劉 貴

(1.煤炭科學(xué)研究總院 開(kāi)采研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

2013年8月左右，受煤礦采動(dòng)影響，某高速公路1號(hào)橋路面受損較嚴(yán)重。根據(jù)煤礦采掘資料對(duì)1號(hào)橋已受損程度、未來(lái)煤層開(kāi)采可能導(dǎo)致的受損程度及地表移動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間分別做了分析，認(rèn)為1號(hào)橋目前承受的下沉值、水平變形值已超出規(guī)程、規(guī)范[1-2]規(guī)定的橋梁、橋墩的允許變形值，應(yīng)采取相關(guān)應(yīng)急措施，保證安全通行；若未采煤層以后全部開(kāi)采，將進(jìn)一步加劇1號(hào)橋的損壞程度，故應(yīng)采取井下、地面保護(hù)措施進(jìn)行處理；同時(shí)根據(jù)有關(guān)規(guī)范[3-4]的規(guī)定，進(jìn)行了采動(dòng)影響地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間的計(jì)算，認(rèn)為1號(hào)橋地表將在2015年初趨于穩(wěn)定。但根據(jù)對(duì)1號(hào)橋的沉降監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)在2015年7～8月份，橋梁突然發(fā)生較大沉降，期間沉降最大值約為50mm，并且到2015年11月，沉降總量又增加23mm，沉降位置發(fā)生改變，由西部轉(zhuǎn)向東部。為了分析地表及橋梁沉降原因并掌握以后可能的沉降情況，在1號(hào)橋場(chǎng)地下方進(jìn)行采空區(qū)鉆探工作，根據(jù)鉆探結(jié)果結(jié)合煤礦開(kāi)采地表沉陷規(guī)律進(jìn)行綜合分析。

1 1號(hào)橋及場(chǎng)地下方開(kāi)采概況

1.1 1號(hào)橋概況

1號(hào)橋?yàn)榛ネǚ蛛x橋，橋跨徑設(shè)計(jì)為6～30m；橋梁全長(zhǎng)187.40m，共6跨，全橋共2聯(lián)；橋梁寬為24.5m：(0.5m防撞墻+凈17.75m+0.75m防撞護(hù)欄)+(0.5m防撞墻+凈10.75m+0.75m防撞護(hù)欄)+0.5m中央分隔帶；上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力砼小箱梁，先簡(jiǎn)支后連續(xù)，下部結(jié)構(gòu)橋臺(tái)采用肋板臺(tái)，橋墩采用柱式橋墩，墩臺(tái)采用樁基礎(chǔ)；本橋平面位于直線和緩和曲線上，縱斷面位于R=12000m的豎曲線上；墩臺(tái)等角度布置；橋面鋪裝采用18cm(上層改性纖維瀝青混凝土+5cm改性瀝青混凝土+防水層+8cm防滲抗凍混凝土)；0，6號(hào)橋臺(tái)、3號(hào)橋墩采用80伸縮裝置。

1.2 1號(hào)橋場(chǎng)地下方開(kāi)采概況

據(jù)采掘資料顯示，1號(hào)橋場(chǎng)地受某煤礦36A，29和27煤層開(kāi)采影響。其中，36A煤層開(kāi)采時(shí)間為2011年7月—2012年5月，采深約129～240m，采厚1.47m，煤層傾角25°，位于1號(hào)橋南側(cè)；29號(hào)煤層開(kāi)采時(shí)間為2012年1月—2013年9月，采深約159～352m，采厚1.55m，煤層傾角26°，位于1號(hào)橋南側(cè)；27號(hào)煤層開(kāi)采時(shí)間為2012年2月—2012年9月，采深約150～230m，采厚1.18m，煤層傾角21°，位于1號(hào)橋北側(cè)。開(kāi)采情況見(jiàn)圖1。

圖1 1號(hào)橋下方采空區(qū)示意

2 1號(hào)橋受損現(xiàn)狀及沉降觀測(cè)概況

2.1 2013年內(nèi)1號(hào)橋受損情況

1號(hào)橋?yàn)?跨2聯(lián)橋，受某煤礦36A，27及29煤層重復(fù)采動(dòng)的影響。1號(hào)橋下方各煤層開(kāi)采的工作面按開(kāi)采時(shí)間的先后順序?yàn)?6A煤工作面最早，接著開(kāi)采27煤工作面，29煤工作面最后開(kāi)采，停采于2013年9月。

36A，27及29煤的工作面通過(guò)1號(hào)橋的時(shí)間最遲是在2013年2，3月份，在地表有所反應(yīng)的時(shí)間大致在2013年3，4月份，由此地表移動(dòng)與變形基本進(jìn)入初始期，影響順序由西向東。因36A與27煤兩工作面的煤層采厚較小，在1號(hào)橋所在位置引起的移動(dòng)與變形也較小，因此1號(hào)橋和路面僅發(fā)生一些小的變形，早期呈現(xiàn)的受損特征不特別明顯，未曾受到注意。

29煤工作面在36A煤工作面下方，屬重復(fù)采動(dòng)。各工作面開(kāi)采順序均是自西向東進(jìn)行，因此1號(hào)橋的橋墩、橋柱會(huì)出現(xiàn)由西向東按照先受拉、后受壓的順序發(fā)生移動(dòng)與變形，而在2013年10月底出現(xiàn)受損較大現(xiàn)象，主要與各煤層的開(kāi)采時(shí)間有關(guān)，對(duì)橋的影響主要體現(xiàn)在橋的西側(cè)。

1號(hào)橋及相應(yīng)路段的路、橋的受破壞照片見(jiàn)圖2～圖5。

圖2 拉開(kāi)的橋面變形縫

圖3 受擠壓的路側(cè)防護(hù)帶

圖4 錯(cuò)動(dòng)的橋墩

圖5 錯(cuò)動(dòng)的橋墩

2.2 2015年7月后1號(hào)橋受損現(xiàn)狀

圖6是1號(hào)橋于2015年7月份后在橋東部出現(xiàn)突然沉降后的路面鼓起情況，路邊表現(xiàn)出的拉伸與壓縮變形已相當(dāng)明顯，2015年7月以后總沉降達(dá)到73mm，再加上之前的沉降量，總沉降超過(guò)路橋的承受能力，即表現(xiàn)出了路面鼓起嚴(yán)重，嚴(yán)重影響通行安全。

圖6 橋面壓縮鼓起

2.3 橋梁的沉降觀測(cè)情況

在1號(hào)橋共布置20個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)號(hào)Z1～Z20，布置位置見(jiàn)圖7。各觀測(cè)點(diǎn)下沉曲線見(jiàn)圖8。

圖7 1號(hào)橋監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

圖8 1號(hào)橋各測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量-時(shí)間曲線

由觀測(cè)數(shù)據(jù)及圖8可知，觀測(cè)于2013年11月10日開(kāi)始，截至2015年11月，累計(jì)觀測(cè)時(shí)間為2a，觀測(cè)期間，橋梁在不同階段發(fā)生不同速率的沉降。綜合觀測(cè)數(shù)據(jù)，橋梁變化情況如下：2013年11月—2014年5月沉降速度較快，期間最大累計(jì)沉降約220mm。2014年5月—2015年7月橋梁沉降速度明顯減慢，期間最大沉降量約為30mm。2014年11月—2015年5月地表趨于穩(wěn)定，期間最大月沉降值在0～9mm。2015年5月—2015年6月末無(wú)沉降。2015年7月—2015年8月，橋梁突然發(fā)生較大沉降，期間沉降最大值約為50mm。沉降位置發(fā)生改變，由西部轉(zhuǎn)向東部。2015年8月—9月末沉降值變小，沉降速度較小，期間沉降值最大值約為12mm。9月末—10月末無(wú)變化。10月末—11月末有微小沉降，沉降速度較小，期間沉降值最大值約為11mm。此期間最大沉降值都在橋東部。

3 采空區(qū)鉆探勘察情況

為了分析地表及橋梁沉降原因并掌握以后可能的沉降情況，進(jìn)行了1號(hào)橋場(chǎng)地下方采空區(qū)鉆探工作。在橋梁附近采空區(qū)上方共布置6個(gè)鉆孔。鉆孔坐標(biāo)情況見(jiàn)表1。

表1 鉆孔坐標(biāo)及鉆孔深度

鉆探施工時(shí)間為2015年9月1日—2015年11月5日，6個(gè)鉆孔，合計(jì)鉆進(jìn)1205.54m。由鉆探結(jié)果可知，除2號(hào)鉆孔外，其余5個(gè)鉆孔均探到36A煤采空區(qū)，且鉆探過(guò)程中均未出現(xiàn)掉鉆情況，說(shuō)明該層采空區(qū)覆巖垮落情況較好；ZK1，ZK3，ZK4鉆孔探測(cè)到29煤采空區(qū)，其中ZK1掉鉆400mm，ZK3未出現(xiàn)掉鉆情況，ZK4掉鉆300mm，說(shuō)明29煤采空區(qū)有部分區(qū)域覆巖未完全垮落，但這些區(qū)域面積大小不好確定，說(shuō)明以后還可能因?yàn)檫@些未完全充填的空區(qū)引起地表殘余變形；只有ZK2鉆孔布置在27煤采空區(qū)上方，鉆進(jìn)到該煤層采空區(qū)時(shí)，掉鉆900mm，說(shuō)明該位置27煤未被充填的空區(qū)垂高較大，由采掘圖分析認(rèn)為較大可能為井下巷道位置，雖垮落不充分，但平面展布范圍很小，對(duì)地表影響極為有限。如果類似空區(qū)(非巷道位置)的連續(xù)面積較大，以后還可能引起較大的地面沉降。

4 橋梁沉降原因分析

從觀測(cè)結(jié)果可知，1號(hào)橋在2014年—2015年7月間累計(jì)沉降量為30mm，期間月最大沉降值為9mm。根據(jù)煤礦開(kāi)采地表延續(xù)時(shí)間的規(guī)定，該區(qū)域地表移動(dòng)已處于穩(wěn)定狀態(tài)。但煤礦開(kāi)采采空區(qū)雖然經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)時(shí)間的自然壓實(shí)，但開(kāi)采后形成的采空區(qū)、巖體中的離層、裂縫帶和垮落帶巖塊的未充分壓密、孔隙中飽水等現(xiàn)象仍將長(zhǎng)期存在[5-10](如圖9)。在受到自然力(如地震)或外力(如在上方興建建筑物、采空區(qū)積水疏干、臨近煤柱開(kāi)采等)擾動(dòng)時(shí)，仍有可能影響上覆巖層重新穩(wěn)定后形成的巖層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使上覆巖層再次產(chǎn)生壓縮和下沉，導(dǎo)致地面出現(xiàn)新的移動(dòng)和變形，對(duì)地面建筑物安全構(gòu)成影響。這表明煤礦開(kāi)采的地表殘余移動(dòng)與變形具有長(zhǎng)期、集中發(fā)生(受到自然力或外力時(shí)發(fā)生)和逐次減小的特點(diǎn)。

圖9 長(zhǎng)壁工作面老采空區(qū)及其覆巖結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，2015年7月15日觀測(cè)點(diǎn)沉降情況與之前長(zhǎng)期觀測(cè)結(jié)果相比，變化較小，多數(shù)測(cè)點(diǎn)沉降值沒(méi)有變化，在2015年7月16日各觀測(cè)點(diǎn)沉降值突然加大，平均增大約10mm左右，其中最大增加值為15mm(Z13測(cè)點(diǎn))；到2015年8月15日相對(duì)于7月15日，西部測(cè)點(diǎn)下沉在25mm左右，中部測(cè)點(diǎn)下沉在35mm左右，東部測(cè)點(diǎn)下沉45mm左右，其中有3個(gè)點(diǎn)下沉累計(jì)達(dá)50mm以上，分別是Z13號(hào)點(diǎn)下沉58mm，Z19號(hào)點(diǎn)下沉55mm，Z20號(hào)點(diǎn)下沉56mm，說(shuō)明東部區(qū)域地表移動(dòng)達(dá)到活躍期的程度。

2015年8月中旬—9月末沉降值變小，沉降速度較小，期間沉降值最大值約為12mm。9月末—10月末無(wú)變化。10月末—11月末有微小沉降，沉降速度較小，期間沉降值最大值約為11mm。此期間最大沉降值都在橋東部。而7，8月份屬于雨季，大氣降雨量增大，本開(kāi)采區(qū)域又接近煤層露頭區(qū)域，未完全垮落覆巖受雨水反復(fù)侵?jǐn)_產(chǎn)生新的垮落穩(wěn)定，導(dǎo)致地表殘余移動(dòng)與變形集中表現(xiàn)。

故根據(jù)煤礦開(kāi)采地表殘余移動(dòng)與變形的長(zhǎng)期性和突發(fā)性，可推斷本次1號(hào)橋產(chǎn)生新的較大量的沉降極大可能是由于原采空區(qū)覆巖受到雨水的反復(fù)侵?jǐn)_導(dǎo)致之前未完全壓實(shí)的區(qū)域產(chǎn)生新的壓縮和下沉，發(fā)展到地面所致。但由于2015年7月中旬—8月中旬地表下沉量及下沉速度較大，也不排除有開(kāi)采臨近小范圍煤炭(如回收煤柱等)導(dǎo)致下沉的情況，應(yīng)可以排除開(kāi)采新的長(zhǎng)壁工作面的情況。

5 橋梁以后沉降可能性及采取措施分析

在采煤沉陷區(qū)內(nèi)的路橋所在的地理位置、氣候特點(diǎn)、地基土層性質(zhì)等均有使橋梁、路段發(fā)生突發(fā)沉降的可能。首先，1號(hào)橋處于中緯度帶，屬于中溫帶大陸季風(fēng)氣候區(qū)，冬季較長(zhǎng)，季節(jié)間溫差大，地面凍土層厚1.2～2.5m，秋、冬、春季具有上凍時(shí)土層膨脹、解凍時(shí)土層又恢復(fù)原狀、甚至下陷的特征；其次，路段沿線地表水主要為各封凍性河流徑流，徑流主要靠降水(雨、雪)補(bǔ)給，降雨主要集中在6～8月份，降雪主要集中在10月份至次年4月份，地下水主要以潛水和上層滯水為主，使路橋地基土具有含水率不穩(wěn)定的特點(diǎn)；第三，沿線巖土層主要為黏性土和砂礫石，河谷低洼地段見(jiàn)基巖，路段所處區(qū)域地勢(shì)低平，具有典型的沼澤化低濕平原地貌特點(diǎn)，沿線河灘谷地地表植被多為水田和植被，具有地表松散土層較薄的特點(diǎn)；第四，高速路段的橋梁均通過(guò)橋墩、橋柱等將橋梁及車輛通行荷載集中傳遞給持力層，使橋、路的地基土受到的外部荷載擾動(dòng)比較頻繁。巖、土層的上述特點(diǎn)，在采空區(qū)垮落時(shí)，均有可能出現(xiàn)突發(fā)的沉降量加大現(xiàn)象。

由于以上因素的存在，加上地表殘余變形本身的特點(diǎn)，以及鉆探結(jié)果發(fā)現(xiàn)橋下方附近29號(hào)煤層和27號(hào)煤層采空區(qū)存在掉鉆現(xiàn)象，說(shuō)明老采空區(qū)具有未充分壓實(shí)的區(qū)域，且27號(hào)煤層采空區(qū)在鉆探位置有900mm掉鉆，未充分壓實(shí)的采空區(qū)垂高較大，如果類似采空區(qū)的連續(xù)面積較大，以后還可能引起較大的地面沉降。故以后1號(hào)橋發(fā)生突然沉降的可能性是存在的，但若沒(méi)有新的采動(dòng)影響，再次發(fā)生突然沉降的可能性、沉降量和短期沉降速度相比本次均應(yīng)減小。

為了保證1號(hào)橋安全通車運(yùn)行，需對(duì)1號(hào)橋進(jìn)行維修加固，并對(duì)場(chǎng)地下方采空區(qū)采取更詳細(xì)的鉆探等工作，以全面掌握采空區(qū)覆巖的壓實(shí)情況，然后對(duì)場(chǎng)地下方未垮落采空區(qū)進(jìn)行注漿加固處理，防止對(duì)橋梁產(chǎn)生新的損壞。

6 結(jié) 論

(1)根據(jù)對(duì)煤礦開(kāi)采地表殘余移動(dòng)與變形發(fā)生機(jī)理的分析，認(rèn)為采空區(qū)引起的地表殘余移動(dòng)與變形具有長(zhǎng)期、集中發(fā)生和逐次減小的特點(diǎn)。

(2)根據(jù)煤礦開(kāi)采地表殘余移動(dòng)與變形的特點(diǎn)、采空區(qū)賦存條件、沉降發(fā)生時(shí)間及勘察結(jié)果，可認(rèn)為1號(hào)橋產(chǎn)生新的較大量的沉降，極大可能是由于原采空區(qū)覆巖受到大氣降水的反復(fù)侵?jǐn)_，導(dǎo)致之前未完全壓實(shí)的區(qū)域產(chǎn)生新的壓縮和下沉，發(fā)展到地面所致。

(3)27號(hào)煤層采空區(qū)在ZK2，ZK3鉆探位置有900mm，600mm的掉鉆現(xiàn)象，說(shuō)明未充分壓實(shí)的空區(qū)垂高較大，根據(jù)采掘圖分析認(rèn)為該處很大可能對(duì)應(yīng)于井下巷道和采空區(qū)邊界位置，雖垮落不充分，但平面展布范圍較小(條狀分布)，對(duì)地表影響極為有限。考慮到ZK2，ZK3鉆孔與1號(hào)橋的平面距離，若沒(méi)有新的采動(dòng)影響，1號(hào)橋再次發(fā)生突然沉降的可能性、沉降量和短期沉降速度相比本次均應(yīng)大幅減小。如果類似空區(qū)的連續(xù)面積較大，則以后可能在1號(hào)橋以東的地表引起一定的地面沉降。

(4)為了保證1號(hào)橋盡快安全通車運(yùn)行，需對(duì)1號(hào)橋進(jìn)行維修加固，并應(yīng)對(duì)場(chǎng)地下方采空區(qū)采取更詳細(xì)的鉆探和治理等工作，防止對(duì)維修后橋梁產(chǎn)生新的影響。并應(yīng)繼續(xù)對(duì)橋梁及附近道路進(jìn)行監(jiān)測(cè)。