采空區(qū)公路橋橋墩選址穩(wěn)定性評價

黃 召

（邢臺路橋建設(shè)總公司，河北邢臺 054000）

0 引言

由于地下煤層的采出，圍巖原始應(yīng)力平衡遭到破壞，為了達(dá)到新的應(yīng)力平衡，圍巖體將向采空區(qū)內(nèi)移動變形，上覆巖層由于失去支撐將向采空區(qū)內(nèi)移動并產(chǎn)生變形、離層和裂縫甚至垮塌，覆巖的移動變形進(jìn)一步引起地表面移動變形，該過程將持續(xù)到采空區(qū)覆巖達(dá)到新的應(yīng)力平衡為止。在已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的采空區(qū)場地上修建大型工程建筑時，由于建（構(gòu)）筑物對采空區(qū)覆巖施加的附加荷載，可能會造成采空區(qū)覆巖中的洞隙壓密導(dǎo)致地表沉降，甚至引起采空區(qū)垮塌進(jìn)而導(dǎo)致地表建（構(gòu)）筑物的損毀，但這并不代表不能在采空區(qū)地表場地修建建（構(gòu)）筑物。采空區(qū)地表場地的自然穩(wěn)定性和影響范圍通常與其埋深、范圍、覆巖性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、頂板管理方法以及停采時間等因素相關(guān)，通過研究論證修建建（構(gòu)）筑物的采空區(qū)地表場地穩(wěn)定性滿足相關(guān)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，或通過一定的工程處理措施能保證建（構(gòu)）筑物長期正常使用，便可充分利用采空區(qū)場地進(jìn)行相應(yīng)的工程建筑活動。

在采空區(qū)場地進(jìn)行各類工程活動目前已成一種趨勢，運用科學(xué)合理的技術(shù)手段和相應(yīng)的理論對采空區(qū)場地的整體穩(wěn)定性以及建(構(gòu))筑物地基的穩(wěn)定性進(jìn)行研究論證是這種工程活動進(jìn)行的必要前提，只有在保證采空區(qū)場地和建（構(gòu)）筑物地基安全穩(wěn)定的前提下才可進(jìn)行相應(yīng)的工程活動。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

擬建大河特大橋所在區(qū)域位于云貴高原向黔中高原過渡的斜坡地帶，地處長江流域烏江水系上游，屬構(gòu)造侵蝕、剝蝕低中山山地地貌，發(fā)育單面山，單面山脊之間組成單斜谷地。區(qū)內(nèi)山巒起伏，地形復(fù)雜，溝谷縱橫，總體上地勢西高東低（圖1）。以乃河流經(jīng)研究區(qū)北部，白巖腳小河平行于地層走向沿煤系地層向北流經(jīng)大河邊鎮(zhèn)匯入以乃河，區(qū)內(nèi)多盆地和緩坡，境內(nèi)碳酸鹽類巖石廣泛分布，地貌如溶丘、洼地、峰叢、溶斗、伏流等分布普遍。

圖1 研究區(qū)地形地貌

1.2 地層巖性

研究區(qū)內(nèi)出露地層主要第四系（Q）、三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組（T1yn）、飛仙關(guān)組（T1f）以及二疊系上統(tǒng)宣威組（P3xn）。第四系（Q）主要為淺黃、褐紅色粘土，局部含少量礫石，不整合于研究區(qū)內(nèi)地層之上，一般厚約（15～20）m。三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組（T1yn）與下伏的飛仙關(guān)組呈整合接觸，分布在擬建大橋東部及北部。巖性以粉砂質(zhì)泥巖和砂巖為主，夾有薄層灰?guī)r。三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組（T1f）與其下伏煤系地層呈整合接觸，整個區(qū)域均有出露，形成較陡峻的構(gòu)造剝蝕山地或脊谷相間的牙狀山嶺，巖性以厚層砂巖與泥質(zhì)砂巖為主，夾少量薄層頁巖。二疊系上統(tǒng)宣威組（P3xn）為區(qū)域內(nèi)含煤地層，出露于溝谷地帶。二疊系上統(tǒng)宣威組（P3xn）地層系以陸相和海陸交互沉積為主的含煤構(gòu)造，巖性主要為頁巖、砂質(zhì)頁巖、泥巖、砂巖、泥灰?guī)r及煤。總厚（212～249）m，一般厚232.75 m，含煤34層，可采及局部可采煤層11層。據(jù)巖性和含煤情況本組可分為上、中、下3段。

（1）宣威組第三段（P3xn3）。11號煤層頂板至1號煤層頂板，厚約（60～75）m。巖性主要為細(xì)砂巖、粉砂巖、煤和泥巖，中間夾有（3～5）層灰?guī)r及泥灰?guī)r，煤層數(shù)量為9層，其中可采或局部可采煤層4層，分別為1號、4號、7號及8號煤層。該段為淺海相或濱海相沉積，富含海相動物化石。

（2）宣威組第二段（P3xn2）。19號煤層底板至11號煤層頂板，厚（40～65）m。巖性為深灰色細(xì)砂巖、泥巖、粉砂巖、粘土巖及煤，為主要含煤段，含煤10層，可采及局部可采6層：11號、號、14號、15號、16號、19號。該段為沼澤和湖泊沉積，富含植物化石。

（3）宣威組第一段（P3xn1）。玄武巖頂至19號煤層底板，厚約（100～130）m，巖性為灰、淺灰色細(xì)砂巖、粉砂巖、及泥巖與粘土巖互層。近底部夾有一層玄武巖，厚度約6 m左右，由北往南逐漸變薄，含煤15層，其中可采僅一層34號煤層。該段主要產(chǎn)植物化石。

2 橋墩地基選址

2.1 采空區(qū)垮塌破壞可能性分析

經(jīng)理論計算、軟件模擬及鉆探均說明宏龍寨煤礦采空區(qū)頂板未充分垮落，雖然目前處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但在一系列影響因素下，仍有可能發(fā)生垮塌破壞，針對該采空區(qū)主要考慮場地水文地質(zhì)條件的變化及地質(zhì)構(gòu)造的影響。

（1）地下水區(qū)內(nèi)地下水類型主要為巖溶裂隙水、基巖裂隙水、松散巖類孔隙水。①巖溶裂隙水含水巖組主要為三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組（T1yn）第一段、第二段、第三段的灰?guī)r，富水性好，為區(qū)內(nèi)強(qiáng)含水層。但該層分布于擬選場地上側(cè)，對場地活化影響小。②基巖裂隙水含水巖組主要賦存于三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組第四段（T1yn4）、飛仙關(guān)組（T1f）、二疊系上統(tǒng)宣威組（P3xn）的地層中。擬選場地位于飛仙關(guān)組（T1f）地層上，以粉砂質(zhì)泥巖或泥巖為主，具有一定的隔水性能，區(qū)域上起隔水層作用，大氣降水是其補給的主要來源。鉆孔揭露地下水最大埋深124 m，地下水位高于采空區(qū)頂板高程，在地下水長期作用下，采空區(qū)覆巖易發(fā)生軟化，未來在附近進(jìn)行開采、抽排地下水等作業(yè)，都將導(dǎo)致地下水位下降，破壞現(xiàn)有的地應(yīng)力場平衡，可能導(dǎo)致采空區(qū)進(jìn)一步變形破壞。③松散巖類孔隙水含水巖組主要賦存于第四系（Q）殘坡積層孔隙內(nèi)，分布于地表溪溝兩側(cè)、山麓處及地形較緩地帶。由于場地地形陡，有利于地表水自然排泄。地下水賦存條件差，枯季基本不含水，僅局部松散層厚度較大的地帶，含少量孔隙水。因此該層對采空區(qū)影響較小。

（2）地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)已查明YZ6鉆孔附近有斷層通過，其次，鉆探顯示YZ2，YZ3附近可能存在隱伏斷層，而場地位于大河邊煤礦礦界內(nèi)，受鄰近采區(qū)采動、爆破震動、地震等作用引發(fā)斷層活動，從而導(dǎo)致采空區(qū)垮塌破壞可能性較大。

（3）地表殘余變形分析擬選場地礦區(qū)已關(guān)閉多年，雖目前處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但理論計算和數(shù)值模擬，均說明采空區(qū)未充分垮落，而頂板巖體變形較大，邊界煤柱與中心殘留煤柱處應(yīng)力集中過大，頂板巖體可能破斷，并引發(fā)采空區(qū)大規(guī)模垮塌。另據(jù)鉆探揭露，采空區(qū)仍殘留大量剩余開采空間，且覆巖豎向裂隙和離層裂隙較為發(fā)育，而地下水位高于采空區(qū)頂板高程，大量裂隙的存在使得泥巖及粉砂質(zhì)泥巖的隔水作用被極大的弱化甚至喪失，地下水能夠較為順利的流向采空區(qū)方向。該礦區(qū)可采煤層數(shù)量較多，目前僅開采一層，將來極有可能在該礦區(qū)及附近繼續(xù)進(jìn)行采煤作業(yè)，對于開采爆破作業(yè)，其產(chǎn)生的應(yīng)力波將對處于極限平衡狀態(tài)的覆巖產(chǎn)生極大的破壞。

綜上分析，在地下水、爆破、地震及上部荷載等因素作用下，采空區(qū)可能會發(fā)生進(jìn)一步的壓實變形，甚至垮塌，導(dǎo)致地表殘余變形。

2.2 橋墩位置

通過上述分析可知，擬選場地不適合直接選作橋墩地基的場址，且采空區(qū)處治措施實施難度大、造價高且周期較長。

根據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》表12.3.1（采空區(qū)場地工程建設(shè)適宜性評價分級表），該場地適宜性差，不適宜作為橋墩地基。為保證橋梁建成后的使用安全，建議將橋墩置于采空區(qū)及其影響范圍之外的穩(wěn)定區(qū)域。

為了橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，橋墩不應(yīng)離采空區(qū)影響范圍太遠(yuǎn)，可根據(jù)公式計算采空區(qū)下山方向的影響半徑確定橋墩的位置。采空區(qū)下山方向距開采邊界208 m外的地表屬于采空區(qū)的影響范圍之外，再保留20 m安全距離，橋墩可以修建在沿巖層傾向距采空區(qū)開采邊界228 m的地表（圖2）。通過現(xiàn)場實地勘察，所選場地地表沒有任何裂縫或塌陷變形，且通過鉆探也證明該場地巖層性質(zhì)較好，可以作為橋墩地基的選址。

圖2 橋墩位置示意

3 結(jié)論

以某公路橋梁工程為依托，在分析現(xiàn)場工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，通過對采空區(qū)地基基礎(chǔ)穩(wěn)定性進(jìn)行討論得到的結(jié)論是：（1）雖然采空區(qū)當(dāng)前處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)采空區(qū)頂板巖體變形較大，且采空區(qū)中心殘留煤柱和邊界煤柱處應(yīng)力集中值高達(dá)54.27 MPa，部分煤柱被壓碎，在地下水、爆破、地震以及上部荷載等因素影響下，采空區(qū)有可能發(fā)生塌破壞，導(dǎo)致地表發(fā)生較大沉降變形。若直接把橋墩地基置于采空區(qū)覆巖上，則需要對采空區(qū)進(jìn)行治理，但治理難度和成本均較大，且難以保證治理效果，故建議把橋墩地基選在采空區(qū)影響范圍之外。（2）煤礦區(qū)存在大量未開采煤層，在橋梁地基附近未經(jīng)專門研究論證進(jìn)行開采可能會危及到橋梁地基的安全穩(wěn)定，相關(guān)部門需要對橋梁地基和附近采空區(qū)地表沉降變形進(jìn)行定期監(jiān)測，確保橋梁地基的安全穩(wěn)定。

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