩皺褶的地質(zhì)三維模型，通過(guò)模擬得到了研究區(qū)的垂向位移、隧道徑向和切向應(yīng)力等，并驗(yàn)證了理論計(jì)算的結(jié)果。韓森等[39]利用MIDAS/GTS有限元軟件對(duì)近塌陷區(qū)礦山公路在地下開(kāi)采過(guò)程中的沉降規(guī)律及安全性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，為塌陷區(qū)的有效治理提供了理論數(shù)據(jù)。高建良等[40]借助基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的離散元軟件CDEM，重點(diǎn)研究了采空區(qū)“三帶”分布范圍及變形規(guī)律。張向東等[41]借助ADINA非線(xiàn)性有限元軟件建立了公路路基-采空區(qū)三維模型，并重點(diǎn)分析了煤層傾角、開(kāi)采深厚比以及路基與采場(chǎng)空間位置等影響因素對(duì)高速公路路基穩(wěn)定性的影響，最后利用MATLAB軟件設(shè)計(jì)出預(yù)測(cè)程序。黃平路等[42]結(jié)合有限元軟件ANSYS和離散元軟件UDEC對(duì)金山店鐵礦進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了考慮有民采和無(wú)民采兩種情況下的地表變形規(guī)律和礦體圍巖移動(dòng)規(guī)律。王樹(shù)仁等[43]結(jié)合MIDAS/GTS和 FLAC3D兩種有限元軟件建立了采空區(qū)場(chǎng)地橋隧工程三維計(jì)算模型，并通過(guò)數(shù)值計(jì)算，研究了下伏采空區(qū)橋隧施工過(guò)程中的相關(guān)力學(xué)響應(yīng)及變形特征。

總之，對(duì)于采場(chǎng)覆巖及地表移動(dòng)變形的研究，從理論解析上，從當(dāng)初的比較單一、簡(jiǎn)單的理論基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展成更深層、更細(xì)化和更統(tǒng)一的科學(xué)體系，可以更好地解釋實(shí)際問(wèn)題;從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)上，發(fā)展至今，采空區(qū)地表變形監(jiān)測(cè)技術(shù)越來(lái)越向綜合化、智能化、精確化方向發(fā)展;從模型試驗(yàn)上，開(kāi)采沉陷相似模型試驗(yàn)開(kāi)始引入光學(xué)電子儀器等超高精度測(cè)量手段，逐漸從準(zhǔn)平面應(yīng)變二維模型發(fā)展為三維立體模型;從數(shù)值分析上，隨著計(jì)算機(jī)軟件的快速更新，人們開(kāi)始結(jié)合各大數(shù)值計(jì)算軟件的優(yōu)點(diǎn)來(lái)計(jì)算相關(guān)的數(shù)值模型，這在目前是一個(gè)比較流行、實(shí)用且有效的手段。

3 高速鐵路采空區(qū)場(chǎng)地路基變形研究

3.1 高速鐵路列車(chē)動(dòng)荷載傳遞及分布規(guī)律

3.1.1車(chē)輛荷載縱向分布及傳遞規(guī)律

車(chē)輪荷載以集中力形式作用于連續(xù)鋼軌上，鋼軌作用于離散的扣件之上。通過(guò)研究扣件作用反力可以有效地說(shuō)明高速鐵路車(chē)輛荷載的縱向分布及傳遞規(guī)律。連續(xù)梁結(jié)構(gòu)受集中力作用，對(duì)于超靜定結(jié)構(gòu)體系計(jì)算支撐反力，需要知道未知量數(shù)量，然后通過(guò)相應(yīng)位移法或力法解析多元平衡方程。計(jì)算出承擔(dān)車(chē)輪荷載的扣件數(shù)量以及各扣件荷載分擔(dān)比是研究該問(wèn)題的關(guān)鍵。車(chē)輪集中力作用位置處的鋼軌變形最大，主要表現(xiàn)在扣件彈性墊層的壓縮量最大，以及正下方或距離最近的扣件所承擔(dān)的車(chē)輪荷載占比最大;鋼軌變形量向作用點(diǎn)兩側(cè)遞減，但非無(wú)限傳遞，研究發(fā)現(xiàn)傳遞到兩側(cè)一定數(shù)量的扣件出現(xiàn)拐點(diǎn)，有扣件開(kāi)始受拉力作用[44]。高鐵運(yùn)行速度快且多車(chē)輪作用于鋼軌上，相鄰車(chē)輪荷載的疊加效果非常明顯，以單車(chē)輪為研究對(duì)象很顯然不能符合實(shí)際工程情況。趙國(guó)堂等[11]通過(guò)實(shí)測(cè)和數(shù)值仿真相結(jié)合，研究發(fā)現(xiàn)同一轉(zhuǎn)向架兩車(chē)輪荷載疊加效果明顯，其主要體現(xiàn)在兩車(chē)輪之間的扣件反力有所增加。同一車(chē)廂相鄰轉(zhuǎn)向架車(chē)輪荷載疊加效果可忽略不計(jì)，但相鄰車(chē)廂相鄰轉(zhuǎn)向架車(chē)輪荷載存在一定的疊加效應(yīng)。

3.1.2車(chē)輛荷載橫向分布及傳遞規(guī)律

限于軌道路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)際工程高鐵路基結(jié)構(gòu)幾何形狀一般成梯形。車(chē)輛荷載作用于軌道板及混凝土支座，向下傳遞至路基結(jié)構(gòu)，最后再作用于地基。由于路基等構(gòu)筑物幾何尺寸的限制，車(chē)輛荷載橫向分布規(guī)律一定且傳遞是有限的。在軌道板底面，荷載在橫向上呈典型的雙峰型分布;在混凝土支座板底面，荷載在橫向上呈M型分布。2者最大峰值相差較大，但對(duì)于混凝土底座板底面壓應(yīng)力大小橫向分布相對(duì)平緩，在設(shè)計(jì)相關(guān)路基及地基承載力時(shí)，一般可以將車(chē)輛荷載及基床以上結(jié)構(gòu)自重視為等效均布力考慮。

3.1.3車(chē)輛荷載豎向分布及傳遞規(guī)律

研究路基頂面動(dòng)應(yīng)力強(qiáng)度和動(dòng)應(yīng)力在路基內(nèi)部的衰減規(guī)律是路基設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。對(duì)于路基內(nèi)部各結(jié)構(gòu)層動(dòng)應(yīng)力水平的影響，除了高鐵車(chē)輛設(shè)計(jì)軸重以及軌道不平順性外，主要還有列車(chē)運(yùn)行速度以及軌道路基結(jié)構(gòu)材料的影響。其中列車(chē)運(yùn)行速度的影響效果明顯，在一定的速度(150～300 km/h)范圍內(nèi)，路基動(dòng)應(yīng)力隨車(chē)速線(xiàn)性增長(zhǎng)，在這范圍之外則路基動(dòng)應(yīng)力與車(chē)速無(wú)關(guān)[44]。路基動(dòng)應(yīng)力大小受外界因素增大同時(shí)，還受路基內(nèi)在結(jié)構(gòu)的影響向下呈衰減規(guī)律。陳云敏院士和邊學(xué)成教授等研究發(fā)現(xiàn)有砟軌道路基和無(wú)砟軌道路基動(dòng)應(yīng)力衰減系數(shù)相差較大，在深度3 m同一位置處，無(wú)砟軌道路基動(dòng)應(yīng)力衰減50%，而有砟軌道路基衰減可達(dá)80%。由此可見(jiàn)，無(wú)砟軌道路基動(dòng)應(yīng)力受車(chē)速影響較大，且影響范圍更廣。一般高鐵路基結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力在其路基內(nèi)部已經(jīng)大部分消耗，有一小部分傳遞至地基一定范圍，也就是臨界邊界。研究表明，高速鐵路路基受列車(chē)密集動(dòng)荷載長(zhǎng)期作用下，臨界邊界外部的地基土受到的動(dòng)應(yīng)力不會(huì)引起土體的過(guò)大累積沉降，而且很快能恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)[44]。

3.2 高速鐵路路基工后沉降相關(guān)要求

我國(guó)高速鐵路大多使用無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，為了滿(mǎn)足相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行的要求，其工后沉降不宜超過(guò)15 mm;路橋和隧道等過(guò)渡段處的工后差異沉降嚴(yán)格控制在5 mm之內(nèi)。對(duì)于有砟軌道正線(xiàn)路基工后沉降符合表1的規(guī)定[45]。

表1 有砟軌道正線(xiàn)路基工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Standard for settlement control after subgrade construction of ballasted track

3.3 采空區(qū)地基與高速鐵路路基相互作用機(jī)理淺析

3.3.1采空區(qū)地基“活化”變形對(duì)高速鐵路路基的作用

采空區(qū)地表有“兩移動(dòng)”和“三變形”，其中包括豎向沉降、水平移動(dòng)、傾斜、曲率和水平變形。隨著采空區(qū)地表移動(dòng)和變形發(fā)生的同時(shí)，也在影響采空區(qū)場(chǎng)地高速鐵路路基的穩(wěn)定性。當(dāng)高速鐵路路基處于采空區(qū)場(chǎng)地不同位置時(shí)，其受到采空區(qū)地表變形影響效果不同。

(1)當(dāng)高速鐵路路基處于采場(chǎng)上方正中間位置時(shí)，路基底面中間處相對(duì)兩側(cè)沉降略大，不均勻沉降相對(duì)較小，高鐵路基以整體沉降為主;由于彎曲作用會(huì)使路基兩側(cè)產(chǎn)生相對(duì)壓應(yīng)力，可能導(dǎo)致路基或者基床上部結(jié)構(gòu)隆起變形，如圖21所示。

圖21 路基位于采場(chǎng)上方正中心位置Fig.21 Subgrade is located in the square center of the stope

(2)當(dāng)高速鐵路路基處于采場(chǎng)上方邊緣時(shí)，靠近采場(chǎng)中心路基一側(cè)相對(duì)遠(yuǎn)離采場(chǎng)中心一側(cè)沉降量較大，致使高鐵路基內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)生變化，表現(xiàn)為路基向采場(chǎng)中心一側(cè)傾斜或者路基整體向該側(cè)滑移，如圖22所示。

圖22 路基位于采場(chǎng)上方邊緣位置Fig.22 Subgrade is located at the upper edge of stope

以上2種作用致使路基直接發(fā)生破壞，然而路基還存在臨界狀態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)。采空區(qū)地表產(chǎn)生不均勻變形時(shí)，路基與地基交界面也可能出現(xiàn)離層現(xiàn)象，此時(shí)路基底面可能處于承載能力極限狀態(tài)，隨著伴有列車(chē)荷載作用，會(huì)打破此時(shí)的極限平衡狀態(tài)致使路基產(chǎn)生移動(dòng)與變形，從而影響高鐵安全運(yùn)行。當(dāng)采空區(qū)地表變形與列車(chē)動(dòng)荷載同時(shí)作用下變形總值不大于路基變形最大允許值時(shí)，視路基處于穩(wěn)定狀態(tài)，可以正常使用。

3.3.2高速鐵路路基荷載對(duì)采空區(qū)地基的作用

采空區(qū)地基下方存在受開(kāi)采破壞的垮落帶和斷裂帶，兩帶巖層的承載力和抗干擾能力相對(duì)較差。高鐵動(dòng)荷載在路基內(nèi)部結(jié)構(gòu)中向下傳遞且呈衰減規(guī)律，大部分動(dòng)應(yīng)力被路基消耗，還有一小部分傳遞至采空區(qū)地基。列車(chē)密集荷載長(zhǎng)期作用下路基及采空區(qū)地基難免會(huì)發(fā)生累積沉降變形，然而采空區(qū)地基中的一部分動(dòng)應(yīng)力并非無(wú)限向下傳遞，超過(guò)一定邊界的動(dòng)應(yīng)力對(duì)地基土不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的累積變形，土體會(huì)很快恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，稱(chēng)該邊界為路基土體產(chǎn)生循環(huán)累積沉降的臨界邊界。騰永海等[46]以建筑物荷載的影響深度是否達(dá)到垮落斷裂帶的發(fā)育高度為原則來(lái)確定住宅樓的層數(shù)。對(duì)于高速鐵路路基對(duì)采空區(qū)地基的作用效果也有類(lèi)似的如下3種情況:

(1)路基土體產(chǎn)生循環(huán)累積沉降的臨界邊界與垮落斷裂帶頂邊界相離，這種情況路基不會(huì)影響采空區(qū)地基的穩(wěn)定性。如圖23所示，其中，P為土的自重應(yīng)力。

圖23 臨界邊界與垮落帶、斷裂帶頂邊界相離Fig.23 Critical boundary is separated from the top boundary of the collapsed zone and fracture zone

(2)路基土體產(chǎn)生循環(huán)累積沉降的臨界邊界與垮落斷裂帶頂邊界相切，這種情況采空區(qū)地基處于臨界平衡狀態(tài)。如圖24所示。

圖24 臨界邊界與垮落帶、斷裂帶頂邊界相切Fig.24 Critical boundary is tangent to the top boundary of the collapsed zone and fracture zone

(3)路基土體產(chǎn)生循環(huán)累積沉降的臨界邊界與垮落斷裂帶頂邊界相交，這種情況采空區(qū)地基產(chǎn)生活化變形，路基會(huì)受活化變形的影響。如圖25所示。

圖25 臨界邊界與垮落斷裂帶頂邊界相交Fig.25 Intersection of critical boundary and top boundary of collapse zone and fracture zone

3.4 采空區(qū)場(chǎng)地高速鐵路路基變形問(wèn)題的可行性研究手段

3.4.1采用綜合評(píng)價(jià)法預(yù)先評(píng)估采空區(qū)場(chǎng)地建設(shè)高鐵的可行性

在綜合評(píng)價(jià)方面，目前主要采用現(xiàn)代模糊數(shù)學(xué)理論構(gòu)建系統(tǒng)安全的評(píng)價(jià)理論和評(píng)價(jià)模型框架。韓科明等[47]基于模糊綜合評(píng)判方法對(duì)姚橋煤礦西三采空塌陷區(qū)進(jìn)行了穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，通過(guò)結(jié)合定性和定量分析使整個(gè)評(píng)價(jià)過(guò)程趨向定量化的計(jì)算和分析，使評(píng)價(jià)結(jié)果更趨向科學(xué)合理;張俊英[48]將采空區(qū)場(chǎng)地建筑物擬建情況視為影響因子，通過(guò)模糊數(shù)學(xué)理論提出了采空區(qū)地表建筑物地基穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)，并通過(guò)3個(gè)工程實(shí)例加以驗(yàn)證;楊峰等[49]考慮了水文地質(zhì)和采空區(qū)自身因素還考慮了車(chē)輛荷載、采空區(qū)沉降因素以及停采時(shí)間等影響因子，為武云高速采空區(qū)建設(shè)場(chǎng)地的安全運(yùn)營(yíng)提供了科學(xué)的Ⅱ級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)模型。以上學(xué)者分別對(duì)煤礦沉陷區(qū)、采空區(qū)地表建筑物地基以及采空區(qū)高速公路建設(shè)場(chǎng)地的穩(wěn)定性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。該評(píng)價(jià)體系開(kāi)始逐漸考慮建筑物靜荷載和交通動(dòng)荷載等影響因子，如果考慮高鐵動(dòng)荷載、路基結(jié)構(gòu)和采空區(qū)條件等多級(jí)影響因素，為此構(gòu)建多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)模型，對(duì)高速鐵路采空區(qū)場(chǎng)地路基進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)不失為一種方便有效的科學(xué)研究方法。

3.4.2運(yùn)用力學(xué)解析法得出采空區(qū)場(chǎng)地高鐵動(dòng)荷載最大估計(jì)影響深度

相對(duì)于采空區(qū)地基，假設(shè)高速鐵路路基可以簡(jiǎn)化為條形基礎(chǔ)，高速鐵路車(chē)輛荷載可以簡(jiǎn)化為等效均布力。此類(lèi)情況可視為采空區(qū)地基受條形面積豎向均布荷載作用，該均布荷載為移動(dòng)均布荷載。

(1)當(dāng)?shù)鼗茇Q向集中力作用，地基中任一點(diǎn)豎向附加應(yīng)力為

(1)

式中，σz為地基中深度為z、到集中力p作用點(diǎn)的距離為R處的豎向附加應(yīng)力。

(2)當(dāng)?shù)鼗艿綏l形面積豎向均布荷載作用，將式(1)進(jìn)行積分求解得到地基中任一點(diǎn)豎向附加應(yīng)力為

(2)

(3)對(duì)于采空區(qū)地基，當(dāng)?shù)鼗械呢Q向附加應(yīng)力為地基土自重應(yīng)力的 10% 時(shí)，則豎向附加應(yīng)力對(duì)該深度處的地基巖土層壓縮變形影響很小，該深度為地基受壓層深度[50]。受壓層以下的巖土層中豎向附加應(yīng)力很小，對(duì)地基的變形影響可忽略不計(jì)。考慮到高速鐵路路基工后沉降相關(guān)的嚴(yán)格要求以及采空區(qū)地基“活化”變形問(wèn)題的復(fù)雜性，建議采用地基中豎向附加應(yīng)力等于自重應(yīng)力的5%作為附加應(yīng)力對(duì)采空區(qū)地基“活化”變形影響可忽略不計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)確定采空區(qū)場(chǎng)地高速鐵路動(dòng)荷載擾動(dòng)深度Dz。

(4)設(shè)地基巖土的容重γ，則深度為z處的地基巖土自重應(yīng)力σcz為

σcz=γz

(3)

σz=0.05γDz

(4)

結(jié)合式(2)～(4)可推導(dǎo)出最大擾動(dòng)深度估計(jì)DZ為

(5)

對(duì)于推導(dǎo)采空區(qū)場(chǎng)地高速鐵路動(dòng)荷載最大擾動(dòng)深度估計(jì)公式，如何確定高鐵路基底面的動(dòng)應(yīng)力是該推導(dǎo)的關(guān)鍵。目前我國(guó)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)路基設(shè)計(jì)動(dòng)應(yīng)力幅值σdl計(jì)算公式為

σdl=0.26P′(1+αv)

(6)

式中,車(chē)速v為300～350 km/h時(shí)，α=0.003;車(chē)速v為 200～250 km/h時(shí),α=0.004;P′為列車(chē)靜軸重，(1+αv)為沖擊系數(shù),其中，α為取值系數(shù)，v為列車(chē)速度。客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)鐵路最大沖擊系數(shù)為1.9。

3.4.3現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、相似模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬3種研究方法協(xié)同論證

對(duì)于高速鐵路采空區(qū)場(chǎng)地路基變形的研究，不僅要考慮列車(chē)動(dòng)荷載的影響，還要考慮采空區(qū)地基與路基的相互作用。該問(wèn)題的研究影響因素眾多，很難通過(guò)單一的研究手段去做精細(xì)化研究。目前除了理論分析外，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、模型試驗(yàn)以及數(shù)值模擬該3種研究手段受到廣大科研人員的青睞。3種研究手段都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，只有相互結(jié)合才能得到更為科學(xué)合理的結(jié)論去說(shuō)明問(wèn)題。程謙恭團(tuán)隊(duì)的李傳寶[51]、梁鑫[52]以及鄭志龍[53]為了研究高速鐵路采空區(qū)樁板結(jié)構(gòu)復(fù)合路基的變形問(wèn)題分別進(jìn)行了相似模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。結(jié)合3種研究手段，得出了該樁板結(jié)構(gòu)在采空區(qū)地基中的作用規(guī)律和受力機(jī)理，并驗(yàn)證了樁加固可以有效的限制采空區(qū)巷道頂板的變形，進(jìn)而控制了上方高速鐵路路基的變形。

4 高速鐵路采空區(qū)地基治理技術(shù)

在高速鐵路線(xiàn)路進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，一般遵循避開(kāi)采空區(qū)等不良地基的原則。在高速鐵路關(guān)鍵線(xiàn)路的鋪設(shè)不得不經(jīng)過(guò)采空區(qū)時(shí)，必須對(duì)高速鐵路采空區(qū)地基進(jìn)行預(yù)先勘查，對(duì)其覆巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。然后針對(duì)高速鐵路采空區(qū)地基的特征、水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件、工程類(lèi)型及其重要程度等，選擇合理的高速鐵路采空區(qū)地基的治理方案。對(duì)于采空區(qū)地基治理技術(shù)目前主要有:強(qiáng)夯法、穿越法、跨越法、砌筑法、注漿法和剝挖法。如圖26所示，為高速鐵路采空區(qū)地基治理對(duì)策及路基抗變形措施。

圖26 高速鐵路采空區(qū)地基治理對(duì)策路基抗變形措施Fig.26 Subgrade anti-deformation measures for high-speed railway goaf ground treatment countermeasures

在選擇高速鐵路采空區(qū)地基治理時(shí)，一般應(yīng)遵守以下原則:① 在保證行車(chē)安全的基礎(chǔ)上，方案要經(jīng)濟(jì)適用;② 方案的選取必須綜合考慮采空區(qū)地質(zhì)條件、路基結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)施工情況等。貴東南某高速鐵路D2K93+300～D2K94+000段為主要的煤礦采空區(qū)影響區(qū)域，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察，采空區(qū)有深度不同，對(duì)于淺層采空區(qū)以線(xiàn)路中心兩側(cè)各25 m進(jìn)行地面淺孔注漿加固。處理深度20～30 m，形成沿線(xiàn)路兩側(cè)淺、中間深的硬殼;對(duì)于中、深部采空區(qū)則采用石骨料充填及高壓注漿加固方法。合肥-福州高速鐵路五府山車(chē)站段根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察，該地段有淺層采空區(qū)，深度一般為15～30 m，其中主要為巷道和風(fēng)井;同時(shí)根據(jù)歷史資料查證，該地段采空區(qū)主要從民國(guó)時(shí)期開(kāi)始形成。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)治理措施，該地段采空區(qū)地基主要采用了穿越法，利用鉆孔灌注樁穿過(guò)采空區(qū)巷道。太原-焦作高速鐵路DK259+135.95～DK259+710.00段，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆探揭露，發(fā)現(xiàn)大面積采空區(qū)和巖溶區(qū)，勘測(cè)采空巷道埋深平均40～50 m，多數(shù)采空區(qū)為不穩(wěn)定頂板?，F(xiàn)場(chǎng)采用注漿法治理，對(duì)于采空區(qū)采用水泥粉煤灰漿，巖溶區(qū)則采用水泥漿為主的單液注漿材料，治理后取得很好的效果。

5 問(wèn)題與展望

5.1 存在問(wèn)題

綜上所述，高速鐵路采空區(qū)路基變形問(wèn)題涉及的領(lǐng)域廣泛，至今難以形成一個(gè)較為完整的體系。針對(duì)此方面的研究，雖然國(guó)內(nèi)外研究取得了一定的進(jìn)展，但依舊還有許多問(wèn)題亟待解決：

(1)高鐵動(dòng)荷載作用下采空區(qū)路基最大擾動(dòng)深度尚未得到更合理的預(yù)計(jì)。采空區(qū)場(chǎng)地剩余變形對(duì)采空區(qū)場(chǎng)地高速鐵路路基的作用機(jī)理缺乏研究，尚不清晰。

(2)雖然國(guó)內(nèi)外積累了一定的高速鐵路路基動(dòng)應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和采空區(qū)地表沉陷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，但在列車(chē)循環(huán)動(dòng)荷載作用下高速鐵路采空區(qū)地基變形的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料非常少。

(3)列車(chē)動(dòng)荷載作用下高速鐵路采空區(qū)地基的動(dòng)本構(gòu)模型的研究甚少，國(guó)內(nèi)外一般采用其他方面的本構(gòu)模型，是否合適并沒(méi)有做詳細(xì)的論證。

(4)在模型試驗(yàn)方面，現(xiàn)在多將列車(chē)動(dòng)荷載等效為靜力荷載施加，這種方法忽略了列車(chē)動(dòng)荷載的頻率特性、時(shí)間特性、動(dòng)荷載使土層發(fā)生軟化特性等。在制作采空區(qū)模型時(shí)，由于科研項(xiàng)目時(shí)間有限，很多忽略時(shí)間效應(yīng)，忽略采空區(qū)場(chǎng)地的剩余變形。

(5)高速鐵路采空區(qū)地基變形控制技術(shù)的實(shí)用成果較少，沒(méi)有形成較為系統(tǒng)的治理體系。一般在實(shí)際工程采取經(jīng)驗(yàn)措施，沒(méi)有經(jīng)過(guò)詳細(xì)的論證和計(jì)算，缺乏安全性且造成不必要的資源浪費(fèi)。

5.2 展 望

筆者通過(guò)對(duì)高速鐵路路基動(dòng)力學(xué)和開(kāi)采沉陷學(xué)的研究方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要回顧，結(jié)合2者的研究方法和思路總結(jié)了高速鐵路采空區(qū)場(chǎng)地路基變形控制問(wèn)題研究方法以及治理技術(shù)，提出以下研究展望:

(1)采空區(qū)場(chǎng)地高速鐵路路基變形s由4部分組成，分別為:采空區(qū)地基附加變形s1、工程開(kāi)工后采空區(qū)場(chǎng)地剩余變形s2、采空區(qū)地基活化變形s3、高速鐵路路基變形s4，公式為s=s1+s2+s3+s4。開(kāi)展4種變形的精準(zhǔn)化、理論化研究，為采空區(qū)場(chǎng)地高速鐵路路基變形分析提供理論支撐。

(2)基于高速鐵路采空區(qū)地基的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，應(yīng)預(yù)先提出采空區(qū)的地質(zhì)概化模型，研究采場(chǎng)覆巖及地表移動(dòng)變形的時(shí)空演化規(guī)律，形成采空區(qū)場(chǎng)地剩余變形的精確預(yù)測(cè)理論。

(3)利用綜合集成研究方法，加強(qiáng)研究列車(chē)動(dòng)荷載作用下高速鐵路采空區(qū)場(chǎng)地路基變形演化機(jī)理與規(guī)律，構(gòu)建采空區(qū)地基活化判據(jù)及評(píng)價(jià)體系。

(4)結(jié)合5G技術(shù)構(gòu)建“天-空-地-深”一體的動(dòng)態(tài)智能預(yù)警網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，形成高速鐵路安全運(yùn)維預(yù)警的理論框架。

(5)由“車(chē)輛-軌道-路基”耦合模型發(fā)展為“車(chē)輛-軌道-路基-采空區(qū)地基”耦合模型，加強(qiáng)理論模型的研究。確定高速鐵路采空區(qū)場(chǎng)地路基變形類(lèi)型劃分標(biāo)準(zhǔn)，提出快捷精準(zhǔn)辨識(shí)方法，形成高速鐵路長(zhǎng)期安全運(yùn)維的有害變形控制方法和災(zāi)變防控體系。