新發(fā)煤礦采動影響下高速公路橋梁變形規(guī)律及評價

劉卓然，趙高博

(1.天地科技股份有限公司，北京 100020；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新 125105;3.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

目前，我國高速公路橋梁建設(shè)與煤炭工業(yè)都得到了快速的發(fā)展，而煤炭開采誘發(fā)的高速公路橋梁的損壞問題日益突出[1-2]。煤炭開采導(dǎo)致頂板失穩(wěn)、破碎垮落，直至傳遞至高層位覆巖整體下沉、彎曲進而引起的地表變形[3-4]，將影響地表高速公路橋梁地基的初始平衡狀態(tài)，將導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，影響高速公路橋梁的正常使用[5-7]。

部分學(xué)者就地表構(gòu)筑物下采煤進行了深入的研究。譚志祥等[8]分析了煤礦開采鐵路橋變形與地表變形之間的關(guān)系；徐平等[9]觀測了采動影響區(qū)地表橋梁數(shù)據(jù)，并設(shè)計了覆巖離層注漿方法控制采動橋梁變形；于廣云等[10]通過數(shù)值模擬方法研究了地表移動變形對橋梁附加應(yīng)力的影響；郭文兵等[11]通過理論分析，建立了采動影響區(qū)地基與地表構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)協(xié)同變形理論模型；張敏霞等[12]通過室內(nèi)模型試驗研究了公路橋梁與地表沉陷曲率之間的關(guān)系；梁鑫等[13]基于采空區(qū)群樁模型試驗，研究了橋梁群樁基礎(chǔ)受力機制。

研究著重于分析采動影響下橋梁變形與地表移動變形之間的定量關(guān)系，而隨著工作面的推進對地表橋梁結(jié)構(gòu)變形的動態(tài)過程分析鮮有提及。本文以新發(fā)煤礦與雞虎高速公路雞西段的1號橋為研究背景，對1號橋受采動影響的變形過程進行了研究，并對該橋進行了采動影響評價，提出相對性的防護措施，可為高速公路橋梁下煤炭高效開采提供指導(dǎo)。

1 新發(fā)煤礦與高速公路橋概況

1.1 新發(fā)煤礦概況

新發(fā)煤礦的主要含煤地層位于城子河組，共有9個可采煤層，分別為4號、7號、24號、25號、27號、29號、36A、41號、42號煤層，煤層平均厚度為1.5 m，煤層開采順序：采區(qū)由近至遠的前進式和先上后下的下行式開采，而沿走向前進式開采，沿傾斜方向先淺后深，上下煤層之間或煤層組之間原則上先上后下，采區(qū)內(nèi)工作面采用走向長壁后退式的回采方式，全部垮落法控制頂板。

新發(fā)煤礦于2013年11月前已采煤層工作面共4個，分屬于3個煤層：36A、29號、27號煤層，已開采煤層情況統(tǒng)計見表1。

表1 新發(fā)煤礦已開采煤層情況

1.2 高速公路橋概況

雞虎高速公路位于黑龍江省東部三江平原腹地，為黑龍江省東部交通大通道，路線總體走向為由東北向西南，路線規(guī)劃全長約383 km。

本文研究對象為雞虎高速公路雞西段的1號橋(簡稱“1號橋”)，如圖1所示。1號橋為團結(jié)互通分離橋(設(shè)計樁號K182+973 m)；橋跨徑設(shè)計為6～30 m；橋梁全長187.40 m，共6跨，全橋共2聯(lián)；橋梁寬為24.5 m。

1號橋橋梁上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，先簡支后連續(xù)，下部結(jié)構(gòu)橋臺采用肋板臺，橋墩采用柱式橋墩，墩臺采用樁基礎(chǔ)；橋面鋪裝采用18 cm(上層改性纖維瀝青混凝土+5 cm改性瀝青混凝土+防水層+8 cm防滲抗凍混凝土)。

雞虎高速公路的1號橋與新發(fā)煤礦已采煤層的平面相對位置如圖2所示。由圖2可知，新發(fā)煤礦已采煤層工作面位于1號橋下方附近，受新發(fā)礦36A、27及29煤層重復(fù)采動的影響。

圖2 1號橋與新發(fā)煤礦已采煤層相對位置

2 采動影響下高速公路橋變形規(guī)律

截至2013年10月，新發(fā)礦已在1號橋下進行了多煤層開采，對1號橋的影響較大，以新發(fā)礦開采時對1號橋的影響過程，分析地下開采對橋的影響機理。

1號橋為6跨2聯(lián)橋，自左向右，跨度分別為2 992、3 000、2 992、2 992、3 000、2 992 cm。在橋的整個結(jié)構(gòu)方面，縱向抗彎剛度要小于橫向抗彎剛度。沿著橋的中心軸線，在結(jié)構(gòu)上有3類7處薄弱點：3號柱上的梁留設(shè)的80 mm伸縮縫為一類薄弱點A；0號、6號橋墩分別與兩邊道路相接處(橋臺)留設(shè)的伸縮縫為一類薄弱點B、B1，共2處；0號橋墩至3號柱(3號柱至6號橋墩)為3跨，相鄰兩跨梁均為預(yù)制場制作，梁兩端預(yù)留鋼筋，吊裝后通過后澆筑鋼筋混凝土相接而成，后澆帶為一結(jié)構(gòu)薄弱點C、D(C1、D1)，共4處；橋的橫向分為上行與下行2方向，中間留有隔離帶，通過頂部連梁形成的倒U型雙橋柱支撐的單獨的上行或下行結(jié)構(gòu)均具有相對較大的整體抗彎剛度。平行于橋的縱向中心軸線，路、橋結(jié)構(gòu)及地下煤層的剖面關(guān)系如圖3所示。

圖3 1號橋結(jié)構(gòu)及地下煤層的剖面關(guān)系示意

由圖3可知，沿著高速路的車行方向(縱向剖面)，當工作面位于橋①梁下方且自西向東推進至某一位置時，地表路面開始下沉和水平移動。

當工作面繼續(xù)推進至B、B1時(圖4(a)、圖4(b))，1號橋的0號橋墩開始受到影響，下沉盆地剖面如圖4(a)中①、圖4(b)中②所示，此階段1號橋的B處薄弱點位于下沉盆地外邊緣，屬于拉伸區(qū)；路基土體與0號橋墩呈現(xiàn)向采空區(qū)所在一邊(左邊)的移動。

圖4 地下工作面開采、地表路面下沉的剖面關(guān)系示意

由于0號橋墩與3號橋柱之間的橋梁為一整體(此時1號、2號、3號柱尚未受采動影響，仍保持對上部橋梁的有效支撐，當0號橋墩與1號柱之間的橋梁不與其他橋梁聯(lián)為一體時，也即單跨簡支時，橋梁將與橋墩同步下沉)。因此，橋梁不出現(xiàn)與路面同步的下沉，使B處變形縫出現(xiàn)張裂的臺階狀變化。隨著工作面的繼續(xù)推進，上述變化呈現(xiàn)逐漸加劇的發(fā)展趨勢。在此過程中，由于0號橋墩下沉，對0號橋墩、3號橋柱之間的橋梁的支撐減弱，其橋梁重量及道路通行的負載將由1號、2號、3號柱承擔，因此1號、2號、3號柱的地基也將產(chǎn)生一定的壓縮沉降。

當開采工作面推進至c處時(圖4(c))，下沉盆地剖面如圖4(c)中③所示，1號柱受采動影響出現(xiàn)下沉和水平移動，此時0號橋墩處于壓縮區(qū)，1號柱處于拉伸區(qū)。0號橋墩、1號柱對橋梁支撐作用的減弱，會使0號橋墩與3號柱間的橋梁發(fā)生蹺蹺板效應(yīng)。在地基土向采空區(qū)方向移動的過程中，橋柱受到上部橋梁的摩擦力作用，也會發(fā)生一定的傾斜。

當開采工作面推進至d處時(圖4(d))，下沉盆地剖面如圖4(d)中④所示，2號柱受到采動影響，出現(xiàn)下沉和水平移動。此時橋梁底部摩擦力的累計，將使橋梁向左移動，在B處產(chǎn)生強烈的擠壓效應(yīng)，使橋與路的連接橋臺B處發(fā)生鼓起、同時A處變形縫受拉，寬度增大。

在上述采動對橋墩、橋柱、橋梁的影響過程中，位于動態(tài)下沉盆地受拉區(qū)的地基土、橋墩、橋柱、橋梁總體上會產(chǎn)生指向下沉盆地一側(cè)的水平移動，但移動量不相同，基本上呈現(xiàn)地基土、橋墩、橋柱、平臺梁(梁墊)、橋梁的移動量依次減小的趨勢，最終橋墩、橋柱發(fā)生相對位移及傾斜、部分橋梁支墊由直立圓柱形變?yōu)樾苯菆A柱，如圖5所示。

圖5 地基土、橋墩、橋柱、橋梁的相互移動與受力示意

在高速公路的橫向方向(橫剖面，圖6)，倒U形雙橋柱也要經(jīng)歷地表變形的拉伸和壓縮的交替變形或移動影響，但該方向的橋柱連梁具有的較大的抗彎剛度，因此單獨的上行或下行橋面只會出現(xiàn)與地表傾斜方向一致的傾斜和水平移動，上行線與下行線間的隔離帶會出現(xiàn)壓縮(間距減小)或拉伸(間距增大)現(xiàn)象，如一側(cè)采動引起的地表傾斜值過大，則橋梁會出現(xiàn)側(cè)滑現(xiàn)象。

圖6 1號橋橫向剖面示意

3 高速公路橋采動影響評價

為對1號橋受到的采動影響進行評價，在新發(fā)煤礦對36A煤、27號煤及29號煤回采后，2013年11月2—7日對1號橋橋面下沉值進行了實測，1號橋橋面實測累計下沉量見表2。

表2 1號橋橋面實測累計下沉量

1號橋在建設(shè)時就已經(jīng)受到新發(fā)礦2011年以前的開采對地表變形的影響，竣工后又受到2011年至2013年間開采影響。由表2可知，在新發(fā)煤礦對36A、27號及29號煤層回采后，1號橋仍處于地表下沉活躍期，截至2013年11月7日，1號橋最大累計下沉量達到706 mm，大于上述計算的1號橋墩臺均勻總沉降允許值(110 mm)。因此，截至2013年11月，雞虎高速公路雞西段1號橋橋梁不能安全使用。

另外，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，1號橋及臨近道路路面已出現(xiàn)了影響道路通行的不均勻下沉、拉裂和壓縮拱起現(xiàn)象，受采動影響的路面、橋面、橋墩、橋柱與橋梁支墊如圖7所示。

圖7 受采動影響的路面、橋面、橋墩、橋柱與橋梁支墊

綜上，若不采取任何保護性措施，在短期繼續(xù)全部開采1號橋下所壓煤層7號、24號、41號、42號煤層，則產(chǎn)生的地表移動與變形將遠遠大于1號橋及路面的所能承受的允許變形值，橋與路面都將受到更大程度的破壞。

4 高速公路橋采動損壞防護措施

根據(jù)上述采動影響下高速公路橋變形規(guī)律與評價，提出從井下開采、地面防護2方面采取措施，實現(xiàn)對高速公路橋的保護。

(1)協(xié)調(diào)井下采取對地面影響較小的開采方法，采取間歇、條帶、充填、留設(shè)煤柱等開采方法應(yīng)為保護高速公路路、橋的首選開采方法。

(2)對受采動影響高速公路橋與其他相近路段橋梁建立系統(tǒng)的全程觀測網(wǎng)，對路、橋的受損表象進行系統(tǒng)性監(jiān)測。主要在相應(yīng)的橋、路對應(yīng)的井下采煤開始時進行路基或路面、路橋相接處、橋面變形縫寬度、橋墩、橋柱的下沉與水平移動觀測，即時分析觀測數(shù)據(jù)，掌握全程路、橋的移動與變形發(fā)展趨勢，為治理方案、防護措施的優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

(3)對已受損害的路面及時維修，下沉量過大的路面需回填，出現(xiàn)的裂縫需及時修補；橋梁間的伸縮縫應(yīng)根據(jù)變形縫留設(shè)的容許誤差進行調(diào)整；加大橋梁與橋墩間的支撐面；下沉過大的橋墩，應(yīng)改變橋墩支撐為可調(diào)節(jié)高度的支撐。

5 結(jié)論

(1)分析了新發(fā)煤礦多煤層開采情況、雞虎高速公路雞西段1號橋的結(jié)構(gòu)及其相對位置關(guān)系，1號橋為團結(jié)互通分離橋，位于新發(fā)煤礦已開采3個煤層之間上方附近。

(2)從橫向剖面、縱向剖面2方面分析了新發(fā)煤礦已開采煤層對1號橋的影響過程，得出了采動影響下高速公路橋變形規(guī)律。位于動態(tài)下沉盆地受拉區(qū)的地基土、橋墩、橋柱、橋梁的水平移動量依次減小。

(3)對雞虎高速公路雞西段1號橋進行了采動影響評價，該橋采動影響沉降值超過了允許沉降值，并從井下開采、地面防護2方面提出防護措施。