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基于相似模拟试验的高速公路桥隧下伏采空区稳定性研究

一、引言

1.1研究背景与意义

1.1.1研究背景

随着我国交通事业的蓬勃发展，高速公路的建设规模不断扩大，线路不断延伸。在高速公路建设过程中，不可避免地会穿越各种复杂的地质区域，其中桥隧下伏采空区成为影响高速公路建设与运营安全的重要不良地质问题之一。采空区是指地下矿产资源被开采后留下的空洞区域，由于矿产资源开采历史悠久且范围广泛，在许多地区都形成了大量的采空区。

在桥隧工程建设中，当线路下方存在采空区时，采空区上覆岩层的原始平衡状态遭到破坏，在重力及其他外力作用下，上覆岩层会发生移动、变形乃至垮落。这种变形和垮落会逐渐向上传递，最终导致地表出现沉降、塌陷、裂缝等现象。对于桥梁工程而言，采空区的存在可能导致桥墩基础沉降不均匀，使桥梁结构产生附加应力，严重时可能导致桥梁倾斜、垮塌；对于隧道工程，采空区会增加隧道施工的难度和风险，如引发隧道坍塌、涌水等事故，威胁施工人员的生命安全，并且在运营阶段，可能导致隧道衬砌开裂、变形，影响隧道的正常使用。

例如，在某高速公路建设中，由于对桥隧下伏采空区的探测和评估不足，在施工过程中，一处桥梁桥墩基础出现了严重的沉降，导致桥梁主体结构出现裂缝，不得不暂停施工，进行采空区加固处理和桥梁修复，不仅延误了工期，还增加了大量的工程成本。又如，某隧道在穿越采空区时，发生了坍塌事故，造成了人员伤亡和巨大的经济损失。这些工程事故充分说明了高速公路桥隧下伏采空区问题的严重性和复杂性，亟需深入研究解决。

1.1.2研究意义

对高速公路桥隧下伏采空区稳定性进行分析研究，具有极其重要的理论意义和实际工程价值。

从理论方面来看，目前针对高速公路桥隧下伏采空区稳定性的研究尚不完善，相关理论和研究方法仍处于发展阶段。通过开展本研究，能够进一步深入揭示采空区上覆岩层的变形破坏机理，丰富和完善岩土力学在特殊地质条件下的理论体系，为后续类似工程的研究提供理论基础和参考依据。

在实际工程应用中，准确分析桥隧下伏采空区的稳定性，能够为高速公路的路线规划、桥隧设计提供科学依据，合理确定桥隧的结构形式、基础类型和尺寸等参数，确保桥隧结构在采空区影响下的安全稳定。同时，有助于制定合理的采空区治理方案，采取有效的加固措施，如注浆加固、强夯处理等，消除采空区对桥隧工程的安全隐患，保障高速公路的施工安全和运营安全，减少因采空区问题导致的工程事故和经济损失，提高高速公路的建设质量和使用寿命，促进交通事业的可持续发展。

1.2国内外研究现状

在采空区稳定性分析及相似模拟试验方面，国内外学者开展了大量的研究工作。

国外对于采空区的研究起步较早，从20世纪50年代开始，波兰、前苏联、英国等主要产煤国家就对“三下”采煤技术进行了详细研究，在采空区地表构筑物保护和防治技术方面也进行了大量试验研究，积累了宝贵的经验。在采空区稳定性分析方法上，早期主要采用经验公式和解析方法，如基于极限平衡理论的方法来计算采空区顶板的稳定性。随着计算机技术和数值模拟方法的发展，有限元法、有限差分法等数值模拟方法被广泛应用于采空区稳定性分析，能够更加准确地模拟采空区围岩的应力应变状态和变形破坏过程。在相似模拟试验方面，国外学者通过设计相似模型，研究采空区上覆岩层的移动变形规律，如采用相似材料模拟矿体开采过程，观察岩层的垮落形态和“三带”发育特征。

国内对于采空区问题的研究也取得了丰硕的成果。在采空区探测技术方面，综合运用地质雷达、瞬变电磁法、高密度电法等地球物理勘探方法，能够较为准确地确定采空区的位置、范围和形态。在稳定性分析方面，除了借鉴国外的数值模拟方法外，国内学者还结合工程实际，提出了一些新的分析方法和理论，如基于损伤力学的采空区稳定性分析方法，考虑了岩体在开采过程中的损伤演化对稳定性的影响。在相似模拟试验研究中，针对不同的工程地质条件和采空区特征，设计了多种相似模型，研究了采空区在不同开采条件下的稳定性变化规律，以及采空区对地面建筑物、公路等工程设施的影响。例如，在高速公路下伏采空区研究方面，通过相似模拟试验，分析了采空区上覆岩层的沉降变形对高速公路路基稳定性的影响，为采空区路段的路基设计和处理提供了依据。然而，目前针对高速公路桥隧下伏采空区稳定性分析的相似模拟试验研究还相对较少，且在试验方法、模型设计和结果分析等方面仍存在一些需要进一步完善的地方。

1.3研究内容与方法

1.3.1研究内容

本研究主要围绕高速公路桥隧下伏采空区稳定性展开，具体研究内容包括：

采空区特性分析：对采空区的构造特征、形成历史、分布范围进行详细调查，分析采空区上覆岩层的物理力学性质，如岩石的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比等，以及岩体的结构面特征，为后续的稳定性分析提供基础数据。

相似模拟试验开展：