矿煤开采沉陷区道路桥梁病害影响分析

孙启龙

(建鸡高速公路虎林至鸡西段建设指挥部，黑龙江 鸡西 158100)

鸡西市是一座因煤而兴的资源型城市，煤炭开采历史悠久，至今煤炭开采仍是鸡西市的主要支柱产业，并仍将处于煤炭的大量开采期，地表沉陷问题将持续存在，对各类已有公路的影响难以避免。鸡西境内的方虎路、206省道、鸡虎高速、鹤大高速、丹阿公路等均受到不同程度的影响或损害。同时，鸡西市的城市道路等基础设施建设也在不断发展，大量的改建、扩建及新建道路都难以避开采煤沉陷区或压煤区。在路、桥建设和沉陷方面，为了地面建设而杜绝地下开采，或为了地下开采而停止地面建设，都不利于煤矿地区的长期、协调、持续的发展。本文根据采煤沉陷区发展特点，对处在不同沉陷区位置的3座桥梁及部分路段受采矿影响发生的病害情况进行分析，结合研究结果提出在采矿区进行路桥建设过程中如何有效地控制或减缓地表移动与沉降的具体建议和措施。

1 鸡虎高速团结互通区采矿区及桥梁与路段概况

1.1 团结互通区采矿区情况

鸡西市某煤矿在鸡虎高速团结互通区已开采的煤层有36A#、29#、27#。各煤层开采情况见表1。

表1 煤层开采工作面统计

1.2 鸡虎高速团结互通区桥梁和道路情况

在采矿内分布了鸡虎高速 “团结分离桥”、206省道“团结匝道桥”、“团结公铁立交桥”等3座桥，以及鸡虎高速公路K182+667—K183+167路段(见图1)。

图1 路、桥及开采工作面位置关系图

鸡虎高速公路团结分离桥为6跨预应力砼箱梁桥。梁跨30 m，全长187.40 m；肋板式桥台，柱式桥墩，桩基础、等角度墩台；桥平面位于直线与缓和曲线上，纵断面位于R=12 000 m的竖曲线上；桥面宽24.5 m，桥面铺装为改性纤维沥青混凝土+防渗抗冻混凝土，总厚度18 cm。在两端桥台及中部桥墩处留80型宽伸缩缝3道。团结分离桥2010年开工，2011-10竣工投入运行。206省道团结互通匝道桥全长65.24 m，共3跨2幅，桥宽33.25 m，桥梁跨径为3×20 m；预应力砼小箱梁，肋板桥台，柱式桥墩，桩基础、等角度墩台；两端桥台留80型伸缩缝2道。该桥2010年开工，2011年10月交工。团结公铁立交桥横跨城鸡铁路，桥梁跨径10×25 m，全长257.4 m；桥宽24.5 m：预应力砼箱梁，肋板桥台，柱式桥墩，桩基础墩台；桥平面位于缓和曲线、圆曲线上，纵断面位于R=3 000 m的竖曲线上；桥面铺装改性纤维沥青混凝土、防渗抗冻混凝土累计20 cm；桥台及桥墩采用橡胶支座；伸缩缝3道，两侧伸缩缝80 mm宽，中间伸缩缝160 mm宽。2014年开始建设当年竣工使用。

2 采矿区开采对团结互通区桥梁和道路沉降与病害影响分析

2.1 采矿区桥梁沉降变化及规律

3个煤层在2011-07—2013-10之间进行了连续开采，开采过程均处于3座桥梁及相应路段的施工和运营阶段。2013-06—2015-11，建鸡高速公路虎林至鸡西段建设指挥部对鸡虎高速的团结分离桥及桥头附近路面进行了病害和沉降的监测。图2为1#监测位置的20个沉降观测点的沉降变化曲线。

图2 团结分离桥1#观测位置的沉降—时间曲线图

根据图2中沉降曲线的变化情况可以看出：在2013-06—2015-11期间，采矿引起的沉降可以分为两个逐级衰减阶段。第一阶段：2013-06—2013-09，观测点的沉降逐渐增加，但沉降变化速度较小，最大沉降点在桥台附近；2013-10—2014-05沉降变化速度较快，沉降曲线的曲率有明显的变化，月均沉降变化达到约32 mm；2014-06—2015-05，桥梁沉降速度明显减慢，月均沉降约为9 mm；2015-05—2015-06末无明显沉降。第二阶段：2015-07—2015-08，月均沉降约50 mm，主要发生在桥梁东部桥台附近；2015-09—2015-10均沉降约12 mm；2015-11之后，桥梁微小沉降，沉降速度较小，最大沉降点在桥东部路面。

2.2 采矿区桥梁和道路病害情况

煤层的连续开采导致互通区内桥梁和道路出现明显病害。表2总结出采矿区桥梁和路段病害情况。

表2 各桥、路受影响情况与建设类型表

根据现场病害调查情况，团结分离桥在沉降的第一阶段，桥西路面发生不均匀下沉、伸缩缝挤压现象,见图3、图4；在第二阶段，鸡台桥西路面发生显著的开裂、拱起现象,见图5、图6。

图3 桥面受挤压变形的伸缩缝

图4 桥面受拉伸变形的伸缩缝

图5 路面受拉伸的开裂缝

图6 路面受挤压的拱起

3 采沉陷矿区桥梁与道路病害形成原因

3.1 采矿区产生沉陷的规律

煤层开采对地表建(构)筑物的影响主要体现在采矿引起的地表移动与变形规律、采煤沉陷区建(构)筑物的工程类型，以及建(构)筑物在沉陷区中的位置等方面。首先，煤层的开采具有典型的连续变形的特点。充分开采条件下，下沉盆地可划分为盆地中部区、边沿区、外边沿区，各区的地表移动过程不同。以曲率K为例，位于下沉盆地中部区域的地表土要经历K0=0→K1>0→K2=0→K3<0→K4=0的发展过程，该过程最为复杂；位于下沉盆地边沿区的地表土只经历由K0=0→K1>0→K2=0→K2<0的发展过程，该过程相对复杂；位于下沉盆地外边沿区的地表土仅经历由K0=0→K1>0的发展过程，该过程相对简单；位于地表最早发生沉降区某一微小地表土仅经历由K0=0→K1<0的发展过程，符合该过程的区域极小，在工程建设方面可忽略。其次，煤层的开采具有典型的地表移动活跃期较长的特点。单一煤层开采引起的地表移动持续时间可分为初始期、活跃期、衰退期等3个主要的时间段，之后进入缓慢的地表残余变形阶段；多煤层不同步开采时，地表移动的量值及各持续时间段交互影响，往往延长了多煤层开采时总的地表移动时间。第三，煤层开采具有典型的地表二次塌陷特点。地表的二次塌陷往往由采空区周边顶板垮落传导至地表，引起地表移动与变形。团结分离桥在2013年6月至2015年11月期间观测到的沉降变形曲线所表现出的两个逐级衰减特征，对采矿区内的沉降规律进行了验证。

3.2 采矿区桥梁与道路病害成因分析

3.2.1 采矿区内路段病害分析

团结匝道桥属于“先建后采”类工程，团结匝道桥是206省道上2010年以前就存在的公路桥，使用阶段正经历了煤层开采的地表移动初始期、活跃期、衰退期及后续残余变形的影响。但由于工程位于沉陷盆地的外边沿区(地表曲率仅出现由k=0～k>0的变化)，因此团结匝道桥仅受轻微的地表变形影响，桥梁不需要维修，可以正常通行。

团结互通桥属于“先采后建再采”类工程，该桥位于下沉盆地的中部偏外(地表曲率出现由K0=0→K1>0→K2=0→K2<0的发展过程)，正是地表移动与变形发生比较剧烈的地段。该桥受采动影响大致可分为3个阶段：首先该桥在建设前，36A#煤层的开采活动已经结束，地表的移动与变形的活跃期已过，此建设期的桥梁、桥柱、桥面等仅受36A#煤层开采后地表剩余或残余变形影响，这个阶段并未影响到桥的正常运行；第二阶段，桥梁建成后又开采27#、29#煤层，因此桥梁既受到以前采煤活动引起的地表移动衰退期的影响，又受到开采27#、29#煤层引起的地表移动初始期、活跃期、衰退期等全过程的影响，并且以27#、29#的开采影响为主，桥柱、桥梁等受到反复地拉伸、挤压，变形缝呈现宽度加大—逐渐变小的反复过程，有一处变形缝受挤压严重，以致缝两侧的梁端混凝土碎裂、酥化，而同时另一处的变形缝宽度达130 mm(设计值为80 mm)(图3、图4)；路面开裂、拱起(图5、图6)等，第三阶段是受到采空区二次塌陷的影响，采空区的二次塌陷引起的地表移动与变形不如首次发生的剧烈，范围也较小，仅在团结互通桥以东约50～80 m范围的路面两处横向拱起。

团结公铁立交桥属于“先采后建”类工程，位于下沉盆地的外边沿区(地表曲率仅出现由k=0～k>0的变化)。该桥建于2014年，基本是在地表移动的衰退期建设，建设地点在矿区铁路的保护煤柱(煤柱被回采了一部分)上方，在建设时间上避开了地表移动的活跃期，建设地点也属于地表移动相对较弱的地段。

3.2.2 采矿区内桥梁病害分析

团结互通桥为6跨2幅，即留设3条伸缩缝(桥面一条，两端桥头各留设一条)，桥梁结构不利于吸收地基土的不均移动与变形。在地基发生水平移动时，桥柱随着发生移动，移动的桥柱通过柱头的梁垫与桥梁间的摩擦力带动桥梁产生移动，当水平移动不均匀时，就表现为桥面、桥头伸缩缝拉伸或压缩，当桥柱间地表水平移动值相差过大或过小、桥面及桥头的3条伸缩缝和梁垫的有效支撑长度之和不足以向梁体提供自由移动的空间时，必然导致伸缩缝拉开或压缩，严重时产生落梁和梁头受压碎裂现象；在地基土产生不均匀沉降差时，支撑单个连续梁的多个桥柱的沉降也是不均匀的，进而使梁、柱间的支撑状态发生不一致的改变，最终在桥梁内部产生附加内力，有可能对桥梁造成破坏。比较而言，团结互通桥的梁柱结构在吸收地基移动与变形方面，不及简支桥梁。这也是团结互通桥受损害比较严重的内在因素。

4 采矿区路、桥建设及维护

通过“团结匝道桥”、“团结分离桥”、“团结公铁立交桥”及一些路面的损害成因分析，笔者认为，煤矿地区除地下宜采用充填、协调、间歇等可显著降低对地表影响程度的开采技术措施外，还需从以下几个方面进行地面建设的协调，以确保路桥的安全畅通。

1)建设线路如无法避开变形剧烈的沉陷区，则宜将线路布置在沉陷区的外边缘地段，这些地段在沉陷区的动态发展中，地表的移动与变形相对较为平缓。

2)道路的建设、维修、养护宜避开地表移动与变形的初始期、活跃期。路、桥类地表线性构筑物，延展较长，跨区域较广，而采煤沉陷区仅为其中的某一段落，移动与变形剧烈的地段在线路中所占的比例毕竟有限，移动与变形持续的时间也相对较短(单一工作面引起的地表移动活跃期较短),因此可以通过分段、延缓接续等施工组织避免在地表移动初始期及活跃期建设、维修或养护路、桥。

3)在路、桥的设计阶段，宜充分考虑道路、桥所处地段会出现的地表移动和变形，采取可减小或抵抗地表移动与变形不利影响的技术措施。一般情况下跨度较大的连续桥梁其抗变形能力要小于简支桥梁的“抗变形”能力，在地表移动与变形影响下，前者会产生附加结构内力，有可能对桥梁结构构成危害，而后者不会产生内力，只会在相邻的简支梁间产生相对位移，在路面垫层中铺设钢筋网可以减小路面出现裂缝等。

综上，地下开采时采取减缓地表移动与变形发生的措施、地面路桥建设时充分考虑地表已经发生或未来可能发生的地表移动与变形影响、在规划与设计阶段事前控制，通过地下开采与地面路桥建设的共同协调，解决采煤地区路桥等基础设施建设与资源充分利用的共同发展问题；在地下开采难以避免时，更应注重在路桥建设的规划、设计及施工阶段采取必要的技术措施，防范或降低开采情况下地表移动与变形对路桥的影响程度。

5 结 论

鸡西市“团结匝道桥”、“团结分离桥及相关道路”、“团结公铁立交桥”是同一采煤沉陷区内受开采影响程度不尽相同的重要桥梁和路段，通过对路桥所处地段的地表移动与变形特点分析，可得出以下结论：

1)煤矿地区在路桥线路规划阶段，研究建设场地所在地段受开采影响时的地表移动规律，在线路难以避开动态沉陷区影响时，宜将线路布置在动态沉陷区的外边沿区，避开动态沉陷区的中部及次边缘区等不利地段。

2)在设计位于动态沉陷区的桥梁及路面时，宜采取有利于抵抗或吸收地表变形的桥梁结构，通常情况简支结构桥梁优于连续梁结构桥梁，小型桥梁优于中大型桥梁，预设伸缩缝较多、较宽的桥梁优于伸缩缝较少、较窄的桥梁，圆形过水涵洞优于箱涵，纵向加筋路面利于减少、减小路面的横向裂缝等。

3)在动态沉陷区修建桥梁宜在地表移动期之后进行施工，不应在地表移动初始期和活跃期进行施工，应杜绝地表移动初始期、活跃期内在动态沉陷区的中部区施工。

4)建立沉陷区及路段的移动与变形观测站，在地表移动开始前及桥、路建设前，分别建立地表、道路的移动与变形观测，取得沉陷区发展全过程的完整数据和路桥建设期及竣工运营后一段时间内桥梁、路面的位移、变形数据，及时分析、研究沉陷区的地表移动发展规律，研究地表与路桥间的移动与变形相关关系，为路桥的安全通行、维护方案选择及新的路桥设计和建设提供可靠理论与数据支撑。