礦煤開采沉陷區(qū)道路橋梁病害影響分析

孫啟龍

(建雞高速公路虎林至雞西段建設(shè)指揮部，黑龍江 雞西 158100)

雞西市是一座因煤而興的資源型城市，煤炭開采歷史悠久，至今煤炭開采仍是雞西市的主要支柱產(chǎn)業(yè)，并仍將處于煤炭的大量開采期，地表沉陷問題將持續(xù)存在，對各類已有公路的影響難以避免。雞西境內(nèi)的方虎路、206省道、雞虎高速、鶴大高速、丹阿公路等均受到不同程度的影響或損害。同時，雞西市的城市道路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也在不斷發(fā)展，大量的改建、擴建及新建道路都難以避開采煤沉陷區(qū)或壓煤區(qū)。在路、橋建設(shè)和沉陷方面，為了地面建設(shè)而杜絕地下開采，或為了地下開采而停止地面建設(shè)，都不利于煤礦地區(qū)的長期、協(xié)調(diào)、持續(xù)的發(fā)展。本文根據(jù)采煤沉陷區(qū)發(fā)展特點，對處在不同沉陷區(qū)位置的3座橋梁及部分路段受采礦影響發(fā)生的病害情況進行分析，結(jié)合研究結(jié)果提出在采礦區(qū)進行路橋建設(shè)過程中如何有效地控制或減緩地表移動與沉降的具體建議和措施。

1 雞虎高速團結(jié)互通區(qū)采礦區(qū)及橋梁與路段概況

1.1 團結(jié)互通區(qū)采礦區(qū)情況

雞西市某煤礦在雞虎高速團結(jié)互通區(qū)已開采的煤層有36A#、29#、27#。各煤層開采情況見表1。

表1 煤層開采工作面統(tǒng)計

1.2 雞虎高速團結(jié)互通區(qū)橋梁和道路情況

在采礦內(nèi)分布了雞虎高速 “團結(jié)分離橋”、206省道“團結(jié)匝道橋”、“團結(jié)公鐵立交橋”等3座橋，以及雞虎高速公路K182+667—K183+167路段(見圖1)。

圖1 路、橋及開采工作面位置關(guān)系圖

雞虎高速公路團結(jié)分離橋為6跨預(yù)應(yīng)力砼箱梁橋。梁跨30 m，全長187.40 m；肋板式橋臺，柱式橋墩，樁基礎(chǔ)、等角度墩臺；橋平面位于直線與緩和曲線上，縱斷面位于R=12 000 m的豎曲線上；橋面寬24.5 m，橋面鋪裝為改性纖維瀝青混凝土+防滲抗凍混凝土，總厚度18 cm。在兩端橋臺及中部橋墩處留80型寬伸縮縫3道。團結(jié)分離橋2010年開工，2011-10竣工投入運行。206省道團結(jié)互通匝道橋全長65.24 m，共3跨2幅，橋?qū)?3.25 m，橋梁跨徑為3×20 m；預(yù)應(yīng)力砼小箱梁，肋板橋臺，柱式橋墩，樁基礎(chǔ)、等角度墩臺；兩端橋臺留80型伸縮縫2道。該橋2010年開工，2011年10月交工。團結(jié)公鐵立交橋橫跨城雞鐵路，橋梁跨徑10×25 m，全長257.4 m；橋?qū)?4.5 m：預(yù)應(yīng)力砼箱梁，肋板橋臺，柱式橋墩，樁基礎(chǔ)墩臺；橋平面位于緩和曲線、圓曲線上，縱斷面位于R=3 000 m的豎曲線上；橋面鋪裝改性纖維瀝青混凝土、防滲抗凍混凝土累計20 cm；橋臺及橋墩采用橡膠支座；伸縮縫3道，兩側(cè)伸縮縫80 mm寬，中間伸縮縫160 mm寬。2014年開始建設(shè)當年竣工使用。

2 采礦區(qū)開采對團結(jié)互通區(qū)橋梁和道路沉降與病害影響分析

2.1 采礦區(qū)橋梁沉降變化及規(guī)律

3個煤層在2011-07—2013-10之間進行了連續(xù)開采，開采過程均處于3座橋梁及相應(yīng)路段的施工和運營階段。2013-06—2015-11，建雞高速公路虎林至雞西段建設(shè)指揮部對雞虎高速的團結(jié)分離橋及橋頭附近路面進行了病害和沉降的監(jiān)測。圖2為1#監(jiān)測位置的20個沉降觀測點的沉降變化曲線。

圖2 團結(jié)分離橋1#觀測位置的沉降—時間曲線圖

根據(jù)圖2中沉降曲線的變化情況可以看出：在2013-06—2015-11期間，采礦引起的沉降可以分為兩個逐級衰減階段。第一階段：2013-06—2013-09，觀測點的沉降逐漸增加，但沉降變化速度較小，最大沉降點在橋臺附近；2013-10—2014-05沉降變化速度較快，沉降曲線的曲率有明顯的變化，月均沉降變化達到約32 mm；2014-06—2015-05，橋梁沉降速度明顯減慢，月均沉降約為9 mm；2015-05—2015-06末無明顯沉降。第二階段：2015-07—2015-08，月均沉降約50 mm，主要發(fā)生在橋梁東部橋臺附近；2015-09—2015-10均沉降約12 mm；2015-11之后，橋梁微小沉降，沉降速度較小，最大沉降點在橋東部路面。

2.2 采礦區(qū)橋梁和道路病害情況

煤層的連續(xù)開采導(dǎo)致互通區(qū)內(nèi)橋梁和道路出現(xiàn)明顯病害。表2總結(jié)出采礦區(qū)橋梁和路段病害情況。

表2 各橋、路受影響情況與建設(shè)類型表

根據(jù)現(xiàn)場病害調(diào)查情況，團結(jié)分離橋在沉降的第一階段，橋西路面發(fā)生不均勻下沉、伸縮縫擠壓現(xiàn)象,見圖3、圖4；在第二階段，雞臺橋西路面發(fā)生顯著的開裂、拱起現(xiàn)象,見圖5、圖6。

圖3 橋面受擠壓變形的伸縮縫

圖4 橋面受拉伸變形的伸縮縫

圖5 路面受拉伸的開裂縫

圖6 路面受擠壓的拱起

3 采沉陷礦區(qū)橋梁與道路病害形成原因

3.1 采礦區(qū)產(chǎn)生沉陷的規(guī)律

煤層開采對地表建(構(gòu))筑物的影響主要體現(xiàn)在采礦引起的地表移動與變形規(guī)律、采煤沉陷區(qū)建(構(gòu))筑物的工程類型，以及建(構(gòu))筑物在沉陷區(qū)中的位置等方面。首先，煤層的開采具有典型的連續(xù)變形的特點。充分開采條件下，下沉盆地可劃分為盆地中部區(qū)、邊沿區(qū)、外邊沿區(qū)，各區(qū)的地表移動過程不同。以曲率K為例，位于下沉盆地中部區(qū)域的地表土要經(jīng)歷K0=0→K1>0→K2=0→K3<0→K4=0的發(fā)展過程，該過程最為復(fù)雜；位于下沉盆地邊沿區(qū)的地表土只經(jīng)歷由K0=0→K1>0→K2=0→K2<0的發(fā)展過程，該過程相對復(fù)雜；位于下沉盆地外邊沿區(qū)的地表土僅經(jīng)歷由K0=0→K1>0的發(fā)展過程，該過程相對簡單；位于地表最早發(fā)生沉降區(qū)某一微小地表土僅經(jīng)歷由K0=0→K1<0的發(fā)展過程，符合該過程的區(qū)域極小，在工程建設(shè)方面可忽略。其次，煤層的開采具有典型的地表移動活躍期較長的特點。單一煤層開采引起的地表移動持續(xù)時間可分為初始期、活躍期、衰退期等3個主要的時間段，之后進入緩慢的地表殘余變形階段；多煤層不同步開采時，地表移動的量值及各持續(xù)時間段交互影響，往往延長了多煤層開采時總的地表移動時間。第三，煤層開采具有典型的地表二次塌陷特點。地表的二次塌陷往往由采空區(qū)周邊頂板垮落傳導(dǎo)至地表，引起地表移動與變形。團結(jié)分離橋在2013年6月至2015年11月期間觀測到的沉降變形曲線所表現(xiàn)出的兩個逐級衰減特征，對采礦區(qū)內(nèi)的沉降規(guī)律進行了驗證。

3.2 采礦區(qū)橋梁與道路病害成因分析

3.2.1 采礦區(qū)內(nèi)路段病害分析

團結(jié)匝道橋?qū)儆凇跋冉ê蟛伞鳖惞こ?，團結(jié)匝道橋是206省道上2010年以前就存在的公路橋，使用階段正經(jīng)歷了煤層開采的地表移動初始期、活躍期、衰退期及后續(xù)殘余變形的影響。但由于工程位于沉陷盆地的外邊沿區(qū)(地表曲率僅出現(xiàn)由k=0～k>0的變化)，因此團結(jié)匝道橋僅受輕微的地表變形影響，橋梁不需要維修，可以正常通行。

團結(jié)互通橋?qū)儆凇跋炔珊蠼ㄔ俨伞鳖惞こ蹋摌蛭挥谙鲁僚璧氐闹胁科?地表曲率出現(xiàn)由K0=0→K1>0→K2=0→K2<0的發(fā)展過程)，正是地表移動與變形發(fā)生比較劇烈的地段。該橋受采動影響大致可分為3個階段：首先該橋在建設(shè)前，36A#煤層的開采活動已經(jīng)結(jié)束，地表的移動與變形的活躍期已過，此建設(shè)期的橋梁、橋柱、橋面等僅受36A#煤層開采后地表剩余或殘余變形影響，這個階段并未影響到橋的正常運行；第二階段，橋梁建成后又開采27#、29#煤層，因此橋梁既受到以前采煤活動引起的地表移動衰退期的影響，又受到開采27#、29#煤層引起的地表移動初始期、活躍期、衰退期等全過程的影響，并且以27#、29#的開采影響為主，橋柱、橋梁等受到反復(fù)地拉伸、擠壓，變形縫呈現(xiàn)寬度加大—逐漸變小的反復(fù)過程，有一處變形縫受擠壓嚴重，以致縫兩側(cè)的梁端混凝土碎裂、酥化，而同時另一處的變形縫寬度達130 mm(設(shè)計值為80 mm)(圖3、圖4)；路面開裂、拱起(圖5、圖6)等，第三階段是受到采空區(qū)二次塌陷的影響，采空區(qū)的二次塌陷引起的地表移動與變形不如首次發(fā)生的劇烈，范圍也較小，僅在團結(jié)互通橋以東約50～80 m范圍的路面兩處橫向拱起。

團結(jié)公鐵立交橋?qū)儆凇跋炔珊蠼ā鳖惞こ?，位于下沉盆地的外邊沿區(qū)(地表曲率僅出現(xiàn)由k=0～k>0的變化)。該橋建于2014年，基本是在地表移動的衰退期建設(shè)，建設(shè)地點在礦區(qū)鐵路的保護煤柱(煤柱被回采了一部分)上方，在建設(shè)時間上避開了地表移動的活躍期，建設(shè)地點也屬于地表移動相對較弱的地段。

3.2.2 采礦區(qū)內(nèi)橋梁病害分析

團結(jié)互通橋為6跨2幅，即留設(shè)3條伸縮縫(橋面一條，兩端橋頭各留設(shè)一條)，橋梁結(jié)構(gòu)不利于吸收地基土的不均移動與變形。在地基發(fā)生水平移動時，橋柱隨著發(fā)生移動，移動的橋柱通過柱頭的梁墊與橋梁間的摩擦力帶動橋梁產(chǎn)生移動，當水平移動不均勻時，就表現(xiàn)為橋面、橋頭伸縮縫拉伸或壓縮，當橋柱間地表水平移動值相差過大或過小、橋面及橋頭的3條伸縮縫和梁墊的有效支撐長度之和不足以向梁體提供自由移動的空間時，必然導(dǎo)致伸縮縫拉開或壓縮，嚴重時產(chǎn)生落梁和梁頭受壓碎裂現(xiàn)象；在地基土產(chǎn)生不均勻沉降差時，支撐單個連續(xù)梁的多個橋柱的沉降也是不均勻的，進而使梁、柱間的支撐狀態(tài)發(fā)生不一致的改變，最終在橋梁內(nèi)部產(chǎn)生附加內(nèi)力，有可能對橋梁造成破壞。比較而言，團結(jié)互通橋的梁柱結(jié)構(gòu)在吸收地基移動與變形方面，不及簡支橋梁。這也是團結(jié)互通橋受損害比較嚴重的內(nèi)在因素。

4 采礦區(qū)路、橋建設(shè)及維護

通過“團結(jié)匝道橋”、“團結(jié)分離橋”、“團結(jié)公鐵立交橋”及一些路面的損害成因分析，筆者認為，煤礦地區(qū)除地下宜采用充填、協(xié)調(diào)、間歇等可顯著降低對地表影響程度的開采技術(shù)措施外，還需從以下幾個方面進行地面建設(shè)的協(xié)調(diào)，以確保路橋的安全暢通。

1)建設(shè)線路如無法避開變形劇烈的沉陷區(qū)，則宜將線路布置在沉陷區(qū)的外邊緣地段，這些地段在沉陷區(qū)的動態(tài)發(fā)展中，地表的移動與變形相對較為平緩。

2)道路的建設(shè)、維修、養(yǎng)護宜避開地表移動與變形的初始期、活躍期。路、橋類地表線性構(gòu)筑物，延展較長，跨區(qū)域較廣，而采煤沉陷區(qū)僅為其中的某一段落，移動與變形劇烈的地段在線路中所占的比例畢竟有限，移動與變形持續(xù)的時間也相對較短(單一工作面引起的地表移動活躍期較短),因此可以通過分段、延緩接續(xù)等施工組織避免在地表移動初始期及活躍期建設(shè)、維修或養(yǎng)護路、橋。

3)在路、橋的設(shè)計階段，宜充分考慮道路、橋所處地段會出現(xiàn)的地表移動和變形，采取可減小或抵抗地表移動與變形不利影響的技術(shù)措施。一般情況下跨度較大的連續(xù)橋梁其抗變形能力要小于簡支橋梁的“抗變形”能力，在地表移動與變形影響下，前者會產(chǎn)生附加結(jié)構(gòu)內(nèi)力，有可能對橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)成危害，而后者不會產(chǎn)生內(nèi)力，只會在相鄰的簡支梁間產(chǎn)生相對位移，在路面墊層中鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)可以減小路面出現(xiàn)裂縫等。

綜上，地下開采時采取減緩地表移動與變形發(fā)生的措施、地面路橋建設(shè)時充分考慮地表已經(jīng)發(fā)生或未來可能發(fā)生的地表移動與變形影響、在規(guī)劃與設(shè)計階段事前控制，通過地下開采與地面路橋建設(shè)的共同協(xié)調(diào)，解決采煤地區(qū)路橋等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與資源充分利用的共同發(fā)展問題；在地下開采難以避免時，更應(yīng)注重在路橋建設(shè)的規(guī)劃、設(shè)計及施工階段采取必要的技術(shù)措施，防范或降低開采情況下地表移動與變形對路橋的影響程度。

5 結(jié) 論

雞西市“團結(jié)匝道橋”、“團結(jié)分離橋及相關(guān)道路”、“團結(jié)公鐵立交橋”是同一采煤沉陷區(qū)內(nèi)受開采影響程度不盡相同的重要橋梁和路段，通過對路橋所處地段的地表移動與變形特點分析，可得出以下結(jié)論：

1)煤礦地區(qū)在路橋線路規(guī)劃階段，研究建設(shè)場地所在地段受開采影響時的地表移動規(guī)律，在線路難以避開動態(tài)沉陷區(qū)影響時，宜將線路布置在動態(tài)沉陷區(qū)的外邊沿區(qū)，避開動態(tài)沉陷區(qū)的中部及次邊緣區(qū)等不利地段。

2)在設(shè)計位于動態(tài)沉陷區(qū)的橋梁及路面時，宜采取有利于抵抗或吸收地表變形的橋梁結(jié)構(gòu)，通常情況簡支結(jié)構(gòu)橋梁優(yōu)于連續(xù)梁結(jié)構(gòu)橋梁，小型橋梁優(yōu)于中大型橋梁，預(yù)設(shè)伸縮縫較多、較寬的橋梁優(yōu)于伸縮縫較少、較窄的橋梁，圓形過水涵洞優(yōu)于箱涵，縱向加筋路面利于減少、減小路面的橫向裂縫等。

3)在動態(tài)沉陷區(qū)修建橋梁宜在地表移動期之后進行施工，不應(yīng)在地表移動初始期和活躍期進行施工，應(yīng)杜絕地表移動初始期、活躍期內(nèi)在動態(tài)沉陷區(qū)的中部區(qū)施工。

4)建立沉陷區(qū)及路段的移動與變形觀測站，在地表移動開始前及橋、路建設(shè)前，分別建立地表、道路的移動與變形觀測，取得沉陷區(qū)發(fā)展全過程的完整數(shù)據(jù)和路橋建設(shè)期及竣工運營后一段時間內(nèi)橋梁、路面的位移、變形數(shù)據(jù)，及時分析、研究沉陷區(qū)的地表移動發(fā)展規(guī)律，研究地表與路橋間的移動與變形相關(guān)關(guān)系，為路橋的安全通行、維護方案選擇及新的路橋設(shè)計和建設(shè)提供可靠理論與數(shù)據(jù)支撐。