采空區場地高速鐵路路基變形控制研究現狀與展望

任連偉，寧 浩，鄒友峰，頓志林，郭文兵，田忠斌

(1.河南理工大學 土木工程學院，河南 焦作 454000; 2.河南省采空區場地生態修復與建設技術工程研究中心，河南 焦作 454000; 3.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000; 4.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000; 5.山西省煤炭地質物探測繪院，山西 晉中 030600)

采空區是指地下開采空間圍巖失穩而產生位移、開裂、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域及范圍[1]。當采空區場地上建設有高速鐵路時，采空區地基在列車密集動荷載的長期作用下會加劇正在發生的沉降，甚至使已穩定的采空區地基重新發生“活化”變形，加劇地基變形。然而高速鐵路采空區地基的沉降將會誘發一個嚴重的工程災害——高速鐵路路基變形，這將會嚴重影響高速鐵路的運行和行車安全。

目前我國正處于高速鐵路快速發展的時期，隨著合肥—福州、太原—焦作線路的鋪設竣工及通車運營，高速鐵路采空區場地路基變形問題越來越引發人們的關注。如何精確分析和評價高速鐵路采空區場地路基在列車循環動荷載作用下的長期穩定性，是目前面臨的重大問題。對于高速鐵路采空區場地路基變形控制的研究，在國內外尚屬于比較新穎的課題，也是一個世界性難題，對于該方面的研究成果在國內外都比較零散。然而高速鐵路路基動力學問題以及采空區地表變形問題的研究比較多，但一直以來2者都是相對孤立的體系。因此，有必要先回顧2者的研究發展歷程，對2者以往的研究內容和方法進行總結，然后重點介紹當前采空區場地高速鐵路路基變形的研究內容、采空區地基治理技術以及提出存在的問題與展望。

1 高速鐵路路基動力學

1.1 高速鐵路路基動力學的理論模型

發展至今，高速鐵路路基動力學問題的研究不再是傳統的獨立系統動力學分析方法，已經基本采用耦合動力學方法，目前常用模型為車輛-軌道-路基垂向耦合模型。

劉學毅等[2]應用Winkler的彈性地基梁模型首先研究了鋼軌的動應力問題，然后認為軌枕和道床會隨之發生振動響應，綜合以上考慮構建了連續彈性支承三層疊合梁模型，如圖1所示。

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

由于現實中鋼軌間斷支承于軌枕上，軌道簡化為連續彈性支承梁不符合實際情況，進而由連續彈性支承梁模型轉化成不連續彈性點支承梁模型[2]，如圖2所示。

圖2 不連續彈性點支承模型Fig.2 Discontinuous elastic point support model

后來開始輪軌動力方面問題的研究，為了研究列車的一些基本特性參數對輪-軌動力作用的影響，JENKINS等[3]建立了連續彈性基礎支撐歐拉梁理論，并在此基礎上提出了“輪-軌”動力模型，如圖3所示。

圖3 “輪-軌”動力模型Fig.3 “Wheel-rail” dynamic model

佐藤裕等[4]提出了Sato“半車-軌道”集總參數模型，如圖4所示。

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

隨著該領域研究的不斷深入和計算機技術的不斷更新，人們逐漸關注機車車輛與軌道動力的影響。將車輛簡化為單輪對，車輛其他元素忽略不計，雖然大幅度降低了計算工作量，但是難免導致分析誤差。后來有國外學者分析了車輛相鄰輪對之間的動力耦合關系，如圖5所示。結果表明，相鄰輪對相互動力作用十分明顯，對彼此輪位處軌道位移影響較大，所以將車輛簡化為單輪對模型是不精確的[5]。

圖5 相鄰輪對相互影響的動力模型Fig.5 Dynamic model of interaction between adjacent wheelsets

翟婉明等[6]通過對軌道使用脈沖激擾而引起振動，研究發現了激勵作用點位置前后相鄰3個軌枕范圍內振動明顯。至此，從單輪對模型發展為“單側轉向架模型”和“半車模型”[2]，如圖6所示。

圖6 單側轉向架模型和半車模型Fig.6 Bogie model and half vehicle model

后期考慮到軌面存在連續正弦型不平順，在“半車模型”的基礎上發展了“整車-有砟軌道”垂向統一模型，如圖7所示。

圖7 車輛-有砟軌道垂向耦合模型Fig.7 Train-ballast track vertical coupled system

周廣新等[7]回顧了車輛-軌道-路基垂向耦合模型發展歷史。總結發現，列車相鄰車廂相鄰轉向架的車輪荷載疊加效果明顯，而同一車廂前、后轉向架的車輪荷載之間的疊加可以忽略不計[8]，并在此基礎上提出了“兩車半模型”。

研究發現當列車速度接近瑞利波速時或者車輪重復荷載作用頻率與路基固有頻率接近時，路基振動有明顯加劇現象，因此路基的振動問題理應得到重視[2];隨著高鐵線路通過采空區、軟土地區等不良地基，人們日益關注路基沉降的影響，在“車輛-軌道模型”的基礎上發展為“車輛-軌道-路基耦合作用模型”[2](圖8)。

圖8 車輛-軌道-路基耦合作用模型Fig.8 Coupling model of vehicle-track-subgrade

1.2 高速鐵路路基動力響應現場實測

對于高速鐵路路基動力響應的研究，現場實測是最有效、直觀的方法。國內外積累了一定的高速鐵路路基動力響應實測資料。DEGRANDE等[9]對列車以223～314 km/h運行時的地基振動進行了現場實測，并結合實測數據繪制了速度時程和頻域曲線圖，后期獲取了地基參數和軌道-地基傳遞函數等。屈暢姿等[10]對武廣高速某綜合試驗段路基進行了現場監測，獲取了路基在列車動荷載作用下的豎向振動加速度和動應力幅值，得出了該段路基動應力的分布規律。趙國堂等[11]通過對某新建高速鐵路路基CRTSⅢ型板式無砟軌道線路進行了現場試驗，如圖9所示。在施工段將測試元件預先埋設于無砟軌道內部，獲得了扣件反力以及軌道結構荷載的現場實測數據，并結合試驗數據得到了現場無砟軌道車輛荷載橫向傳遞規律。

圖9 現場測試元件布置[11]Fig.9 Field test component layout[11]

1.3 高速鐵路路基動力模型試驗

在模型試驗方面，人們最初是采用等效靜荷載代替列車動荷載的。后來隨著該領域理論研究的突破和機械制造業的發展，使用激振器來模擬列車動荷載是目前最有效的方式。此外，相似比尺選取的不同將會影響整個試驗結果，同時也決定了試驗操作的難易程度。

詹永祥等[12]建立了相似比尺為1∶12的室內模型試驗，通過激振器來模擬列車荷載，主要研究了無砟軌道樁板結構路基在持續激勵荷載下的動力和變形特性。ISHIKAWAI等[13]建立了相似比尺為1∶5的室內鐵路路基模型，如圖10所示。通過模型試驗對列車循環動荷載作用下有砟軌道路基的沉降發展規律進行了研究。

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

孔綱強等[14]建立了相似比尺為1∶5的樁-筏復合地基模型，如圖11所示。通過對X 形樁-筏復合地基施加不同頻率的激振力，研究了激振頻率對該類型復合地基動力響應。

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。開展了不同激振頻率工況下模型體系的動力試驗，測試并分析了路基模型不同位置處的加速度反應等，確定了試驗模型體系一階固有頻率。

圖12 同濟大學1∶4無砟軌道路基模型Fig.12 1∶4 ballastless track subgrade model of Tongji University

SHAER等[16]構建相似比尺為1∶3的室內有砟軌道路基模型，如圖13所示。試驗重點研究了路基的累積沉降與軌枕動加速度的關系。

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

邊學成等[17]創造性地提出了“假車真路”的想法，建立了相似比尺為1∶1的鐵路基試驗平臺，如圖14所示。該平臺可以模擬最高時速360 km/h列車對路基的動力荷載，重點研究了高鐵路基內部動應力放大效應及沿深度衰減規律等。

圖14 浙江大學1∶1無砟軌道路基試驗平臺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的室內高速鐵路-路基模型，如圖15所示。通過采用5個作動器聯動加載有效地模擬了列車動荷載。為了得到作動器的輸入時程曲線，先通過數值模擬計算得到了扣件反力的時程曲線，然后將該曲線通過疊加和傅里葉變換進行導出。

圖15 中南大學1∶1無砟軌道模型試驗平臺Fig.15 1∶1 Ballastless track model test platform of Central South University

1.4 高速鐵路路基數值模擬

一般對有條件進行試驗的，盡量采用模型試驗法，然后利用數值模擬進行對照檢驗。對于一些受多種因素影響且材料復雜、幾何形狀不規則的模型往往難以進行試驗，對此數值模擬卻可以有效地解決。在高速鐵路路基動力學問題研究中，數值模擬常常采用有限元法，目前比較流行的有限元數值建模軟件有:ABAQUS,ANSYS,FLAC3D,Midas/GTS NX等。

為了研究高速鐵路列車動荷載與路基系統的相互作用機理，董亮等[18]借助ABAQUS有限元軟件合理地導入三維一致黏彈性人工邊界，建立了無砟軌道-路基三維有限元模型，并將計算結果與現場試驗數據對比，驗證了人工邊界和參數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砟軌道-路基結構動力三維有限元模型，研究了高鐵動荷載作用下軌道和路基垂直位移的分布規律，并比較了軌道不平順性和斷面位置位移分布的影響規律。郭志廣等[20]在武廣高速鐵路某段無砟軌道路基典型斷面進行了動力特性現場試驗，并利用了FLAC3D軟件建立了CRH2型列車相鄰轉向架荷載作用下的無砟軌道-路基三維有限差分模型，結果表明基于該軟件的人工邊界處理以及使用激振力函數模擬列車的動荷載作用是可行的。何國輝等[21]利用Midas/GTS NX有限元軟件建立了高速鐵路地基-地裂縫-路堤動力三維動力耦合模型，重點分析了高鐵動荷載作用下有、無地斷裂帶天然地基上的路基動力響應規律。

綜上所述，對于高速鐵路路基動力學研究，從理論模型上，體系逐漸完善，從最初的最簡單軌道模型發展為“車輛-軌道-路基耦合作用模型”;從現場監測上，監測儀器更加多元化、智能化和精確化，監測內容更加廣泛;從模型試驗上，從開始大比尺的小模型試驗逐漸發展成實尺的大模型試驗，并且采用更加有效的高鐵動荷載加載措施，使得試驗結果更加可靠，更接近真實情況;在數值模擬上，各大有限元軟件均可以有效地模擬高速鐵路路基的動力響應，并可以得出合理的結果來說明相應的科學問題。

2 采空區地表變形的研究

2.1 采場覆巖及地表移動變形理論

采場覆巖及地表移動變形問題的研究目前主要是理論分析、經驗數據和數值模擬三者相結合。實際采場覆巖及地表范圍大，且研究的地層人們又難以直接的觀測。一般通過一定的假設以及簡化來解決實際工程中遇到的問題，其中大部分采取半經驗半理論的方法[22]。

起初，許多國內外學者對開采塌陷進行了大量的調查，并結合自己的調查和研究相繼得出了相應的理論，如國外的“垂線理論”“法線理論”“拱形理論”“分帶理論”“懸臂梁理論”以及后來的影響函數等。劉寶琛等[23]在開采沉陷研究中率先引入概率積分法。錢鳴高等[24]對采場上覆巖層的結構形態進行研究時，提出了采場上覆巖層“砌體梁”結構力學模型，后來發展為“關鍵層理論”。錢鳴高等[25]再論煤炭的科學開采時，提到“開采沉陷的本質是力學問題，是塊體運動和散體運動綜合的結果”。郝延綿等[26]假設采場上覆巖層為彈性薄板，建立了預計開采沉陷的模型。郭文兵等[27]提出了基于覆巖破壞傳遞過程的覆巖破壞充分采動程度判據及其高度計算方法，揭示了高強度開采覆巖“兩帶”破壞模式的形成機制。

2.2 采空區地表變形現場監測

對于采空區地表變形的研究，為了可以客觀地發現采空區地基的變形規律，人們往往會首選現場觀測法。相對而言，該方法是最直接和準確的研究方法之一，同時為很多治理措施的實施和研究結論的得出提供了依據。然而該方法也有不足之處，如觀測過程復雜、測試成本高、觀測周期長等。

國內外學者對于開采所引起的地表沉陷進行了一定的現場監測。20世紀50年代起，為了長期監測由開采引起的地表沉陷，我國相繼在各大礦區建立了地表監測站，其中包括阜新、淮南和撫順等主要礦區。O’CONNOR和MURPHY[28]基于時域反射測量原理(TDR)，研制了一種傳感器。并用于監測加拿大某廢棄金礦頂柱的穩定性，以及美國某廢棄煤礦的地層穩定性。該裝置還在新校舍選址過程中得到較好的運用。KOHLI[29]對美國Mary Lee廢棄煤礦進行了地下調查，通過鉆探和地下攝像機技術獲取采空區相關地質信息，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果，基于大多印度煤礦開采處于淺層到中等覆蓋層的情形下，給出了不連續沉降界限;并運用新的一種影響函數法來模擬沉降非對稱性和提取邊緣的影響。陳盼等[31]通過對陜西某煤礦工作面地表移動的現場監測數據的分析，對比了工作面覆巖中有無采空區時的地表移動參數的異處，并結合相關理論對該處重復開采下地表移動規律的差異性進行了說明。宋許根等[32]以程潮鐵礦西區為研究對象，采用采場頂板崩落鉆孔監測和崩落區高密度電法勘探等手段，分析了該區頂板崩落特征和采礦初期地表塌陷機制，探討了采空區地表變形規律。

地表變形監測手段由傳統的沉降儀、水準儀、地表移動觀測站等直接測量儀器逐漸地更新為無線或電磁為媒介的測量手段。於永東等[33]建立了基于BDS和GPS雙系統的采空區地表沉降遠程監測預警系統，主要針對撫順市采空區地表的沉降頻發點進行長期監測，該系統達到了設計的5 mm沉降的監測指標。BDS采空區監測系統及監測基站，如圖16所示。

圖16 BDS采空區監測系統及監測基站Fig.16 BDS goaf monitoring system and monitoring base station

2.3 開采沉陷模型試驗

對于開采沉陷問題的研究，由于地層的復雜性，相似模型試驗往往只能針對某種特定的工況進行模擬，試驗過程中往往會簡化一些地層模型，忽略一些影響因素。模型試驗可以與現場監測數據及數值模擬進行比較分析，不能作為惟一參照。但模型試驗可以為研究者提供宏觀的自然現象和物理規律，這是其優點所在。

劉義新[34]采用相似理論和光彈性模擬實驗方法，建立幾何相似比為1∶1 000相似模型，如圖17所示。對覆巖彈性模量、松散層厚度、開采厚度、開采深度及條帶開采留寬等主要因素與深部條帶開采地表移動規律之間的關系分別進行了模擬研究。

圖17 漫射式光測彈性儀及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，建立室內幾何相似比為1∶200的假三維地質力學模型，如圖18所示。研究了緩傾斜煤層采場上覆巖層的變形規律，分析了采動滑坡變形破壞機理。

孫利輝等[36]通過破碎巖石壓縮試驗、巖石崩解試驗以及建立室內幾何相似比為1∶100相似模型試驗，如圖19所示。研究了不同類型巖石的破碎、崩解性能，分析了巖石的變形過程和特征，最后通過相似模型試驗的結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攝影測量Fig.19 1∶ 100 Plane model and 3D optical photogrammetry

李東陽等[37]通過建立幾何相似比為1∶100的室內三維立體采空區模型，如圖20所示。采用砌筑法進行鋪模，通過對巖層逐級加載并監測巖層地表的位移、頂板與礦柱的應變，同時利用內窺鏡拍攝了礦柱與頂板的破壞過程，并得出了相應的變化規律。

圖20 1∶100室內三維立體模型Fig.20 1∶100 Indoor 3D model

2.4 采場覆巖及地表移動變形的數值模擬

對于采場覆巖及地表移動變形的數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]運用FLAC3D數值模擬軟件建立了多層狀、寬緩皺褶的地質三維模型，通過模擬得到了研究區的垂向位移、隧道徑向和切向應力等，并驗證了理論計算的結果。韓森等[39]利用MIDAS/GTS有限元軟件對近塌陷區礦山公路在地下開采過程中的沉降規律及安全性進行了數值模擬研究，為塌陷區的有效治理提供了理論數據。高建良等[40]借助基于連續介質力學的離散元軟件CDEM，重點研究了采空區“三帶”分布范圍及變形規律。張向東等[41]借助ADINA非線性有限元軟件建立了公路路基-采空區三維模型，并重點分析了煤層傾角、開采深厚比以及路基與采場空間位置等影響因素對高速公路路基穩定性的影響，最后利用MATLAB軟件設計出預測程序。黃平路等[42]結合有限元軟件ANSYS和離散元軟件UDEC對金山店鐵礦進行了數值模擬，分析了考慮有民采和無民采兩種情況下的地表變形規律和礦體圍巖移動規律。王樹仁等[43]結合MIDAS/GTS和 FLAC3D兩種有限元軟件建立了采空區場地橋隧工程三維計算模型，并通過數值計算，研究了下伏采空區橋隧施工過程中的相關力學響應及變形特征。

總之，對于采場覆巖及地表移動變形的研究，從理論解析上，從當初的比較單一、簡單的理論基礎上逐漸發展成更深層、更細化和更統一的科學體系，可以更好地解釋實際問題;從現場監測上，發展至今，采空區地表變形監測技術越來越向綜合化、智能化、精確化方向發展;從模型試驗上，開采沉陷相似模型試驗開始引入光學電子儀器等超高精度測量手段，逐漸從準平面應變二維模型發展為三維立體模型;從數值分析上，隨著計算機軟件的快速更新，人們開始結合各大數值計算軟件的優點來計算相關的數值模型，這在目前是一個比較流行、實用且有效的手段。

3 高速鐵路采空區場地路基變形研究

3.1 高速鐵路列車動荷載傳遞及分布規律

3.1.1車輛荷載縱向分布及傳遞規律

車輪荷載以集中力形式作用于連續鋼軌上，鋼軌作用于離散的扣件之上。通過研究扣件作用反力可以有效地說明高速鐵路車輛荷載的縱向分布及傳遞規律。連續梁結構受集中力作用，對于超靜定結構體系計算支撐反力，需要知道未知量數量，然后通過相應位移法或力法解析多元平衡方程。計算出承擔車輪荷載的扣件數量以及各扣件荷載分擔比是研究該問題的關鍵。車輪集中力作用位置處的鋼軌變形最大，主要表現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的車輪荷載占比最大;鋼軌變形量向作用點兩側遞減，但非無限傳遞，研究發現傳遞到兩側一定數量的扣件出現拐點，有扣件開始受拉力作用[44]。高鐵運行速度快且多車輪作用于鋼軌上，相鄰車輪荷載的疊加效果非常明顯，以單車輪為研究對象很顯然不能符合實際工程情況。趙國堂等[11]通過實測和數值仿真相結合，研究發現同一轉向架兩車輪荷載疊加效果明顯，其主要體現在兩車輪之間的扣件反力有所增加。同一車廂相鄰轉向架車輪荷載疊加效果可忽略不計，但相鄰車廂相鄰轉向架車輪荷載存在一定的疊加效應。

3.1.2車輛荷載橫向分布及傳遞規律

限于軌道路基結構設計，實際工程高鐵路基結構幾何形狀一般成梯形。車輛荷載作用于軌道板及混凝土支座，向下傳遞至路基結構，最后再作用于地基。由于路基等構筑物幾何尺寸的限制，車輛荷載橫向分布規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，但對于混凝土底座板底面壓應力大小橫向分布相對平緩，在設計相關路基及地基承載力時，一般可以將車輛荷載及基床以上結構自重視為等效均布力考慮。

3.1.3車輛荷載豎向分布及傳遞規律

研究路基頂面動應力強度和動應力在路基內部的衰減規律是路基設計的關鍵所在。對于路基內部各結構層動應力水平的影響，除了高鐵車輛設計軸重以及軌道不平順性外，主要還有列車運行速度以及軌道路基結構材料的影響。其中列車運行速度的影響效果明顯，在一定的速度(150～300 km/h)范圍內，路基動應力隨車速線性增長，在這范圍之外則路基動應力與車速無關[44]。路基動應力大小受外界因素增大同時，還受路基內在結構的影響向下呈衰減規律。陳云敏院士和邊學成教授等研究發現有砟軌道路基和無砟軌道路基動應力衰減系數相差較大，在深度3 m同一位置處，無砟軌道路基動應力衰減50%，而有砟軌道路基衰減可達80%。由此可見，無砟軌道路基動應力受車速影響較大，且影響范圍更廣。一般高鐵路基結構動應力在其路基內部已經大部分消耗，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密集動荷載長期作用下，臨界邊界外部的地基土受到的動應力不會引起土體的過大累積沉降，而且很快能恢復穩定狀態[44]。

3.2 高速鐵路路基工后沉降相關要求

我國高速鐵路大多使用無砟軌道結構，為了滿足相應的結構設計和安全運行的要求，其工后沉降不宜超過15 mm;路橋和隧道等過渡段處的工后差異沉降嚴格控制在5 mm之內。對于有砟軌道正線路基工后沉降符合表1的規定[45]。

表1 有砟軌道正線路基工后沉降控制標準Table 1 Standard for settlement control after subgrade construction of ballasted track

3.3 采空區地基與高速鐵路路基相互作用機理淺析

3.3.1采空區地基“活化”變形對高速鐵路路基的作用

采空區地表有“兩移動”和“三變形”，其中包括豎向沉降、水平移動、傾斜、曲率和水平變形。隨著采空區地表移動和變形發生的同時，也在影響采空區場地高速鐵路路基的穩定性。當高速鐵路路基處于采空區場地不同位置時，其受到采空區地表變形影響效果不同。

(1)當高速鐵路路基處于采場上方正中間位置時，路基底面中間處相對兩側沉降略大，不均勻沉降相對較小，高鐵路基以整體沉降為主;由于彎曲作用會使路基兩側產生相對壓應力，可能導致路基或者基床上部結構隆起變形，如圖21所示。

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

(2)當高速鐵路路基處于采場上方邊緣時，靠近采場中心路基一側相對遠離采場中心一側沉降量較大，致使高鐵路基內部結構應力發生變化，表現為路基向采場中心一側傾斜或者路基整體向該側滑移，如圖22所示。

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

以上2種作用致使路基直接發生破壞，然而路基還存在臨界狀態和穩定狀態。采空區地表產生不均勻變形時，路基與地基交界面也可能出現離層現象，此時路基底面可能處于承載能力極限狀態，隨著伴有列車荷載作用，會打破此時的極限平衡狀態致使路基產生移動與變形，從而影響高鐵安全運行。當采空區地表變形與列車動荷載同時作用下變形總值不大于路基變形最大允許值時，視路基處于穩定狀態，可以正常使用。

3.3.2高速鐵路路基荷載對采空區地基的作用

采空區地基下方存在受開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較差。高鐵動荷載在路基內部結構中向下傳遞且呈衰減規律，大部分動應力被路基消耗，還有一小部分傳遞至采空區地基。列車密集荷載長期作用下路基及采空區地基難免會發生累積沉降變形，然而采空區地基中的一部分動應力并非無限向下傳遞，超過一定邊界的動應力對地基土不會產生過多的累積變形，土體會很快恢復穩定狀態，稱該邊界為路基土體產生循環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到垮落斷裂帶的發育高度為原則來確定住宅樓的層數。對于高速鐵路路基對采空區地基的作用效果也有類似的如下3種情況:

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

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)路基土體產生循環累積沉降的臨界邊界與垮落斷裂帶頂邊界相切，這種情況采空區地基處于臨界平衡狀態。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)路基土體產生循環累積沉降的臨界邊界與垮落斷裂帶頂邊界相交，這種情況采空區地基產生活化變形，路基會受活化變形的影響。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 采空區場地高速鐵路路基變形問題的可行性研究手段

3.4.1采用綜合評價法預先評估采空區場地建設高鐵的可行性

在綜合評價方面，目前主要采用現代模糊數學理論構建系統安全的評價理論和評價模型框架。韓科明等[47]基于模糊綜合評判方法對姚橋煤礦西三采空塌陷區進行了穩定性評價，通過結合定性和定量分析使整個評價過程趨向定量化的計算和分析，使評價結果更趨向科學合理;張俊英[48]將采空區場地建筑物擬建情況視為影響因子，通過模糊數學理論提出了采空區地表建筑物地基穩定性綜合評價，并通過3個工程實例加以驗證;楊峰等[49]考慮了水文地質和采空區自身因素還考慮了車輛荷載、采空區沉降因素以及停采時間等影響因子，為武云高速采空區建設場地的安全運營提供了科學的Ⅱ級模糊綜合評價模型。以上學者分別對煤礦沉陷區、采空區地表建筑物地基以及采空區高速公路建設場地的穩定性進行了綜合評價。該評價體系開始逐漸考慮建筑物靜荷載和交通動荷載等影響因子，如果考慮高鐵動荷載、路基結構和采空區條件等多級影響因素，為此構建多級模糊綜合評價模型，對高速鐵路采空區場地路基進行穩定性評價不失為一種方便有效的科學研究方法。

3.4.2運用力學解析法得出采空區場地高鐵動荷載最大估計影響深度

相對于采空區地基，假設高速鐵路路基可以簡化為條形基礎，高速鐵路車輛荷載可以簡化為等效均布力。此類情況可視為采空區地基受條形面積豎向均布荷載作用，該均布荷載為移動均布荷載。

(1)當地基受豎向集中力作用，地基中任一點豎向附加應力為

(1)

式中，σz為地基中深度為z、到集中力p作用點的距離為R處的豎向附加應力。

(2)當地基受到條形面積豎向均布荷載作用，將式(1)進行積分求解得到地基中任一點豎向附加應力為

(2)

(3)對于采空區地基，當地基中的豎向附加應力為地基土自重應力的 10% 時，則豎向附加應力對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力很小，對地基的變形影響可忽略不計。考慮到高速鐵路路基工后沉降相關的嚴格要求以及采空區地基“活化”變形問題的復雜性，建議采用地基中豎向附加應力等于自重應力的5%作為附加應力對采空區地基“活化”變形影響可忽略不計的標準，來確定采空區場地高速鐵路動荷載擾動深度Dz。

(4)設地基巖土的容重γ，則深度為z處的地基巖土自重應力σcz為

σcz=γz

(3)

σz=0.05γDz

(4)

結合式(2)～(4)可推導出最大擾動深度估計DZ為

(5)

對于推導采空區場地高速鐵路動荷載最大擾動深度估計公式，如何確定高鐵路基底面的動應力是該推導的關鍵。目前我國現有的標準路基設計動應力幅值σdl計算公式為

σdl=0.26P′(1+αv)

(6)

式中,車速v為300～350 km/h時，α=0.003;車速v為 200～250 km/h時,α=0.004;P′為列車靜軸重，(1+αv)為沖擊系數,其中，α為取值系數，v為列車速度。客運專線鐵路最大沖擊系數為1.9。

3.4.3現場監測、相似模型試驗及數值模擬3種研究方法協同論證

對于高速鐵路采空區場地路基變形的研究，不僅要考慮列車動荷載的影響，還要考慮采空區地基與路基的相互作用。該問題的研究影響因素眾多，很難通過單一的研究手段去做精細化研究。目前除了理論分析外，現場監測、模型試驗以及數值模擬該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缺點，只有相互結合才能得到更為科學合理的結論去說明問題。程謙恭團隊的李傳寶[51]、梁鑫[52]以及鄭志龍[53]為了研究高速鐵路采空區樁板結構復合路基的變形問題分別進行了相似模型試驗、數值模擬和現場監測。結合3種研究手段，得出了該樁板結構在采空區地基中的作用規律和受力機理，并驗證了樁加固可以有效的限制采空區巷道頂板的變形，進而控制了上方高速鐵路路基的變形。

4 高速鐵路采空區地基治理技術

在高速鐵路線路進行規劃時，一般遵循避開采空區等不良地基的原則。在高速鐵路關鍵線路的鋪設不得不經過采空區時，必須對高速鐵路采空區地基進行預先勘查，對其覆巖穩定性進行分析和評價。然后針對高速鐵路采空區地基的特征、水文地質及工程地質條件、工程類型及其重要程度等，選擇合理的高速鐵路采空區地基的治理方案。對于采空區地基治理技術目前主要有:強夯法、穿越法、跨越法、砌筑法、注漿法和剝挖法。如圖26所示，為高速鐵路采空區地基治理對策及路基抗變形措施。

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

在選擇高速鐵路采空區地基治理時，一般應遵守以下原則:① 在保證行車安全的基礎上，方案要經濟適用;② 方案的選取必須綜合考慮采空區地質條件、路基結構及現場施工情況等。貴東南某高速鐵路D2K93+300～D2K94+000段為主要的煤礦采空區影響區域，通過現場勘察，采空區有深度不同，對于淺層采空區以線路中心兩側各25 m進行地面淺孔注漿加固。處理深度20～30 m，形成沿線路兩側淺、中間深的硬殼;對于中、深部采空區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站段根據現場勘察，該地段有淺層采空區，深度一般為15～30 m，其中主要為巷道和風井;同時根據歷史資料查證，該地段采空區主要從民國時期開始形成。對于現場治理措施，該地段采空區地基主要采用了穿越法，利用鉆孔灌注樁穿過采空區巷道。太原-焦作高速鐵路DK259+135.95～DK259+710.00段，經過現場鉆探揭露，發現大面積采空區和巖溶區，勘測采空巷道埋深平均40～50 m，多數采空區為不穩定頂板。現場采用注漿法治理，對于采空區采用水泥粉煤灰漿，巖溶區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 問題與展望

5.1 存在問題

綜上所述，高速鐵路采空區路基變形問題涉及的領域廣泛，至今難以形成一個較為完整的體系。針對此方面的研究，雖然國內外研究取得了一定的進展，但依舊還有許多問題亟待解決：

(1)高鐵動荷載作用下采空區路基最大擾動深度尚未得到更合理的預計。采空區場地剩余變形對采空區場地高速鐵路路基的作用機理缺乏研究，尚不清晰。

(2)雖然國內外積累了一定的高速鐵路路基動應力現場監測數據和采空區地表沉陷監測數據，但在列車循環動荷載作用下高速鐵路采空區地基變形的現場監測資料非常少。

(3)列車動荷載作用下高速鐵路采空區地基的動本構模型的研究甚少，國內外一般采用其他方面的本構模型，是否合適并沒有做詳細的論證。

(4)在模型試驗方面，現在多將列車動荷載等效為靜力荷載施加，這種方法忽略了列車動荷載的頻率特性、時間特性、動荷載使土層發生軟化特性等。在制作采空區模型時，由于科研項目時間有限，很多忽略時間效應，忽略采空區場地的剩余變形。

(5)高速鐵路采空區地基變形控制技術的實用成果較少，沒有形成較為系統的治理體系。一般在實際工程采取經驗措施，沒有經過詳細的論證和計算，缺乏安全性且造成不必要的資源浪費。

5.2 展 望

筆者通過對高速鐵路路基動力學和開采沉陷學的研究方法進行了簡要回顧，結合2者的研究方法和思路總結了高速鐵路采空區場地路基變形控制問題研究方法以及治理技術，提出以下研究展望:

(1)采空區場地高速鐵路路基變形s由4部分組成，分別為:采空區地基附加變形s1、工程開工后采空區場地剩余變形s2、采空區地基活化變形s3、高速鐵路路基變形s4，公式為s=s1+s2+s3+s4。開展4種變形的精準化、理論化研究，為采空區場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地基的現場調研，應預先提出采空區的地質概化模型，研究采場覆巖及地表移動變形的時空演化規律，形成采空區場地剩余變形的精確預測理論。

(3)利用綜合集成研究方法，加強研究列車動荷載作用下高速鐵路采空區場地路基變形演化機理與規律，構建采空區地基活化判據及評價體系。

(4)結合5G技術構建“天-空-地-深”一體的動態智能預警網絡平臺，形成高速鐵路安全運維預警的理論框架。

(5)由“車輛-軌道-路基”耦合模型發展為“車輛-軌道-路基-采空區地基”耦合模型，加強理論模型的研究。確定高速鐵路采空區場地路基變形類型劃分標準，提出快捷精準辨識方法，形成高速鐵路長期安全運維的有害變形控制方法和災變防控體系。