新發煤礦采動影響下高速公路橋梁變形規律及評價

劉卓然，趙高博

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

目前，我國高速公路橋梁建設與煤炭工業都得到了快速的發展，而煤炭開采誘發的高速公路橋梁的損壞問題日益突出[1-2]。煤炭開采導致頂板失穩、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，將導致橋梁結構失穩，影響高速公路橋梁的正常使用[5-7]。

部分學者就地表構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系；徐平等[9]觀測了采動影響區地表橋梁數據，并設計了覆巖離層注漿方法控制采動橋梁變形；于廣云等[10]通過數值模擬方法研究了地表移動變形對橋梁附加應力的影響；郭文兵等[11]通過理論分析，建立了采動影響區地基與地表構筑物結構協同變形理論模型；張敏霞等[12]通過室內模型試驗研究了公路橋梁與地表沉陷曲率之間的關系；梁鑫等[13]基于采空區群樁模型試驗，研究了橋梁群樁基礎受力機制。

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系，而隨著工作面的推進對地表橋梁結構變形的動態過程分析鮮有提及。本文以新發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。

1 新發煤礦與高速公路橋概況

1.1 新發煤礦概況

新發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，采區內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，已開采煤層情況統計見表1。

表1 新發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號橋為團結互通分離橋(設計樁號K182+973 m)；橋跨徑設計為6～30 m；橋梁全長187.40 m，共6跨，全橋共2聯；橋梁寬為24.5 m。

1號橋橋梁上部結構采用預應力混凝土小箱梁，先簡支后連續，下部結構橋臺采用肋板臺，橋墩采用柱式橋墩，墩臺采用樁基礎；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，新發煤礦已采煤層工作面位于1號橋下方附近，受新發礦36A、27及29煤層重復采動的影響。

圖2 1號橋與新發煤礦已采煤層相對位置

2 采動影響下高速公路橋變形規律

截至2013年10月，新發礦已在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。在橋的整個結構方面，縱向抗彎剛度要小于橫向抗彎剛度。沿著橋的中心軸線，在結構上有3類7處薄弱點：3號柱上的梁留設的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，相鄰兩跨梁均為預制場制作，梁兩端預留鋼筋，吊裝后通過后澆筑鋼筋混凝土相接而成，后澆帶為一結構薄弱點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構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、橋結構及地下煤層的剖面關系如圖3所示。

圖3 1號橋結構及地下煤層的剖面關系示意

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；路基土體與0號橋墩呈現向采空區所在一邊(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，橋梁不出現與路面同步的下沉，使B處變形縫出現張裂的臺階狀變化。隨著工作面的繼續推進，上述變化呈現逐漸加劇的發展趨勢。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下沉和水平移動，此時0號橋墩處于壓縮區，1號柱處于拉伸區。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號柱間的橋梁發生蹺蹺板效應。在地基土向采空區方向移動的過程中，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處產生強烈的擠壓效應，使橋與路的連接橋臺B處發生鼓起、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，位于動態下沉盆地受拉區的地基土、橋墩、橋柱、橋梁總體上會產生指向下沉盆地一側的水平移動，但移動量不相同，基本上呈現地基土、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、橋柱發生相對位移及傾斜、部分橋梁支墊由直立圓柱形變為斜角圓柱，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壓縮(間距減小)或拉伸(間距增大)現象，如一側采動引起的地表傾斜值過大，則橋梁會出現側滑現象。

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號橋在建設時就已經受到新發礦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，根據現場調查，1號橋及臨近道路路面已出現了影響道路通行的不均勻下沉、拉裂和壓縮拱起現象，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，在短期繼續全部開采1號橋下所壓煤層7號、24號、41號、42號煤層，則產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

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

(1)協調井下采取對地面影響較小的開采方法，采取間歇、條帶、充填、留設煤柱等開采方法應為保護高速公路路、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的全程觀測網，對路、橋的受損表象進行系統性監測。主要在相應的橋、路對應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，即時分析觀測數據，掌握全程路、橋的移動與變形發展趨勢，為治理方案、防護措施的優化提供技術支撐。

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

5 結論

(1)分析了新發煤礦多煤層開采情況、雞虎高速公路雞西段1號橋的結構及其相對位置關系，1號橋為團結互通分離橋，位于新發煤礦已開采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律。位于動態下沉盆地受拉區的地基土、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。