□□ 何 建,柳 佳,張海輝,童立紅,陳夢成,彭理群 (.萍鄉(xiāng)市交通運(yùn)輸局,江西 萍鄉(xiāng) 7000;.核工業(yè)華東建設(shè)工程集團(tuán)有限公司,江西 南昌 000;.華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院,江西 南昌 00)

引言

自二十大以來,交通強(qiáng)國戰(zhàn)略的提出,促進(jìn)了國內(nèi)道路交通的繁榮發(fā)展[1]。隨著交通路網(wǎng)的建設(shè),社會(huì)對(duì)礦產(chǎn)資源的需求逐步增大,諸多能源城市應(yīng)運(yùn)而生,如萍鄉(xiāng)、焦作和安陽等。地下礦產(chǎn)資源經(jīng)過長期的開采,形成了大量采空區(qū),附近巖體因原有應(yīng)力平衡被打破而重新分布,導(dǎo)致采空區(qū)附近地層產(chǎn)生位移與變形。因此,實(shí)時(shí)監(jiān)測采空區(qū)上方道路的沉降與變形,保證道路建設(shè)與運(yùn)營期間的安全穩(wěn)定是十分重要的[2-7]。

從20世紀(jì)80年代起,下伏采空區(qū)對(duì)公路的危害問題逐步被學(xué)者們所認(rèn)知并得出大量的研究成果,馮強(qiáng)等[8]和宋文成等[9]基于彈性薄板理論和Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)測計(jì)算了采空區(qū)上方的應(yīng)力場和位移場分布。胡洪旺等[10]基于Ressiner厚板理論,將采空區(qū)頂板視為基巖和定向結(jié)構(gòu)面構(gòu)成的宏觀復(fù)合材料,得到內(nèi)部應(yīng)力表達(dá)式。李貢輝等[4]通過假設(shè)土體為各向同性,進(jìn)行了圓形采空區(qū)周邊土體的應(yīng)力情況和穩(wěn)定性分析。周濤[11]基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)研究了采空區(qū)上方路基沉降與變形規(guī)律。要海亮[12]以山西某公路下伏采空區(qū)為研究依托,對(duì)采空區(qū)上方覆蓋巖層與路基變形特征進(jìn)行分析,結(jié)果顯示開采寬度、深度和傾角均對(duì)路基沉降有一定影響。張耀平等[13]以龍橋鐵礦空區(qū)為例,基于現(xiàn)場原位試驗(yàn)及力學(xué)試驗(yàn)研究,采用FLAC3D有限元計(jì)算方法建立數(shù)值模型,揭示了礦空區(qū)的整體形成過程,并對(duì)其穩(wěn)定性情況進(jìn)行了系統(tǒng)的預(yù)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(qū)計(jì)算模型,通過數(shù)值模擬預(yù)測了路基沉降和變形特征,揭示了采空區(qū)對(duì)高速公路的影響程度,為高速公路穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供了參考。

目前,高速公路下伏采空區(qū)的問題不可避免且具有一定的復(fù)雜性,對(duì)于采空區(qū)的治理技術(shù)尚未有明確的準(zhǔn)則,預(yù)防沉降措施仍需要深入研究及探討?，F(xiàn)以江西省萍鄉(xiāng)市贛粵高速公路為工程背景,以采空區(qū)范圍內(nèi)路段為研究對(duì)象,對(duì)下伏采空區(qū)路基沉降與變形情況進(jìn)行長期監(jiān)測,以期為采空區(qū)上方高速公路沉降與變形預(yù)測提供參考。

1 工程概況

萍鄉(xiāng)市中環(huán)東路(S533繞城)始于國道G319杉灣里,終于國道G320萍鄉(xiāng)衛(wèi)校,建設(shè)里程長為9.22 km。整體式路基寬為26 m,機(jī)動(dòng)車道數(shù)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(qū)域,車道寬度為3.5 m。根據(jù)對(duì)沿線的地質(zhì)調(diào)查,路線區(qū)內(nèi)山體穩(wěn)定性較好,未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的規(guī)模較大的崩塌、滑坡和泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象,對(duì)工程有影響的不良地質(zhì)主要為采空區(qū)和山體開挖后引發(fā)的不穩(wěn)定路塹邊坡,而路線特殊性巖土主要是軟土。采空區(qū)主要分布于安源山隧道附近,樁號(hào)為K5+900～K7+200段,均存在不同程度的采空區(qū),現(xiàn)場已埋設(shè)混凝土板處理。采空區(qū)的存在會(huì)對(duì)路基施工期及后期運(yùn)營階段產(chǎn)生較大的安全隱患,嚴(yán)重威脅行車安全。為做好高速公路下伏采空區(qū)路基沉降的監(jiān)測與維護(hù)工作,采用測量設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控路基沉降變形,并分析交通荷載對(duì)采空區(qū)路段路基沉降的影響。

2 沉降監(jiān)測方案

2.1 監(jiān)測內(nèi)容

采用3組長度為12 m的陣列位移計(jì)作為路基沉降監(jiān)測設(shè)備,每節(jié)1 m,并輔以土壓力盒測量分析交通荷載對(duì)路基沉降的影響,每隔4 h記錄一次數(shù)據(jù)。

2.2 監(jiān)測方案

針對(duì)萍鄉(xiāng)中環(huán)東路的下伏采空區(qū)位置,在單向車道上選取3處監(jiān)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(qū),C2斷面下方無采空區(qū)。C1和C3斷面僅監(jiān)測路基沉降,其中C1采用陣列位移計(jì)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測,C3采用自動(dòng)監(jiān)測與北斗衛(wèi)星結(jié)合進(jìn)行監(jiān)測,通過剝離北斗監(jiān)測終端中的非必要功能模塊,如導(dǎo)航定位、授時(shí)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等模塊,僅保留數(shù)據(jù)采集模塊和通訊模塊,自主研制小型化的北斗接收機(jī)。利用4G/LoRA等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至云端,搭建相應(yīng)的云平臺(tái),在云平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、展示和計(jì)算功能。C2斷面除了陣列位移計(jì)外還布置了4個(gè)土壓力測點(diǎn),測點(diǎn)之間相距3 m,其中最外側(cè)兩個(gè)測點(diǎn)距路邊1.5 m。

圖1 監(jiān)測設(shè)備布置示意圖

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

圖2 監(jiān)測設(shè)備布置

圖3 C2斷面監(jiān)測設(shè)備布置示意圖

3 結(jié)果分析

選取距路邊0處為基準(zhǔn)點(diǎn),沿路基橫斷面方向由基準(zhǔn)點(diǎn)至路面中線共布置13個(gè)測點(diǎn),每個(gè)測點(diǎn)間隔為1 m。萍鄉(xiāng)中環(huán)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(chǎn)生了不同程度的沉降。其中C1斷面處沉降幅度隨時(shí)間變化較大,結(jié)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(shí)的減速和出隧道后的加速行為對(duì)右線路面產(chǎn)生了較大的壓力,導(dǎo)致C1斷面沉降明顯大于C3斷面;C2斷面下方無采空區(qū),該斷面處路基沉降最小且變化幅度穩(wěn)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(fā)生了顯著的沉降,隨著通車時(shí)間的增加,C3斷面路基沉降逐漸穩(wěn)定,由此可以判斷,C3斷面下方采空區(qū)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(diǎn)均為據(jù)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(yīng)加強(qiáng)C1斷面下方采空區(qū)的加固處理,同時(shí)控制車輛在隧道內(nèi)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(diǎn)沉降與時(shí)間關(guān)系曲線,如圖5所示。其中,C1斷面在剛通車時(shí),最大沉降點(diǎn)為右線中心(6 m)處,隨著通車時(shí)間的增加,右線中心沉降逐漸穩(wěn)定,而路線中心沉降逐漸增大;C2斷面處下方無采空區(qū),各測點(diǎn)沉降變化穩(wěn)定,均近似線性增長。C3斷面處路線中心(12 m)發(fā)生較大沉降,隨著通車時(shí)間增加,右線主要測點(diǎn)從基準(zhǔn)點(diǎn)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(diǎn)沉降監(jiān)測

下伏采空區(qū)路基沿橫斷面方向傾斜易增加行車危險(xiǎn)系數(shù),嚴(yán)重的傾斜與不均勻沉降將會(huì)導(dǎo)致路面發(fā)生開裂,引發(fā)嚴(yán)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(duì)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(shí)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(qū),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(chǎn)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(qū)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(duì)比

4 結(jié)語

以萍鄉(xiāng)中環(huán)東路采空區(qū)路段為研究背景,對(duì)下伏采空區(qū)處治后的路基開展實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測,為施工階段與運(yùn)營維護(hù)階段提供技術(shù)指導(dǎo),得到結(jié)論如下:

(1) 通過陣列位移計(jì)自行監(jiān)測與自行研制的小型北斗信號(hào)接收機(jī)監(jiān)測結(jié)合,可有效監(jiān)測下伏采空區(qū)路基沉降數(shù)據(jù)。

(2) 通過分析陣列位移計(jì)沉降結(jié)果可知,萍鄉(xiāng)中環(huán)東路通車后路基沉降量逐漸增大,且呈現(xiàn)先快后慢的發(fā)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(yīng)對(duì)下方采空區(qū)進(jìn)行加固處理,同時(shí)控制隧道出口處的行車速度。

(3) 通過實(shí)時(shí)監(jiān)測右線中心與路線中心沉降數(shù)據(jù),C1至C3斷面均向路線中心發(fā)生了不同程度的傾斜,其中C1斷面傾斜角度較大,應(yīng)對(duì)C1斷面路線中心處進(jìn)行加固處理,防止路面進(jìn)一步傾斜。