某采空區內公路橋優化設計

趙冠剛

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院,濟南 250022)

1 工程概況

某公路橋跨越單線鐵路，采用16孔20 m簡支空心板梁，單幅，橋面全寬26.51 m，全橋長330.12 m，采用三柱式橋墩，U形橋臺，樁基礎。因道路穿越區域內廠礦企業眾多，為避免大量拆遷、降低工程造價，部分橋位處于煤礦采空區內，地質情況復雜，下部基礎設計難度較大。

2 橋址處采空區現狀及穩定性評價

橋址區主要不良地質為鐵路以北的A煤礦采空區及古空區。

2.1 現狀

A煤礦采空區：20世紀60年代進行開采，主要開采對象是起始橋臺以北的13煤和15煤，南側分布有巷道和風井，廢棄后水砂充填。

古空區：古采空區為清朝末年，民國時期有資本家進行淺層開采，古空區埋深6.5～37.8 m，巷道埋深26.4～40.5 m，有一百多年的開采歷史。

采空區與橋位的平面位置關系見圖1。

圖1 采空區與橋梁平面位置關系

2.2 特點

2.2.1 A煤礦采空區

(1)采空區緩傾，該區總體構造形態為一單斜，構造傾角20°～25°。

(2)該區分布有多層煤，煤層比較集中，煤層間距不大，立體上為多層開采，橋址區開采層數為2層，開采時間跨度大；廢棄以后水砂充填。

(3)多層開采的變形量比單層開采要大的多，且變形復雜、穩定時間較長。

(4)由于煤層緩傾，傾角較小，且各煤層淺部均有露頭，致使采空區埋深較淺。

2.2.2 古空區

(1)沿煤層露頭自淺而深開采，開采無規律。

(2)頂板大部塌落，充填煤泥、煤矸石等，干鉆難以鉆進，水鉆采取率低。

2.3 穩定性評價

2.3.1 A煤采空區

根據開采情況、地表移動盆地特征和地表變形值的大小，計算結果為不穩定區域，不宜建筑。

2.3.2 古空區

采用小型采空區計算原理，古空區和巷道的頂板及地基評定為穩定性差。

3 工程設計技術依據

(1)根據調查，橋位左邊的熱電廠、右邊的粉煤灰場，在建設時已對其下部的采空區進行了適當處理，經歷近30年的檢驗，變形很小，證明是可行的。

(2)通過對橋址范圍內采空區進行全面翔實的勘察，并根據其自身特點進行適當處理，將其由不可控變為可控狀態，主要控制地表的沉降變形。

圖2 采空區與橋梁立面關系(單位：cm)

(3)選擇對變形適應性好的橋梁結構體系，并加強和改進結構措施，提高全橋對變形的適應能力。

(4)充分考慮采空區對工程的不利影響，合理增加結構的安全儲備，如：基礎考慮負摩擦力的影響等。

(5)建立工后橋梁變形的監測體系，在使用過程中進行全面觀測，如發現超出設計允許值的變形，及時采取可靠的處理措施。

4 采空區處理

5 橋梁主體的優化設計

5.1 橋梁布設范圍的確定

橋梁布設應盡可能躲避不宜作為建筑場地的地段，即A煤礦采空區，本橋0號臺實際處于A煤礦采空區的變形影響邊緣。

5.2 上部梁跨選擇

(1)為適應總體沉降及相鄰墩臺不均勻沉降的影響，上部采用了跨徑20 m的簡支板梁，并每隔2孔梁設伸縮縫1道。

(2)為消除理論計算與實際沉降的差值，采用可調支座。

5.3 下部及基礎選擇

(1)因非機動車道利用既有框架橋下穿鐵路，為預留橋下空間，設計采用三柱式橋墩。

(2)受表層地質和采空區的影響，下部采用樁基礎，樁基設計考慮負摩擦力及側向土體變形等不利影響。

全橋與采空區的立面關系見圖2。

6 橋梁樁基的優化設計

以本工程第3號墩為例，3號墩柱徑1.5 m，柱高8 m(不包括蓋梁)，樁徑1.6 m，樁長59.5 m。

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6.1 減小采空區不利影響的措施

樁基設計時應減小或消除采空區的不利影響，以保證橋梁結構的安全，設計主要從以下3個方面解決。

(1)根據不同墩位采空區的埋深，盡量將樁基穿過采空區進入穩定區域并支撐于巖石上，增加樁身穩固受力范圍。

(2)采空區處理后仍有剩余下沉位移，故樁基計算考慮負摩擦力的不利作用，并采取措施減小負摩阻的影響。

(3)對處于有土體側向變形土層內的樁基，考慮土體的水平位移對樁身的不利影響，合理增加結構的安全儲備。

6.2 合理劃分樁長范圍內摩阻作用區域

根據地質勘察報告中采空區沉降值由下而上逐漸變小的規律，設計將樁周土層劃分為以下3個區域，詳見圖3。

圖3 3號墩橫向立面與采空區關系

(1)地系梁以下7 m土層以雜填土為主，樁身向下位移小于土層下沉位移，將產生負摩擦力，故在樁周灌入瀝青瑪蹄脂作為隔離涂層[3]，使土體與樁身摩阻力為0。

(2)13煤采空區以上27 m范圍，樁身向下位移由上而下逐漸減小，而土層壓縮由下而上逐漸變小。因樁底置于中風化石灰巖上，正負摩阻力變化的中性點深度與樁周沉降變形土層下限深度ln/l0取1[3]，即13煤采空區以上有13.5 m范圍，考慮土體下沉位移產生負摩阻的不利影響。

(3)13煤采空區以下部分，考慮樁基與土體的正摩擦力作用。

6.3 樁基長度及配筋檢算

樁基設計執行《公路橋涵地基與基礎設計規范》(JTG D63—2007)，計算采用西安方舟計算機公司的《橋梁通CAD 7.78》軟件。

6.3.1考慮采空區剩余沉降產生的負摩擦力，確定樁長

負摩阻力的影響因素眾多，很難從理論上進行分析，而采空區內樁基設計又很少有文獻提及，故設計趨于保守且簡單易行，將正摩阻力反向，按摩擦樁計算單樁軸向受壓承載力容許值

(1)[1]

其中，

qik=moλ[fao]+k2γ2(h-3)

(2)

(1)單樁(控制工況)樁頂外力為Nmax=7 862 kN，Mmax=340 kN·m，Pmax=81.7 kN，計算得，單樁軸向受壓承載力N=9 954.17 kN。

(2)13.5 m負摩阻區域產生的負摩擦力為-14 680 kN，正摩阻區域25 m范圍提供的正摩阻力為25 780 kN，單樁軸向壓力承載力容許值[Ra]=11 107 kN。

(3)判斷，因為N=9 954.17 kN<[Ra]=11 107 kN，故樁長滿足要求。

6.3.2將采空區剩余水平位移視為土的彈性抗力，驗算樁身配筋

按照“m”法[1]計算彈性樁水平位移及作用效應值，將采空區土層的剩余水平位移等同于樁身受上部荷載產生的內力及變形，采用2種辦法相互結合以達到等同效果。

(1)通過加大樁身外力值使其產生一定的變形。

(2)改變樁周土層水平向抗力系數的比例系數m值，增大或減小水平抗力來影響樁身內力及變形。

考慮采空區剩余水平位移的影響，控制工況主要數值比較見表1。

表1 單樁考慮采空區水平位移影響前、后比較

最終樁基配筋量，系根據樁身配筋率[2]及構造要求綜合確定，實際配30根φ22 mm HRB335鋼筋。

7 結語

該工程竣工通車已近1年，經過持續觀測，未發現橋梁結構產生可見的工后變形，說明設計采取的針對性措施基本能滿足本例工程的需要，但采空區的形式復雜多樣，特點也各有不同，產生的直接和次生危害也大小不一，一般工程還應盡量避讓。當無法躲避時，應視具體情況綜合分析并區別對待，對采空區和結構物采取合理的處理措施，才能達到理想的效果。

[1] 中華人民共和國交通部.JTG D63—2007 公路橋涵地基與基礎設計規范[S].北京：人民交通出版社，2007．

[2] 中華人民共和國交通部.JTG D62—2004 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].北京：人民交通出版社，2004．

[3] 李亮，魏麗敏.基礎工程[M].湖南：中南大學出版社，2005.

[4] 婁峰.小直徑鋼管樁在采空區橋梁基礎處理中的應用[J].鐵道標準設計，2007(6)：37-39.