曹根沟大桥采空区桩基桥梁优化调整方案

刘淑轻

（河北省交通规划设计院，河北 石家庄 050021）

曹根沟大桥位于河北省张家口市张北县至尚义县高速公路尚义西互通内河北段与内蒙古段高速交界处，处于尚义南壕堑镇西哈拉沟村东北。曹根沟大桥跨越曹根沟，现状河道宽阔，跨河段河道较为顺直，上口宽120m，河槽内基本无水，一般冲刷深度为Hm=1.61m，局部冲刷深度为1.03m，总冲刷深度2.64m。

曹根沟大桥施工过程中发现4-1号桩基渗水、漏浆，难以成孔。为进一步探明采空区地质环境特征、空洞发育分布规律，评价采空巷道对桥梁施工的影响，本文逐桩勘察了曹根沟大桥。采空区具体情况探明时，0号台、1号墩～3号墩和4号墩的0号桩的墩柱基础已施工完毕。

一、采空区情况介绍

（一）煤矿开采历史

煤矿采空区位于k72+212.5～k72+252.5(即原方案第5跨)段落内，位于路线终点，与内蒙古自治区准兴高速公路相接。经调查，该处有小型煤窑，形成于新中国成立初期，为当地百姓私自采煤形成的小窑采空区，无大规模开采，基本沿煤线形成巷道式采掘，21世纪80年代废弃停采。

（二）采空区勘察手段

查访：由于采空区形成年代较久远，当地居民依据多年经验自主采掘，没有备案的设计或施工图纸可供查阅，遂通过查访当地百姓了解采空区的开采和停采时间，以及分布范围、充水情况等。

钻探：根据岩芯的观察和描述，可知覆岩基本特征，并可通过钻进速度、掉钻及漏水情况了解采空区的存在及其冒落、变形的情况，从钻孔中不同深度处取得岩芯、矿样并分析可直接确定采深、采厚及地层物理学指标等参数。

（三）采空区勘察成果

4-1桩基施工时严重漏浆，孔内泥浆流失，孔壁塌孔，堵漏失败，桩基难以成孔。为查明采空区地下部分情况及影响范围，采用逐桩钻探勘测方法发现，桥梁多根桩基下伏采空区：共勘察钻孔15个，其中出现空洞掉钻7个、浆液漏失3个，见洞率66.67%，涉及数量较多，桥梁桩基难以避让，钻探过程中出现掉钻、严重漏浆情况，4-2号、4-3号、4-4号桩基及其周围多处下伏采空区，空洞最小高度0.5m，最大3.4m。采空区地下水位一般在地表以下11.4m左右，空洞及破碎煤层对桩基施工有一定影响。

钻探过程中，采空区进尺快，钻进时掉钻，坍塌严重，煤层极破碎，岩芯不完整，裂隙发育，碎块状居多（局部夹有煤矸石），采空区埋深22.6m～39.6m，厚度0.5m～3.4m，开采层数为1层～2层，以巷道采掘为主。

（四）顶底板围岩及顶板管理

采空区顶板：直接顶底板岩层为煤层，厚度为2.4m～7.2m，岩芯破碎、易碎、夹煤矸石、裂隙发育、局部呈泥状，其饱和状态下单轴抗压强度5MPa，承载力300kPa，摩阻力80kPa。

采空区底板：直接顶底板岩层为煤层或中风化砂岩，大部分以煤层为主，直接底板为中风化砂岩时，岩石厚度较小，1.1m～2.4m，煤层和中风化岩层饱和状态下单轴抗压强度分别为5MPa和16.9MPa。

顶板管理：采空区大多不支撑或临时支撑，基本处于半填充或悬空状态，松散煤矸石回填或木桩支撑，或根本无任何填充物，顶板管理为自然塌落法。

（五）采空区稳定性评价及治理方案

首先，确定采空区场地的稳定性。采空区稳定性评价：参考规范《采空区路基设计与施工细则》（JTG/T D31-03-2011)表4.2.1-4，采空区稳定性评价可根据采空区覆岩类型及采深采厚比确定，该采空区覆岩为软弱覆岩（天然单轴饱和抗压强度小于30MPa），大部分采深采厚比(H/M=8.5～57)小于80，属于不稳定采空区场地。

其次，小型煤窑为隐蔽灾害，失稳过程为残留煤柱渐进破坏到一定程度后整体突发性破坏的过程；采空区距地表近，在采空区地表以上建设时，建筑物的基础存在稳定性隐患。

根据上述评判，该处采空区对桥梁安全具有较大不利影响，必须实施采空区工程处治。

综合规范要求及前人治理采空区经验，并结合采空区特点将原方案灌砂注浆方案优化为桩位定点处治，即采用片石、黏土、混凝土回填和封堵采空区巷道。压筑混凝土预处理后，采空区内被混凝土充填固结，为确保后期桥梁安全运营，桩基持力层应穿越采空区并嵌入到稳定岩层。

二、方案优化原因

经过逐桩勘察，施工时实际地质情况与设计时情况不符，需及时调整设计方案。

（一）采空区特点

根据逐桩钻探地质资料显示，采空区开采较浅，空间分布规律性差、埋藏深度不等、坑道走向不明；大多不支护或临时支护，仅用松散煤矸石回填，或根本无任何填充物，任其自由塌落，缺乏安全保障。

采空区变形具有隐蔽性、难以准确查明分布特征，其活化机理、过程复杂难以直接观测；失稳破坏具有突发性，顶板冒落塌陷，失稳坍塌可以在瞬间完成且时间难以预测；自身应力和外加荷载作用下内部应力重新分布具有长期性，采空区残余变形对地表的影响是一个缓慢变形的过程。

（二）采空区危害

地下煤层开采会削弱周围岩土的强度，当地表趋于稳定时，采空区及上覆岩达到相对平衡的状态。如果高速公路桥梁经过采空区时，采空区在工程扰动及行车通过时可能会打破这种平衡状态，使采空区上覆岩层重新活化，采空区仍会发生变形，对采空区上方地表的工程建设形成及运营造成安全隐患。

桥墩台下伏采空区可能引发桥梁破坏形式主要有桩基、桥墩台偏移，失稳、下沉，倾覆及桥面破坏，路线纵向不平等病害，危害结构安全、影响高速公路的正常运营。

考虑桥梁属于特殊构筑物，承受变形和位移能力较差，产生变形、位移不易消除，桥梁一旦损坏，影响高速公路通行，恢复起来周期长，费用高，而且技术难度相当大。路基对变形的要求相对较低，问题相对容易处理，应尽量以路基方式通过，故将桥梁孔跨由5x40m调整为4x40m，桥梁缩短一孔，将采空区位置由桥梁调整为路基。

依据勘察成果和桥梁安全、质量综合分析，将采空区段桥梁变更为路基可以消除或降低桥梁施工及运营安全风险；根据《采空区公路设计与施工技术细则》JTG/T D31-03-2011第6.3.5条，桩基埋深较浅（小于40m）时采用桩基跨越，桥梁基础原则上将桩端嵌入采空区底板及软弱煤层以下完整、强度高、稳定性好的中风化岩层内，故根据采空巷道埋置深度变更桥桩长度。

三、方案调整内容

（一）桥梁跨径由5x40m变更设计为4x40m

曹根沟大桥桥跨由5x40m调整为4x40m，第5跨桥孔由桥梁变更为路基；交叉角度、桥梁上部、下部结构结构形式均未变。

（二）桥梁桩基长度变更

由于采空巷道密布，煤层开采后形成的采空范围无规则，桥梁桩基难以避让，根据不同墩位采空区埋深，桩基础原则上采用穿透采空区及软弱煤层并嵌入高承载力完整基岩安全厚度不小于2.5d（4.5m），增加桩身稳固受力范围，故设计变更增加了桩长。

（三）路基路面数量

曹根沟大桥缩短一孔k72+213～k72+252.5，变更为桥改路方案，填方量1766m3，改性沥青混凝土面层100m3，18cm水泥稳定碎石基层3299m3，路基工程造价为111.59万元。桥改路基方案费用减少124.15万元。

四、结语

本文根据曹根沟大桥采空区实际情况，从桥梁方案优化调整和桩基下伏采空区处治及桩基穿透采空区方案进行论述。采空区处治提高了桥梁的结构安全性，桥改路基方案节省了造价和工期。目前桥梁已施工完毕，经持续观测，未发现工后变形，优化后的方案更为合理有效。