高铁线路与采空区在不同夹角下地表沉降研究_张兴胜.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202209010开放科学（资源服务）标识码（OSID）高铁线路与采空区在不同夹角下地表沉降研究张兴胜1，谭海成1，干丰源2，董金玉1（1.华北水利水电大学地球科学与工程学院，郑州450046；2.河南省公路工程局集团有限公司，郑州450052）摘要：基于 CRH380A 列车车辆-轨道系统的动载特征，以河南某采空区为工程依托，研究线路轨道与采空走向不同夹角 下地表沉降规律。结果表明：随着 的增加，沉降槽宽度和车辆荷载影响范围呈现出在沿采空区倾向主断面上增加，在走向主断面上减小；最大附加沉降值在不同 时则较为接近。自列车中心向外，当 自 090增加时，附加沉降曲线影响范围在倾向主断面与走向主断面上分别呈现出增加及减小的趋势；同时，自 090增加时沉降曲线形状在倾向主断面上有深“V”形至“U”形，在走向主断面上有“U”形至深“V”形变化规律。关键词：高速列车荷载；采空区；不同夹角；沉降变形；沉降槽中图分类号：P642文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)01 0222 06 0 引言煤炭开采完成后岩体内将留有一定数量的空腔，这将改变原有地层的应力-应变状态，进而诱发地层产生位移、开裂、破碎，直至上覆地层整体弯曲、下沉，诱发地表产生形变。采空区经过较长时间的自然压实，地表趋于基本稳定。但在外力扰动下，采空区本已相对稳定的应力状态将被打破，使老采空区“活化”，导致地基产生不均匀沉降1-3。娄邵铁路因横穿牛马司煤矿中部，煤矿开采量较大，其地表下沉盆地和影响范围是大面积的，列车长期限速至 2530 km/h4。后续娄邵快速铁路的建设选择绕开牛马司煤矿，其运行速度160180 km/h。因这一区域地下并不存在采空区影响线路安全，邵永高铁段设计速度为 350 km/h5。穿越采空区的高速列车长期往复荷载作用可能会诱发基本稳定的采空区“活化”并产生新的形变，这将严重影响高速列车的运行速度和行车安全6。张志祥等7把交通荷载按振幅等效为不同的静力荷载，通过施加静载模拟该过程，采用分级逐渐加载，研究发现随着交通荷载的增加，采空区会重新“活化”，地表沉降和残余变形也会加大；高广运等8研究指出：在分析交通荷载时，将动荷载等效为静力荷载，忽略动荷载的频率特性、时间特性、加载次数及土体在动力下可能发生的软化等；张海波等9通过 GTS 程序模拟现场条件，研究浅埋采空区地层受列车振动荷载扰动，发现在列车行进过程中，应力逐渐在覆岩上方集中，最大位移发生在采空区上方地表；孙琦等10研究浅埋采空区对路基稳定性的影响，发现交通荷载会加剧地表下沉，影响路基稳定性；Biot M A11-12将地面视为饱和弹性空隙介质，其充分考虑土壤间固相和液相间的相互作用，开创了完全饱和空隙弹性介质动力学理论；Lu J F 等13提出三维半空间多孔介质模型理论，研究在多孔介质表面施加点载荷并以恒定速度移动，推导动态控制方程；Cai Y Q 等14引入一个无限长的欧拉梁来描述钢轨，该梁由连续质量表示，并考虑道碴的影响；Lefeuve-Mesgouez G等 15将地面内部建模为完全或部分饱和多孔黏弹性半空间，使用修正的滞回阻尼模式，获得简谐荷载作用下的三维半解析解；Krylov V V16提出一个模型来研究高速列车产生的轨道动态响应，仅考虑瑞利波的作用，采用弹性土介质格林函数的近似表达式；Kargarnovin M H 等 17-18研究 Pasternak 黏弹性半空间和非线性黏弹性半空间上移动荷载产生的 Timshenko 梁振动；翟婉明等19-23通过考虑轨道不平顺引起的动荷载，在轮对和钢轨间引入了赫兹接触弹簧。高铁振动荷载作用下采空区地表的沉降规律需进一步研究，本文将重点研究高铁通过河南某采空 收稿日期：2022 10 28基金项目：河 南 省 重 点 科 技 攻 关 项 目（202102310018，192102310267）作者简介：张兴胜（1978），男，河南濮阳人。副教授，博士，主要从事地面沉降地质灾害研究、教学工作。E-mail：。路基工程 222 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）区地段时高速列车线路与采空不同夹角时高速列车振动荷载诱发地表沉降规律，对高速列车线路选线及行车运行安全提供技术支撑。1 高速列车荷载高速列车运行引起一定频率的振动，产生机理大体表现为：轮轴移动荷载所产生的振动，一旦列车运行速度接近轨道-路基临界速度时，所激发的振动振幅非常大，即产生共振现象；列车运行时车体的摇头、点头和蛇行等运动所产生的振动；轨枕或扣件的离散支承，造成轨道结构刚度沿纵周期性变化，当列车在轨道上移动时产生周期性激励；车轮偏心、钢轨表面不平顺、钢轨及车轮踏面不均匀磨损引起的各种激励；钢轨接头刚度变化以及道岔等引起的振动24。基于上述条件，车辆荷载为F(t)=P0+P1sin1t+P2sin2t+P3sin3t（1）式中：P0为车轮静载；P1为行车平稳性振动荷载；P2 作用线路上的动力附加荷载的振动荷载；P3波形损耗的振动荷载。式（1）未考虑车轮对力在轨道上移动、轮对力间的叠加及轮轨力在枕轨上的分散作用，修正为F(t)=k1k2F(t)（2）k1反映相邻轮轨力之间的叠加作用，主要是车轮间距、车轮个数、轮重等；k2反映轮轨力由5 个扣件分担 25。F(t)=k1k2(P0+P1sin1t+P2sin2t+P3sin3t)（3）假定列车簧下质量 M0，相应振动荷载幅值Pi=M0ii2（4）ii=2v/Li式中：为相应于不平稳控制条件下的几何不平顺矢高；i为振动频率（，v 为列车运行速度，Li为几何不平顺曲线的波长）。轨道不平顺管理值，见表 1。表1轨道不平顺管理值控制条件波长/m正矢/mm行车平稳性（）50.0016.00020.00 9.00010.00 5.000作用到线路上的动力附加荷载（）5.00 2.500 2.00 0.600 1.00 0.300波形损耗（）0.50 0.100 0.05 0.005123京广高速列车 CRH380A，车长 203 m，车宽3 380 mm，轴重最大值 15 t，簧下质量 1 000 kg，v=350 km/h。、控制条件分别取其典型的不平顺波长和对应容许偏差值：L1=10 m，=3 mm；L2=2 m，=0.4 mm；L3=0.5 m，=0.08 mm。考虑车辆轮轨间叠加作用和枕轨等分散作用，计算得 k1=1.65，k2=0.8。得出 350 km/h 高速列车单轮激振力F(t)=99+11.17sin61.07t+37.287sin305.36t+119.35sin1221.45t（5）i高速列车运行时，直接采用上述公式会产生负值，显然与实际不符26。列车运行中，一直对轨道产生压力，不会产生拉力。表 1 中的正矢数值应是轨道最低点与量测弦间的距离，其值约等于 2 倍波形振幅，故 的选取应以正矢值的一半，见图 1。量测弦L轨道纵向轨顶标高o正矢2振幅图1轨面正矢量示意 基于轨面正矢值的修正后F(t)=99+5.585sin61.07t+18.644sin305.36t+59.675sin1221.45t（6）高速列车车轴下的激励力F(t)=198+11.17sin61.07t+37.287sin305.36t+119.35sin1221.45t（7）得到 350 km/h 高速列车振动荷载曲线，其前2 秒的波形，见图 2。00.51.01.52.0100200300400力/kN时间/s图2高速列车荷载 2 工程背景、模型及监测设计 2.1 工程背景高速列车穿越河南某采空区段研究区位于豫西张兴胜，等：高铁线路与采空区在不同夹角下地表沉降研究 223 南，第四纪地层厚 30.0050.00 m，砂岩地层厚100.00140.00 m，以深灰色细粒砂岩、中粒砂岩和粉砂岩为主，具有波浪状和闪长状层理特征。泥岩层厚 94.00130.00 m，主要为灰色泥岩和灰色粉砂泥岩，其中有 5 层煤层，厚度 017.78 m，浅层煤层已开采完毕，地层已稳定。研究选取范围为 400 m200 m306 m，地层自上而下分别为第四系土、砂岩、泥岩、煤层、底板（砂岩），厚度依次为 40、112、120、8、26 m。煤层平均采深 272 m，开采工作面宽度 20 m，采厚 8.00 m。各地层物理力学参数，见表 2。表2各地层物理力学参数地层密度/（kNm3）单轴抗压强度R/MPa黏聚力c/MPa弹性模量E/MPa内摩擦角/()泊松比覆盖物1.81 2.010.058250015.10.30砂岩2.5640.603.510720034.00.31泥岩2.1127.603.150390031.00.28煤层1.41 9.612.02060030.00.32砂岩2.5640.603.510720034.00.31根据无砟轨道的特点，构建道床、底座和地基数值模型示意，见图 3。A 为列车，B、C 分别为轨道及地基。地基及轨道等参数，见表 3，自密实混凝土和减震垫层厚度都较小，对实际计算影响不大。图3车辆-轨道-地基数值模型示意 表3地基及轨道等参数位置密度/（kNm3）弹性模量/GPa泊松比宽厚/（mmmm）轨道板2.50036.500.1672800260底座板2.50032.500.1673400300基床表层2.0000.220.2503400400自密实混凝土2.50032.500.200250010减震垫层0.1750.100.250250010基床地层1.8006.000.25034002300 2.2 数值计算模型为便于分析，把列车置于计算模型地表中心，构建模型时考虑冒落带、裂缝带、弯沉带的“三带”分布特征及影响范围，分别对“三带”进行赋参，赋参方法按照一定的折减原则27，见表 4。将“三带”的物理力学参数进行折减，以开采上限至“三带”曲线的最高点作为破坏高度。表4参数折减类型弹性模量E黏聚力c泊松比冒落带1/201/301/201/3012裂缝带1/201/101/201/1012弯曲带1/31/51/31/5同原始参数 根据岩石性质和煤层采空厚度确定“三带”的高度，冒落带和裂缝带高度确定方法，见表 5。最大高度计算公式中，M 为煤层采厚，m。表5最大高度计算公式岩性冒落带最大高度裂缝带最大高度泥岩（中硬）H冒=100M4.7M+192.2H裂=100M1.6M+3.65.6为研究高速列车轨道方向与煤层采空巷道在水平面上投影不同夹角 工况下采空区上覆地层的动力响应规律，选取 分别为 90、60、30、0四种工况作为主要研究对象。高速列车轨道线路与采空巷道在水平面上投影示意，见图 4。R 代表巷道（40 m4 m），T 代表线路。TRRTRTTR（a）0（b）30（c）60（d）90图4轨道线路与采空巷道在水平面上投影夹角示意 倾向主断面（-）和选取走向主断面（-）作为关键断面进行分析研究，两主断面地表监测点布置，见图 5。列车长度相对于研究区域较长，故可将列车动载施加在研究区域中心部位。II图5地表监测点布置 3 高速列车作用下采空区地表沉降规律 3.1 倾向主断面（-）沉降规律 分别为 0、30、60、90四种工况下，振动荷载扰动下倾向主断面的位移云图，见图 6。采路基工程 224 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）空区覆岩及地表变形量值以列车荷载作用处为中心向周围扩展，道床中心处沉降值最大，随着距离增加，动载所诱发的沉降值减小。四种工况下道床中心处最大沉降值分别为 1.452、1.407、1.423、1.438 mm，随着岩土体深度的增加沉降值不断减小，且沿纵轴对称分布。沉降在地表处主要集中在道床下部，较小时沉降影响宽度较小而深度较大；较大时沉降影响的宽度较大而深度较小。（b）30（c）60（d）90（a）01.0000E042.0000E043.0000E044