受采动影响桥梁后期地基沉降原因分析及处置措施

刘 贵

(1.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

2013年8月左右，受煤矿采动影响，某高速公路1号桥路面受损较严重。根据煤矿采掘资料对1号桥已受损程度、未来煤层开采可能导致的受损程度及地表移动稳定时间分别做了分析，认为1号桥目前承受的下沉值、水平变形值已超出规程、规范[1-2]规定的桥梁、桥墩的允许变形值，应采取相关应急措施，保证安全通行；若未采煤层以后全部开采，将进一步加剧1号桥的损坏程度，故应采取井下、地面保护措施进行处理；同时根据有关规范[3-4]的规定，进行了采动影响地表移动延续时间的计算，认为1号桥地表将在2015年初趋于稳定。但根据对1号桥的沉降监测发现在2015年7～8月份，桥梁突然发生较大沉降，期间沉降最大值约为50mm，并且到2015年11月，沉降总量又增加23mm，沉降位置发生改变，由西部转向东部。为了分析地表及桥梁沉降原因并掌握以后可能的沉降情况，在1号桥场地下方进行采空区钻探工作，根据钻探结果结合煤矿开采地表沉陷规律进行综合分析。

1 1号桥及场地下方开采概况

1.1 1号桥概况

1号桥为互通分离桥，桥跨径设计为6～30m；桥梁全长187.40m，共6跨，全桥共2联；桥梁宽为24.5m：(0.5m防撞墙+净17.75m+0.75m防撞护栏)+(0.5m防撞墙+净10.75m+0.75m防撞护栏)+0.5m中央分隔带；上部结构采用预应力砼小箱梁，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；本桥平面位于直线和缓和曲线上，纵断面位于R=12000m的竖曲线上；墩台等角度布置；桥面铺装采用18cm(上层改性纤维沥青混凝土+5cm改性沥青混凝土+防水层+8cm防渗抗冻混凝土)；0，6号桥台、3号桥墩采用80伸缩装置。

1.2 1号桥场地下方开采概况

据采掘资料显示，1号桥场地受某煤矿36A，29和27煤层开采影响。其中，36A煤层开采时间为2011年7月—2012年5月，采深约129～240m，采厚1.47m，煤层倾角25°，位于1号桥南侧；29号煤层开采时间为2012年1月—2013年9月，采深约159～352m，采厚1.55m，煤层倾角26°，位于1号桥南侧；27号煤层开采时间为2012年2月—2012年9月，采深约150～230m，采厚1.18m，煤层倾角21°，位于1号桥北侧。开采情况见图1。

图1 1号桥下方采空区示意

2 1号桥受损现状及沉降观测概况

2.1 2013年内1号桥受损情况

1号桥为6跨2联桥，受某煤矿36A，27及29煤层重复采动的影响。1号桥下方各煤层开采的工作面按开采时间的先后顺序为36A煤工作面最早，接着开采27煤工作面，29煤工作面最后开采，停采于2013年9月。

36A，27及29煤的工作面通过1号桥的时间最迟是在2013年2，3月份，在地表有所反应的时间大致在2013年3，4月份，由此地表移动与变形基本进入初始期，影响顺序由西向东。因36A与27煤两工作面的煤层采厚较小，在1号桥所在位置引起的移动与变形也较小，因此1号桥和路面仅发生一些小的变形，早期呈现的受损特征不特别明显，未曾受到注意。

29煤工作面在36A煤工作面下方，属重复采动。各工作面开采顺序均是自西向东进行，因此1号桥的桥墩、桥柱会出现由西向东按照先受拉、后受压的顺序发生移动与变形，而在2013年10月底出现受损较大现象，主要与各煤层的开采时间有关，对桥的影响主要体现在桥的西侧。

1号桥及相应路段的路、桥的受破坏照片见图2～图5。

图2 拉开的桥面变形缝

图3 受挤压的路侧防护带

图4 错动的桥墩

图5 错动的桥墩

2.2 2015年7月后1号桥受损现状

图6是1号桥于2015年7月份后在桥东部出现突然沉降后的路面鼓起情况，路边表现出的拉伸与压缩变形已相当明显，2015年7月以后总沉降达到73mm，再加上之前的沉降量，总沉降超过路桥的承受能力，即表现出了路面鼓起严重，严重影响通行安全。

图6 桥面压缩鼓起

2.3 桥梁的沉降观测情况

在1号桥共布置20个沉降观测点，点号Z1～Z20，布置位置见图7。各观测点下沉曲线见图8。

图7 1号桥监测点布置

图8 1号桥各测点累计沉降量-时间曲线

由观测数据及图8可知，观测于2013年11月10日开始，截至2015年11月，累计观测时间为2a，观测期间，桥梁在不同阶段发生不同速率的沉降。综合观测数据，桥梁变化情况如下：2013年11月—2014年5月沉降速度较快，期间最大累计沉降约220mm。2014年5月—2015年7月桥梁沉降速度明显减慢，期间最大沉降量约为30mm。2014年11月—2015年5月地表趋于稳定，期间最大月沉降值在0～9mm。2015年5月—2015年6月末无沉降。2015年7月—2015年8月，桥梁突然发生较大沉降，期间沉降最大值约为50mm。沉降位置发生改变，由西部转向东部。2015年8月—9月末沉降值变小，沉降速度较小，期间沉降值最大值约为12mm。9月末—10月末无变化。10月末—11月末有微小沉降，沉降速度较小，期间沉降值最大值约为11mm。此期间最大沉降值都在桥东部。

3 采空区钻探勘察情况

为了分析地表及桥梁沉降原因并掌握以后可能的沉降情况，进行了1号桥场地下方采空区钻探工作。在桥梁附近采空区上方共布置6个钻孔。钻孔坐标情况见表1。

表1 钻孔坐标及钻孔深度

钻探施工时间为2015年9月1日—2015年11月5日，6个钻孔，合计钻进1205.54m。由钻探结果可知，除2号钻孔外，其余5个钻孔均探到36A煤采空区，且钻探过程中均未出现掉钻情况，说明该层采空区覆岩垮落情况较好；ZK1，ZK3，ZK4钻孔探测到29煤采空区，其中ZK1掉钻400mm，ZK3未出现掉钻情况，ZK4掉钻300mm，说明29煤采空区有部分区域覆岩未完全垮落，但这些区域面积大小不好确定，说明以后还可能因为这些未完全充填的空区引起地表残余变形；只有ZK2钻孔布置在27煤采空区上方，钻进到该煤层采空区时，掉钻900mm，说明该位置27煤未被充填的空区垂高较大，由采掘图分析认为较大可能为井下巷道位置，虽垮落不充分，但平面展布范围很小，对地表影响极为有限。如果类似空区(非巷道位置)的连续面积较大，以后还可能引起较大的地面沉降。

4 桥梁沉降原因分析

从观测结果可知，1号桥在2014年—2015年7月间累计沉降量为30mm，期间月最大沉降值为9mm。根据煤矿开采地表延续时间的规定，该区域地表移动已处于稳定状态。但煤矿开采采空区虽然经过了长时间的自然压实，但开采后形成的采空区、岩体中的离层、裂缝带和垮落带岩块的未充分压密、孔隙中饱水等现象仍将长期存在[5-10](如图9)。在受到自然力(如地震)或外力(如在上方兴建建筑物、采空区积水疏干、临近煤柱开采等)扰动时，仍有可能影响上覆岩层重新稳定后形成的岩层结构的稳定性，使上覆岩层再次产生压缩和下沉，导致地面出现新的移动和变形，对地面建筑物安全构成影响。这表明煤矿开采的地表残余移动与变形具有长期、集中发生(受到自然力或外力时发生)和逐次减小的特点。

图9 长壁工作面老采空区及其覆岩结构模型

根据观测结果，2015年7月15日观测点沉降情况与之前长期观测结果相比，变化较小，多数测点沉降值没有变化，在2015年7月16日各观测点沉降值突然加大，平均增大约10mm左右，其中最大增加值为15mm(Z13测点)；到2015年8月15日相对于7月15日，西部测点下沉在25mm左右，中部测点下沉在35mm左右，东部测点下沉45mm左右，其中有3个点下沉累计达50mm以上，分别是Z13号点下沉58mm，Z19号点下沉55mm，Z20号点下沉56mm，说明东部区域地表移动达到活跃期的程度。

2015年8月中旬—9月末沉降值变小，沉降速度较小，期间沉降值最大值约为12mm。9月末—10月末无变化。10月末—11月末有微小沉降，沉降速度较小，期间沉降值最大值约为11mm。此期间最大沉降值都在桥东部。而7，8月份属于雨季，大气降雨量增大，本开采区域又接近煤层露头区域，未完全垮落覆岩受雨水反复侵扰产生新的垮落稳定，导致地表残余移动与变形集中表现。

故根据煤矿开采地表残余移动与变形的长期性和突发性，可推断本次1号桥产生新的较大量的沉降极大可能是由于原采空区覆岩受到雨水的反复侵扰导致之前未完全压实的区域产生新的压缩和下沉，发展到地面所致。但由于2015年7月中旬—8月中旬地表下沉量及下沉速度较大，也不排除有开采临近小范围煤炭(如回收煤柱等)导致下沉的情况，应可以排除开采新的长壁工作面的情况。

5 桥梁以后沉降可能性及采取措施分析

在采煤沉陷区内的路桥所在的地理位置、气候特点、地基土层性质等均有使桥梁、路段发生突发沉降的可能。首先，1号桥处于中纬度带，属于中温带大陆季风气候区，冬季较长，季节间温差大，地面冻土层厚1.2～2.5m，秋、冬、春季具有上冻时土层膨胀、解冻时土层又恢复原状、甚至下陷的特征；其次，路段沿线地表水主要为各封冻性河流径流，径流主要靠降水(雨、雪)补给，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，地下水主要以潜水和上层滞水为主，使路桥地基土具有含水率不稳定的特点；第三，沿线岩土层主要为黏性土和砂砾石，河谷低洼地段见基岩，路段所处区域地势低平，具有典型的沼泽化低湿平原地貌特点，沿线河滩谷地地表植被多为水田和植被，具有地表松散土层较薄的特点；第四，高速路段的桥梁均通过桥墩、桥柱等将桥梁及车辆通行荷载集中传递给持力层，使桥、路的地基土受到的外部荷载扰动比较频繁。岩、土层的上述特点，在采空区垮落时，均有可能出现突发的沉降量加大现象。

由于以上因素的存在，加上地表残余变形本身的特点，以及钻探结果发现桥下方附近29号煤层和27号煤层采空区存在掉钻现象，说明老采空区具有未充分压实的区域，且27号煤层采空区在钻探位置有900mm掉钻，未充分压实的采空区垂高较大，如果类似采空区的连续面积较大，以后还可能引起较大的地面沉降。故以后1号桥发生突然沉降的可能性是存在的，但若没有新的采动影响，再次发生突然沉降的可能性、沉降量和短期沉降速度相比本次均应减小。

为了保证1号桥安全通车运行，需对1号桥进行维修加固，并对场地下方采空区采取更详细的钻探等工作，以全面掌握采空区覆岩的压实情况，然后对场地下方未垮落采空区进行注浆加固处理，防止对桥梁产生新的损坏。

6 结 论

(1)根据对煤矿开采地表残余移动与变形发生机理的分析，认为采空区引起的地表残余移动与变形具有长期、集中发生和逐次减小的特点。

(2)根据煤矿开采地表残余移动与变形的特点、采空区赋存条件、沉降发生时间及勘察结果，可认为1号桥产生新的较大量的沉降，极大可能是由于原采空区覆岩受到大气降水的反复侵扰，导致之前未完全压实的区域产生新的压缩和下沉，发展到地面所致。

(3)27号煤层采空区在ZK2，ZK3钻探位置有900mm，600mm的掉钻现象，说明未充分压实的空区垂高较大，根据采掘图分析认为该处很大可能对应于井下巷道和采空区边界位置，虽垮落不充分，但平面展布范围较小(条状分布)，对地表影响极为有限。考虑到ZK2，ZK3钻孔与1号桥的平面距离，若没有新的采动影响，1号桥再次发生突然沉降的可能性、沉降量和短期沉降速度相比本次均应大幅减小。如果类似空区的连续面积较大，则以后可能在1号桥以东的地表引起一定的地面沉降。

(4)为了保证1号桥尽快安全通车运行，需对1号桥进行维修加固，并应对场地下方采空区采取更详细的钻探和治理等工作，防止对维修后桥梁产生新的影响。并应继续对桥梁及附近道路进行监测。