采空区公路桥桥墩选址稳定性评价

黄 召

（邢台路桥建设总公司，河北邢台 054000）

0 引言

由于地下煤层的采出，围岩原始应力平衡遭到破坏，为了达到新的应力平衡，围岩体将向采空区内移动变形，上覆岩层由于失去支撑将向采空区内移动并产生变形、离层和裂缝甚至垮塌，覆岩的移动变形进一步引起地表面移动变形，该过程将持续到采空区覆岩达到新的应力平衡为止。在已经达到稳定状态的采空区场地上修建大型工程建筑时，由于建（构）筑物对采空区覆岩施加的附加荷载，可能会造成采空区覆岩中的洞隙压密导致地表沉降，甚至引起采空区垮塌进而导致地表建（构）筑物的损毁，但这并不代表不能在采空区地表场地修建建（构）筑物。采空区地表场地的自然稳定性和影响范围通常与其埋深、范围、覆岩性质、地质构造、顶板管理方法以及停采时间等因素相关，通过研究论证修建建（构）筑物的采空区地表场地稳定性满足相关规范或标准，或通过一定的工程处理措施能保证建（构）筑物长期正常使用，便可充分利用采空区场地进行相应的工程建筑活动。

在采空区场地进行各类工程活动目前已成一种趋势，运用科学合理的技术手段和相应的理论对采空区场地的整体稳定性以及建(构)筑物地基的稳定性进行研究论证是这种工程活动进行的必要前提，只有在保证采空区场地和建（构）筑物地基安全稳定的前提下才可进行相应的工程活动。

1 工程地质条件

1.1 地形地貌

拟建大河特大桥所在区域位于云贵高原向黔中高原过渡的斜坡地带，地处长江流域乌江水系上游，属构造侵蚀、剥蚀低中山山地地貌，发育单面山，单面山脊之间组成单斜谷地。区内山峦起伏，地形复杂，沟谷纵横，总体上地势西高东低（图1）。以乃河流经研究区北部，白岩脚小河平行于地层走向沿煤系地层向北流经大河边镇汇入以乃河，区内多盆地和缓坡，境内碳酸盐类岩石广泛分布，地貌如溶丘、洼地、峰丛、溶斗、伏流等分布普遍。

图1 研究区地形地貌

1.2 地层岩性

研究区内出露地层主要第四系（Q）、三叠系下统永宁镇组（T1yn）、飞仙关组（T1f）以及二叠系上统宣威组（P3xn）。第四系（Q）主要为浅黄、褐红色粘土，局部含少量砾石，不整合于研究区内地层之上，一般厚约（15～20）m。三叠系下统永宁镇组（T1yn）与下伏的飞仙关组呈整合接触，分布在拟建大桥东部及北部。岩性以粉砂质泥岩和砂岩为主，夹有薄层灰岩。三叠系下统飞仙关组（T1f）与其下伏煤系地层呈整合接触，整个区域均有出露，形成较陡峻的构造剥蚀山地或脊谷相间的牙状山岭，岩性以厚层砂岩与泥质砂岩为主，夹少量薄层页岩。二叠系上统宣威组（P3xn）为区域内含煤地层，出露于沟谷地带。二叠系上统宣威组（P3xn）地层系以陆相和海陆交互沉积为主的含煤构造，岩性主要为页岩、砂质页岩、泥岩、砂岩、泥灰岩及煤。总厚（212～249）m，一般厚232.75 m，含煤34层，可采及局部可采煤层11层。据岩性和含煤情况本组可分为上、中、下3段。

（1）宣威组第三段（P3xn3）。11号煤层顶板至1号煤层顶板，厚约（60～75）m。岩性主要为细砂岩、粉砂岩、煤和泥岩，中间夹有（3～5）层灰岩及泥灰岩，煤层数量为9层，其中可采或局部可采煤层4层，分别为1号、4号、7号及8号煤层。该段为浅海相或滨海相沉积，富含海相动物化石。

（2）宣威组第二段（P3xn2）。19号煤层底板至11号煤层顶板，厚（40～65）m。岩性为深灰色细砂岩、泥岩、粉砂岩、粘土岩及煤，为主要含煤段，含煤10层，可采及局部可采6层：11号、号、14号、15号、16号、19号。该段为沼泽和湖泊沉积，富含植物化石。

（3）宣威组第一段（P3xn1）。玄武岩顶至19号煤层底板，厚约（100～130）m，岩性为灰、浅灰色细砂岩、粉砂岩、及泥岩与粘土岩互层。近底部夹有一层玄武岩，厚度约6 m左右，由北往南逐渐变薄，含煤15层，其中可采仅一层34号煤层。该段主要产植物化石。

2 桥墩地基选址

2.1 采空区垮塌破坏可能性分析

经理论计算、软件模拟及钻探均说明宏龙寨煤矿采空区顶板未充分垮落，虽然目前处于基本稳定状态，但在一系列影响因素下，仍有可能发生垮塌破坏，针对该采空区主要考虑场地水文地质条件的变化及地质构造的影响。

（1）地下水区内地下水类型主要为岩溶裂隙水、基岩裂隙水、松散岩类孔隙水。①岩溶裂隙水含水岩组主要为三叠系下统永宁镇组（T1yn）第一段、第二段、第三段的灰岩，富水性好，为区内强含水层。但该层分布于拟选场地上侧，对场地活化影响小。②基岩裂隙水含水岩组主要赋存于三叠系下统永宁镇组第四段（T1yn4）、飞仙关组（T1f）、二叠系上统宣威组（P3xn）的地层中。拟选场地位于飞仙关组（T1f）地层上，以粉砂质泥岩或泥岩为主，具有一定的隔水性能，区域上起隔水层作用，大气降水是其补给的主要来源。钻孔揭露地下水最大埋深124 m，地下水位高于采空区顶板高程，在地下水长期作用下，采空区覆岩易发生软化，未来在附近进行开采、抽排地下水等作业，都将导致地下水位下降，破坏现有的地应力场平衡，可能导致采空区进一步变形破坏。③松散岩类孔隙水含水岩组主要赋存于第四系（Q）残坡积层孔隙内，分布于地表溪沟两侧、山麓处及地形较缓地带。由于场地地形陡，有利于地表水自然排泄。地下水赋存条件差，枯季基本不含水，仅局部松散层厚度较大的地带，含少量孔隙水。因此该层对采空区影响较小。

（2）地质构造现已查明YZ6钻孔附近有断层通过，其次，钻探显示YZ2，YZ3附近可能存在隐伏断层，而场地位于大河边煤矿矿界内，受邻近采区采动、爆破震动、地震等作用引发断层活动，从而导致采空区垮塌破坏可能性较大。

（3）地表残余变形分析拟选场地矿区已关闭多年，虽目前处于基本稳定状态，但理论计算和数值模拟，均说明采空区未充分垮落，而顶板岩体变形较大，边界煤柱与中心残留煤柱处应力集中过大，顶板岩体可能破断，并引发采空区大规模垮塌。另据钻探揭露，采空区仍残留大量剩余开采空间，且覆岩竖向裂隙和离层裂隙较为发育，而地下水位高于采空区顶板高程，大量裂隙的存在使得泥岩及粉砂质泥岩的隔水作用被极大的弱化甚至丧失，地下水能够较为顺利的流向采空区方向。该矿区可采煤层数量较多，目前仅开采一层，将来极有可能在该矿区及附近继续进行采煤作业，对于开采爆破作业，其产生的应力波将对处于极限平衡状态的覆岩产生极大的破坏。

综上分析，在地下水、爆破、地震及上部荷载等因素作用下，采空区可能会发生进一步的压实变形，甚至垮塌，导致地表残余变形。

2.2 桥墩位置

通过上述分析可知，拟选场地不适合直接选作桥墩地基的场址，且采空区处治措施实施难度大、造价高且周期较长。

根据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》表12.3.1（采空区场地工程建设适宜性评价分级表），该场地适宜性差，不适宜作为桥墩地基。为保证桥梁建成后的使用安全，建议将桥墩置于采空区及其影响范围之外的稳定区域。

为了桥梁结构设计的合理性，桥墩不应离采空区影响范围太远，可根据公式计算采空区下山方向的影响半径确定桥墩的位置。采空区下山方向距开采边界208 m外的地表属于采空区的影响范围之外，再保留20 m安全距离，桥墩可以修建在沿岩层倾向距采空区开采边界228 m的地表（图2）。通过现场实地勘察，所选场地地表没有任何裂缝或塌陷变形，且通过钻探也证明该场地岩层性质较好，可以作为桥墩地基的选址。

图2 桥墩位置示意

3 结论

以某公路桥梁工程为依托，在分析现场工程地质条件的基础上，通过对采空区地基基础稳定性进行讨论得到的结论是：（1）虽然采空区当前处于基本稳定状态，但数值模拟发现采空区顶板岩体变形较大，且采空区中心残留煤柱和边界煤柱处应力集中值高达54.27 MPa，部分煤柱被压碎，在地下水、爆破、地震以及上部荷载等因素影响下，采空区有可能发生塌破坏，导致地表发生较大沉降变形。若直接把桥墩地基置于采空区覆岩上，则需要对采空区进行治理，但治理难度和成本均较大，且难以保证治理效果，故建议把桥墩地基选在采空区影响范围之外。（2）煤矿区存在大量未开采煤层，在桥梁地基附近未经专门研究论证进行开采可能会危及到桥梁地基的安全稳定，相关部门需要对桥梁地基和附近采空区地表沉降变形进行定期监测，确保桥梁地基的安全稳定。

［1］施成华,彭立敏.随机介质理论在盾构法隧道纵向地表沉降预测中的应用［J］.岩土力学，2004.25（2）：321-323.

［2］宋博.煤矿塌陷区路基沉降规律及预测方法研究啊［D］.焦作：河南理工大学，2014.

［3］田锦州.开采沉陷智能化预计系统的研发［J］.矿山测量，2012，（1）：72-74.

［4］谢桂华,张家生，尹志政.基于随机介质理论的采水地面变形时空分布［J］.岩土力学，2010，31（1）：282-285.

［5］杨梅忠，任秀芳，于远祥.概率积分法在煤矿采空区地表变形动态评价中的应用［J］.西安科技大学学报 2007，27（1）：39-42.

［6］岳著文.深部典型开采模式下沉陷区建筑物损害研究［D］.青岛：青岛理工大学，2010.