郭慶彪

安徽理工大學(xué)測繪學(xué)院，安徽 淮南 232001

隨著我國高速公路網(wǎng)的加密，在煤礦老采空區(qū)上方的建設(shè)將日趨普遍。如何保障車輛的運行安全將是老采空區(qū)上方高速公路建設(shè)的關(guān)鍵問題。為此，本文綜合采用現(xiàn)場調(diào)研、野外勘測、數(shù)值模擬、相似材料模擬及理論分析等多種技術(shù)手段，圍繞著煤礦老采空區(qū)高速公路建設(shè)安全性評價及其關(guān)鍵技術(shù)展開研究，主要內(nèi)容如下：

(1) 將老采空區(qū)覆巖視為多元介質(zhì)耦合的力學(xué)結(jié)構(gòu)體，分別采用廣義開爾文體、砌體梁結(jié)構(gòu)和復(fù)合巖梁結(jié)構(gòu)描述垮落帶、斷裂帶和彎曲帶巖體的移動變形。在此基礎(chǔ)上，揭示了長壁垮落法開采老采空區(qū)的失穩(wěn)機理，并將老采空區(qū)“活化”類型歸納為Ⅰ類緩慢壓縮蠕變型、Ⅱ類強度衰減蠕變型、Ⅰ類強度衰減結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型和Ⅱ類外力干擾結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型4類。

(2) 采用數(shù)值模擬方法建立了29個數(shù)值模型，揭示了路堤高度、路面剛度、車輛載重及車輛速度4個因素對車輛荷載擾動深度的影響機理。結(jié)果表明，車輛荷載的擾動深度與路堤高度呈線性關(guān)系，與路面剛度、車輛載重及車輛速度呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系。采用極差標(biāo)準(zhǔn)化法分析了各影響因素對擾動深度的影響程度，由大到小依次為車輛載重、車輛速度、路面剛度和路堤高度。在上述研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合多元回歸分析和疊加原理得到了車輛荷載擾動深度的計算公式，最終給出了車輛動荷載擾動下煤礦老采空區(qū)安全深度的計算方法。

(3) 總結(jié)歸納了老采空區(qū)上方高速公路建設(shè)場地穩(wěn)定性的主要影響因素，采用數(shù)值模擬的方法揭示了各影響因素的作用機理。結(jié)果表明，巖體結(jié)構(gòu)、深厚比和沖積層厚度等因素與建設(shè)場地穩(wěn)定性正相關(guān)；地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度、巖石力學(xué)強度和重復(fù)采動等因素與建設(shè)場地穩(wěn)定性負(fù)相關(guān)；采動程度與老采空區(qū)建設(shè)場地穩(wěn)定性非線性相關(guān)，隨著采動程度的增加，其穩(wěn)定性呈現(xiàn)出由高變低再變高的過程。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了煤礦老采空區(qū)上方高速公路建設(shè)場地穩(wěn)定性組合評判模型，融合灰色關(guān)聯(lián)分析、層次分析法和特征向量法給出了組合評判模型中評價要素權(quán)重的計算方法，利用散點圖法分析了定量因素的隸屬函數(shù)，最終結(jié)合隸屬函數(shù)和德菲爾法確定了全部評價因子的隸屬度。

(4) 為了克服現(xiàn)有預(yù)測模型的缺陷，結(jié)合老采空區(qū)建設(shè)場地移動變形“源”的分布特征，基于概率積分法和疊加原理構(gòu)建了老采空區(qū)上方高速公路建設(shè)場地移動變形的組合預(yù)測模型。結(jié)合具體算例對比分析了組合預(yù)測模型與現(xiàn)有預(yù)測模型的預(yù)測效果。結(jié)果表明，組合預(yù)測模型能夠全面反映老采空區(qū)殘余變形“源”導(dǎo)致的建設(shè)場地移動變形，可以有效地解決現(xiàn)有預(yù)測模型的不足，且該模型能夠顧及老采空區(qū)“活化”變形的時間效應(yīng)，使得預(yù)測結(jié)果更加科學(xué)合理。

(5) 給出了煤礦老采空區(qū)上方高速公路建設(shè)安全性評價研究的一般工作流程，明確了各個工作階段的具體研究內(nèi)容及工作方法，總結(jié)分析了地球物理勘探及變形監(jiān)測技術(shù)的適用條件，提出了高速公路下伏老采空區(qū)的治理對策，最終建議了相關(guān)類似課題研究報告中需涵蓋的主要內(nèi)容。

(6) 將本文研究成果應(yīng)用于武云高速建設(shè)的安全性評價。結(jié)果表明，武云高速建設(shè)場地處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，主要表現(xiàn)為Ⅰ類緩慢壓縮蠕變型和Ⅱ類強度衰減蠕變型的“活化”類型。預(yù)測建設(shè)場地的最大殘余沉降值為184 mm，最大傾斜值為1.2 mm/m，最大曲率值為0.02 mm/m2，最大水平移動為76 mm，最大拉伸變形為1.45 mm/m，最大壓縮變形為0.76 mm/m，但上述變形是大范圍、逐漸發(fā)生的，不會出現(xiàn)突發(fā)性的失穩(wěn)沉降。綜上所述，武云高速下伏老采空區(qū)殘余變形“源”導(dǎo)致的建設(shè)場地移動變形不會對高速公路車輛的運行安全造成威脅。