新发煤矿采动影响下高速公路桥梁变形规律及评价

2021-07-06刘卓然赵高博

能源与环保 2021年6期

刘卓然，赵高博

(1.天地科技股份有限公司，北京 100020；2.辽宁工程技术大学，辽宁阜新 125105;3.河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作 454000)

目前，我国高速公路桥梁建设与煤炭工业都得到了快速的发展，而煤炭开采诱发的高速公路桥梁的损坏问题日益突出[1-2]。煤炭开采导致顶板失稳、破碎垮落，直至传递至高层位覆岩整体下沉、弯曲进而引起的地表变形[3-4]，将影响地表高速公路桥梁地基的初始平衡状态，将导致桥梁结构失稳，影响高速公路桥梁的正常使用[5-7]。

部分学者就地表构筑物下采煤进行了深入的研究。谭志祥等[8]分析了煤矿开采铁路桥变形与地表变形之间的关系；徐平等[9]观测了采动影响区地表桥梁数据，并设计了覆岩离层注浆方法控制采动桥梁变形；于广云等[10]通过数值模拟方法研究了地表移动变形对桥梁附加应力的影响；郭文兵等[11]通过理论分析，建立了采动影响区地基与地表构筑物结构协同变形理论模型；张敏霞等[12]通过室内模型试验研究了公路桥梁与地表沉陷曲率之间的关系；梁鑫等[13]基于采空区群桩模型试验，研究了桥梁群桩基础受力机制。

研究着重于分析采动影响下桥梁变形与地表移动变形之间的定量关系，而随着工作面的推进对地表桥梁结构变形的动态过程分析鲜有提及。本文以新发煤矿与鸡虎高速公路鸡西段的1号桥为研究背景，对1号桥受采动影响的变形过程进行了研究，并对该桥进行了采动影响评价，提出相对性的防护措施，可为高速公路桥梁下煤炭高效开采提供指导。

1 新发煤矿与高速公路桥概况

1.1 新发煤矿概况

新发煤矿的主要含煤地层位于城子河组，共有9个可采煤层，分别为4号、7号、24号、25号、27号、29号、36A、41号、42号煤层，煤层平均厚度为1.5 m，煤层开采顺序：采区由近至远的前进式和先上后下的下行式开采，而沿走向前进式开采，沿倾斜方向先浅后深，上下煤层之间或煤层组之间原则上先上后下，采区内工作面采用走向长壁后退式的回采方式，全部垮落法控制顶板。

新发煤矿于2013年11月前已采煤层工作面共4个，分属于3个煤层：36A、29号、27号煤层，已开采煤层情况统计见表1。

表1 新发煤矿已开采煤层情况

1.2 高速公路桥概况

鸡虎高速公路位于黑龙江省东部三江平原腹地，为黑龙江省东部交通大通道，路线总体走向为由东北向西南，路线规划全长约383 km。

本文研究对象为鸡虎高速公路鸡西段的1号桥(简称“1号桥”)，如图1所示。1号桥为团结互通分离桥(设计桩号K182+973 m)；桥跨径设计为6～30 m；桥梁全长187.40 m，共6跨，全桥共2联；桥梁宽为24.5 m。

1号桥桥梁上部结构采用预应力混凝土小箱梁，先简支后连续，下部结构桥台采用肋板台，桥墩采用柱式桥墩，墩台采用桩基础；桥面铺装采用18 cm(上层改性纤维沥青混凝土+5 cm改性沥青混凝土+防水层+8 cm防渗抗冻混凝土)。

鸡虎高速公路的1号桥与新发煤矿已采煤层的平面相对位置如图2所示。由图2可知，新发煤矿已采煤层工作面位于1号桥下方附近，受新发矿36A、27及29煤层重复采动的影响。

图2 1号桥与新发煤矿已采煤层相对位置

2 采动影响下高速公路桥变形规律

截至2013年10月，新发矿已在1号桥下进行了多煤层开采，对1号桥的影响较大，以新发矿开采时对1号桥的影响过程，分析地下开采对桥的影响机理。

1号桥为6跨2联桥，自左向右，跨度分别为2 992、3 000、2 992、2 992、3 000、2 992 cm。在桥的整个结构方面，纵向抗弯刚度要小于横向抗弯刚度。沿着桥的中心轴线，在结构上有3类7处薄弱点：3号柱上的梁留设的80 mm伸缩缝为一类薄弱点A；0号、6号桥墩分别与两边道路相接处(桥台)留设的伸缩缝为一类薄弱点B、B1，共2处；0号桥墩至3号柱(3号柱至6号桥墩)为3跨，相邻两跨梁均为预制场制作，梁两端预留钢筋，吊装后通过后浇筑钢筋混凝土相接而成，后浇带为一结构薄弱点C、D(C1、D1)，共4处；桥的横向分为上行与下行2方向，中间留有隔离带，通过顶部连梁形成的倒U型双桥柱支撑的单独的上行或下行结构均具有相对较大的整体抗弯刚度。平行于桥的纵向中心轴线，路、桥结构及地下煤层的剖面关系如图3所示。

图3 1号桥结构及地下煤层的剖面关系示意

由图3可知，沿着高速路的车行方向(纵向剖面)，当工作面位于桥①梁下方且自西向东推进至某一位置时，地表路面开始下沉和水平移动。

当工作面继续推进至B、B1时(图4(a)、图4(b))，1号桥的0号桥墩开始受到影响，下沉盆地剖面如图4(a)中①、图4(b)中②所示，此阶段1号桥的B处薄弱点位于下沉盆地外边缘，属于拉伸区；路基土体与0号桥墩呈现向采空区所在一边(左边)的移动。

图4 地下工作面开采、地表路面下沉的剖面关系示意

由于0号桥墩与3号桥柱之间的桥梁为一整体(此时1号、2号、3号柱尚未受采动影响，仍保持对上部桥梁的有效支撑，当0号桥墩与1号柱之间的桥梁不与其他桥梁联为一体时，也即单跨简支时，桥梁将与桥墩同步下沉)。因此，桥梁不出现与路面同步的下沉，使B处变形缝出现张裂的台阶状变化。随着工作面的继续推进，上述变化呈现逐渐加剧的发展趋势。在此过程中，由于0号桥墩下沉，对0号桥墩、3号桥柱之间的桥梁的支撑减弱，其桥梁重量及道路通行的负载将由1号、2号、3号柱承担，因此1号、2号、3号柱的地基也将产生一定的压缩沉降。

当开采工作面推进至c处时(图4(c))，下沉盆地剖面如图4(c)中③所示，1号柱受采动影响出现下沉和水平移动，此时0号桥墩处于压缩区，1号柱处于拉伸区。0号桥墩、1号柱对桥梁支撑作用的减弱，会使0号桥墩与3号柱间的桥梁发生跷跷板效应。在地基土向采空区方向移动的过程中，桥柱受到上部桥梁的摩擦力作用，也会发生一定的倾斜。

当开采工作面推进至d处时(图4(d))，下沉盆地剖面如图4(d)中④所示，2号柱受到采动影响，出现下沉和水平移动。此时桥梁底部摩擦力的累计，将使桥梁向左移动，在B处产生强烈的挤压效应，使桥与路的连接桥台B处发生鼓起、同时A处变形缝受拉，宽度增大。

在上述采动对桥墩、桥柱、桥梁的影响过程中，位于动态下沉盆地受拉区的地基土、桥墩、桥柱、桥梁总体上会产生指向下沉盆地一侧的水平移动，但移动量不相同，基本上呈现地基土、桥墩、桥柱、平台梁(梁垫)、桥梁的移动量依次减小的趋势，最终桥墩、桥柱发生相对位移及倾斜、部分桥梁支垫由直立圆柱形变为斜角圆柱，如图5所示。

图5 地基土、桥墩、桥柱、桥梁的相互移动与受力示意

在高速公路的横向方向(横剖面，图6)，倒U形双桥柱也要经历地表变形的拉伸和压缩的交替变形或移动影响，但该方向的桥柱连梁具有的较大的抗弯刚度，因此单独的上行或下行桥面只会出现与地表倾斜方向一致的倾斜和水平移动，上行线与下行线间的隔离带会出现压缩(间距减小)或拉伸(间距增大)现象，如一侧采动引起的地表倾斜值过大，则桥梁会出现侧滑现象。

图6 1号桥横向剖面示意

3 高速公路桥采动影响评价

为对1号桥受到的采动影响进行评价，在新发煤矿对36A煤、27号煤及29号煤回采后，2013年11月2—7日对1号桥桥面下沉值进行了实测，1号桥桥面实测累计下沉量见表2。

表2 1号桥桥面实测累计下沉量

1号桥在建设时就已经受到新发矿2011年以前的开采对地表变形的影响，竣工后又受到2011年至2013年间开采影响。由表2可知，在新发煤矿对36A、27号及29号煤层回采后，1号桥仍处于地表下沉活跃期，截至2013年11月7日，1号桥最大累计下沉量达到706 mm，大于上述计算的1号桥墩台均匀总沉降允许值(110 mm)。因此，截至2013年11月，鸡虎高速公路鸡西段1号桥桥梁不能安全使用。

另外，根据现场调查，1号桥及临近道路路面已出现了影响道路通行的不均匀下沉、拉裂和压缩拱起现象，受采动影响的路面、桥面、桥墩、桥柱与桥梁支垫如图7所示。

图7 受采动影响的路面、桥面、桥墩、桥柱与桥梁支垫

综上，若不采取任何保护性措施，在短期继续全部开采1号桥下所压煤层7号、24号、41号、42号煤层，则产生的地表移动与变形将远远大于1号桥及路面的所能承受的允许变形值，桥与路面都将受到更大程度的破坏。

4 高速公路桥采动损坏防护措施

根据上述采动影响下高速公路桥变形规律与评价，提出从井下开采、地面防护2方面采取措施，实现对高速公路桥的保护。

(1)协调井下采取对地面影响较小的开采方法，采取间歇、条带、充填、留设煤柱等开采方法应为保护高速公路路、桥的首选开采方法。

(2)对受采动影响高速公路桥与其他相近路段桥梁建立系统的全程观测网，对路、桥的受损表象进行系统性监测。主要在相应的桥、路对应的井下采煤开始时进行路基或路面、路桥相接处、桥面变形缝宽度、桥墩、桥柱的下沉与水平移动观测，即时分析观测数据，掌握全程路、桥的移动与变形发展趋势，为治理方案、防护措施的优化提供技术支撑。

(3)对已受损害的路面及时维修，下沉量过大的路面需回填，出现的裂缝需及时修补；桥梁间的伸缩缝应根据变形缝留设的容许误差进行调整；加大桥梁与桥墩间的支撑面；下沉过大的桥墩，应改变桥墩支撑为可调节高度的支撑。