曹根溝大橋采空區樁基橋梁優化調整方案

劉淑輕

（河北省交通規劃設計院，河北 石家莊 050021）

曹根溝大橋位于河北省張家口市張北縣至尚義縣高速公路尚義西互通內河北段與內蒙古段高速交界處，處于尚義南壕塹鎮西哈拉溝村東北。曹根溝大橋跨越曹根溝，現狀河道寬闊，跨河段河道較為順直，上口寬120m，河槽內基本無水，一般沖刷深度為Hm=1.61m，局部沖刷深度為1.03m，總沖刷深度2.64m。

曹根溝大橋施工過程中發現4-1號樁基滲水、漏漿，難以成孔。為進一步探明采空區地質環境特征、空洞發育分布規律，評價采空巷道對橋梁施工的影響，本文逐樁勘察了曹根溝大橋。采空區具體情況探明時，0號臺、1號墩～3號墩和4號墩的0號樁的墩柱基礎已施工完畢。

一、采空區情況介紹

（一）煤礦開采歷史

煤礦采空區位于k72+212.5～k72+252.5(即原方案第5跨)段落內，位于路線終點，與內蒙古自治區準興高速公路相接。經調查，該處有小型煤窯，形成于新中國成立初期，為當地百姓私自采煤形成的小窯采空區，無大規模開采，基本沿煤線形成巷道式采掘，21世紀80年代廢棄停采。

（二）采空區勘察手段

查訪：由于采空區形成年代較久遠，當地居民依據多年經驗自主采掘，沒有備案的設計或施工圖紙可供查閱，遂通過查訪當地百姓了解采空區的開采和停采時間，以及分布范圍、充水情況等。

鉆探：根據巖芯的觀察和描述，可知覆巖基本特征，并可通過鉆進速度、掉鉆及漏水情況了解采空區的存在及其冒落、變形的情況，從鉆孔中不同深度處取得巖芯、礦樣并分析可直接確定采深、采厚及地層物理學指標等參數。

（三）采空區勘察成果

4-1樁基施工時嚴重漏漿，孔內泥漿流失，孔壁塌孔，堵漏失敗，樁基難以成孔。為查明采空區地下部分情況及影響范圍，采用逐樁鉆探勘測方法發現，橋梁多根樁基下伏采空區：共勘察鉆孔15個，其中出現空洞掉鉆7個、漿液漏失3個，見洞率66.67%，涉及數量較多，橋梁樁基難以避讓，鉆探過程中出現掉鉆、嚴重漏漿情況，4-2號、4-3號、4-4號樁基及其周圍多處下伏采空區，空洞最小高度0.5m，最大3.4m。采空區地下水位一般在地表以下11.4m左右，空洞及破碎煤層對樁基施工有一定影響。

鉆探過程中，采空區進尺快，鉆進時掉鉆，坍塌嚴重，煤層極破碎，巖芯不完整，裂隙發育，碎塊狀居多（局部夾有煤矸石），采空區埋深22.6m～39.6m，厚度0.5m～3.4m，開采層數為1層～2層，以巷道采掘為主。

（四）頂底板圍巖及頂板管理

采空區頂板：直接頂底板巖層為煤層，厚度為2.4m～7.2m，巖芯破碎、易碎、夾煤矸石、裂隙發育、局部呈泥狀，其飽和狀態下單軸抗壓強度5MPa，承載力300kPa，摩阻力80kPa。

采空區底板：直接頂底板巖層為煤層或中風化砂巖，大部分以煤層為主，直接底板為中風化砂巖時，巖石厚度較小，1.1m～2.4m，煤層和中風化巖層飽和狀態下單軸抗壓強度分別為5MPa和16.9MPa。

頂板管理：采空區大多不支撐或臨時支撐，基本處于半填充或懸空狀態，松散煤矸石回填或木樁支撐，或根本無任何填充物，頂板管理為自然塌落法。

（五）采空區穩定性評價及治理方案

首先，確定采空區場地的穩定性。采空區穩定性評價：參考規范《采空區路基設計與施工細則》（JTG/T D31-03-2011)表4.2.1-4，采空區穩定性評價可根據采空區覆巖類型及采深采厚比確定，該采空區覆巖為軟弱覆巖（天然單軸飽和抗壓強度小于30MPa），大部分采深采厚比(H/M=8.5～57)小于80，屬于不穩定采空區場地。

其次，小型煤窯為隱蔽災害，失穩過程為殘留煤柱漸進破壞到一定程度后整體突發性破壞的過程；采空區距地表近，在采空區地表以上建設時，建筑物的基礎存在穩定性隱患。

根據上述評判，該處采空區對橋梁安全具有較大不利影響，必須實施采空區工程處治。

綜合規范要求及前人治理采空區經驗，并結合采空區特點將原方案灌砂注漿方案優化為樁位定點處治，即采用片石、黏土、混凝土回填和封堵采空區巷道。壓筑混凝土預處理后，采空區內被混凝土充填固結，為確保后期橋梁安全運營，樁基持力層應穿越采空區并嵌入到穩定巖層。

二、方案優化原因

經過逐樁勘察，施工時實際地質情況與設計時情況不符，需及時調整設計方案。

（一）采空區特點

根據逐樁鉆探地質資料顯示，采空區開采較淺，空間分布規律性差、埋藏深度不等、坑道走向不明；大多不支護或臨時支護，僅用松散煤矸石回填，或根本無任何填充物，任其自由塌落，缺乏安全保障。

采空區變形具有隱蔽性、難以準確查明分布特征，其活化機理、過程復雜難以直接觀測；失穩破壞具有突發性，頂板冒落塌陷，失穩坍塌可以在瞬間完成且時間難以預測；自身應力和外加荷載作用下內部應力重新分布具有長期性，采空區殘余變形對地表的影響是一個緩慢變形的過程。

（二）采空區危害

地下煤層開采會削弱周圍巖土的強度，當地表趨于穩定時，采空區及上覆巖達到相對平衡的狀態。如果高速公路橋梁經過采空區時，采空區在工程擾動及行車通過時可能會打破這種平衡狀態，使采空區上覆巖層重新活化，采空區仍會發生變形，對采空區上方地表的工程建設形成及運營造成安全隱患。

橋墩臺下伏采空區可能引發橋梁破壞形式主要有樁基、橋墩臺偏移，失穩、下沉，傾覆及橋面破壞，路線縱向不平等病害，危害結構安全、影響高速公路的正常運營。

考慮橋梁屬于特殊構筑物，承受變形和位移能力較差，產生變形、位移不易消除，橋梁一旦損壞，影響高速公路通行，恢復起來周期長，費用高，而且技術難度相當大。路基對變形的要求相對較低，問題相對容易處理，應盡量以路基方式通過，故將橋梁孔跨由5x40m調整為4x40m，橋梁縮短一孔，將采空區位置由橋梁調整為路基。

依據勘察成果和橋梁安全、質量綜合分析，將采空區段橋梁變更為路基可以消除或降低橋梁施工及運營安全風險；根據《采空區公路設計與施工技術細則》JTG/T D31-03-2011第6.3.5條，樁基埋深較淺（小于40m）時采用樁基跨越，橋梁基礎原則上將樁端嵌入采空區底板及軟弱煤層以下完整、強度高、穩定性好的中風化巖層內，故根據采空巷道埋置深度變更橋樁長度。

三、方案調整內容

（一）橋梁跨徑由5x40m變更設計為4x40m

曹根溝大橋橋跨由5x40m調整為4x40m，第5跨橋孔由橋梁變更為路基；交叉角度、橋梁上部、下部結構結構形式均未變。

（二）橋梁樁基長度變更

由于采空巷道密布，煤層開采后形成的采空范圍無規則，橋梁樁基難以避讓，根據不同墩位采空區埋深，樁基礎原則上采用穿透采空區及軟弱煤層并嵌入高承載力完整基巖安全厚度不小于2.5d（4.5m），增加樁身穩固受力范圍，故設計變更增加了樁長。

（三）路基路面數量

曹根溝大橋縮短一孔k72+213～k72+252.5，變更為橋改路方案，填方量1766m3，改性瀝青混凝土面層100m3，18cm水泥穩定碎石基層3299m3，路基工程造價為111.59萬元。橋改路基方案費用減少124.15萬元。

四、結語

本文根據曹根溝大橋采空區實際情況，從橋梁方案優化調整和樁基下伏采空區處治及樁基穿透采空區方案進行論述。采空區處治提高了橋梁的結構安全性，橋改路基方案節省了造價和工期。目前橋梁已施工完畢，經持續觀測，未發現工后變形，優化后的方案更為合理有效。