某采空區(qū)上覆橋梁沉降變形分析

張永強(qiáng)

（成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都610059）

我國(guó)是一個(gè)產(chǎn)煤大國(guó)，經(jīng)過(guò)建國(guó)后近70年的煤炭資源開發(fā)，在取得巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，每年幾十億噸煤炭從地下開采，引發(fā)的地表沉陷問(wèn)題也日益突出[1]。對(duì)于經(jīng)過(guò)開采沉陷區(qū)的交通運(yùn)輸線，無(wú)論是采煤過(guò)程中地表的動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形還是采空區(qū)形成以后地表殘余變形的消減，都給鐵路、公路等的安全運(yùn)行帶來(lái)了威脅。而橋梁作為公路或鐵路的重要組成部分，由于其特殊的結(jié)構(gòu)，更容易受到地下采煤的擾動(dòng)影響，從而產(chǎn)生病害且難以修復(fù)。

對(duì)于采空區(qū)引發(fā)橋梁變形的工程問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要應(yīng)用開采沉陷學(xué)、地基基礎(chǔ)學(xué)、巖土體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等知識(shí)，采用理論計(jì)算[2]、數(shù)值計(jì)算[3]，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)變形觀測(cè)[4]等手段，從不同角度對(duì)其進(jìn)行研究。本文以某采空區(qū)上覆受損橋梁段為例，通過(guò)橋梁現(xiàn)場(chǎng)沉降觀測(cè)，結(jié)合煤礦開采沉陷學(xué)，分析其在時(shí)間與空間上變形特征，為橋梁安全評(píng)價(jià)提供依據(jù)，并為其他類似工程提供參考。

1 工程概況

該段橋梁整體呈東西向延伸，全長(zhǎng)約600m，橋梁為簡(jiǎn)支梁橋，可簡(jiǎn)單劃分為1號(hào)大橋、2號(hào)大橋和部分路基，其中1號(hào)橋包括1#～7#橋墩及8#橋臺(tái)。據(jù)調(diào)查，該段橋梁正下方存在形狀大致為400m×320m矩形采空區(qū)，采空區(qū)平均埋深456m，平均采厚1.6m。采空區(qū)上覆巖層為主要為砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖，橋梁受下伏采空區(qū)影響產(chǎn)生了嚴(yán)重的變形破壞跡象。

為準(zhǔn)確判斷橋梁沉降現(xiàn)狀，在該橋梁沿線相對(duì)穩(wěn)定位置處布設(shè)沉降觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)，編號(hào)為L(zhǎng)D01，在橋面左幅從東向西依次布置13個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為L(zhǎng)01～L13，除L08和L09兩測(cè)點(diǎn)間距25m外，其余相鄰測(cè)點(diǎn)均為50m，且L04～L07四個(gè)測(cè)點(diǎn)分別與1號(hào)橋的0#墩、2#墩、4#墩、6#墩、8#橋臺(tái)對(duì)應(yīng)，由此對(duì)橋面及路面進(jìn)行沉降觀測(cè)。

2 沉降觀成果分析

以最后一次觀測(cè)數(shù)據(jù)，繪制橋梁各測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量直方圖，見圖2。從空間上分析，橋梁沿線形成了以1號(hào)橋6#墩為沉降中心點(diǎn)，然后向東西兩側(cè)逐漸減小的空間特征。據(jù)調(diào)查，1號(hào)橋6#墩基本位于該采空區(qū)的中心處，故受采空區(qū)的沉降變形影響最大，累計(jì)沉降量達(dá)470.3mm，其次是8#橋臺(tái)，沉降量達(dá)403.0mm，位于路基上的測(cè)點(diǎn)L01和L13沉降量也達(dá)到了19.4mm和33.0mm。整體上，在采空區(qū)的影響下，橋梁產(chǎn)生了巨大的沉降變形，已經(jīng)大大超出了相關(guān)規(guī)范[5]的限值。

從時(shí)間上分析，以沉降值最大的點(diǎn)L07點(diǎn)，即1號(hào)橋6#墩為特征點(diǎn)繪制沉降速率及沉降量曲線圖，見圖3。分析可知，沉降共經(jīng)歷了以下四個(gè)變形階段：

第Ⅰ階段：即從觀測(cè)開始到第27天，該階段橋梁沉降速率呈增大趨勢(shì)，L07測(cè)點(diǎn)沉降速率最大達(dá)6.5mm/d，沉降量達(dá)117mm；第Ⅱ階段：即從第27天到第55天，橋梁沉降速率呈明顯減緩趨勢(shì)，L07測(cè)點(diǎn)沉降速率減小到1mm/d以下，該階段L07沉降量為30mm。第Ⅲ階段：即從第55天到第152天，該階段橋梁沉降變形處于活躍期，橋梁沉降速率出現(xiàn)了明顯的最大下沉速度點(diǎn)，且沉降速度存在高低交替變化的反彈現(xiàn)象，L07測(cè)點(diǎn)沉降速率最大時(shí)達(dá)8mm/d，該階段沉降量達(dá)273mm。橋梁沉降變形活躍可能跟該時(shí)間段內(nèi)橋上及橋下所進(jìn)行的加固措施導(dǎo)致采空區(qū)上方荷載增大有關(guān)。一方面，外荷載的作用會(huì)加速橋墩沉降，另一方面在外荷載效應(yīng)作用下可能引起采空區(qū)覆巖變形移動(dòng)過(guò)程中某一主關(guān)鍵層的破斷。當(dāng)主關(guān)鍵層破斷時(shí)，主關(guān)鍵層與地表下沉速度都會(huì)明顯增大[6]，且沉降速度高低交替變化與這一關(guān)鍵層不同時(shí)間段內(nèi)的沉降量大小控制有關(guān)；第Ⅳ階段：即第152天以后，橋梁沉降變形趨于穩(wěn)定階段，沉降值和沉降速率都比較小，L07測(cè)點(diǎn)平均沉降速率在0.1mm/d左右。

圖2 橋梁各測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量直方圖

圖3 L07測(cè)點(diǎn)沉降速率及沉降量曲線

結(jié)合橋梁變形現(xiàn)狀，在沉降觀測(cè)之前橋梁已經(jīng)發(fā)生了較大沉降，而這部分沉降量并未捕捉到，同時(shí)考慮到采空區(qū)埋深較大，采厚較小的特點(diǎn)，可基本判定采空區(qū)所引發(fā)的地表主沉降已完成，但采空區(qū)的地表殘余變形并為完全停止，并且將持續(xù)很長(zhǎng)一段時(shí)間。

3 采空區(qū)上覆橋梁沉降機(jī)理分析

當(dāng)?shù)叵旅簩娱_采后，上覆巖層的原始平衡狀態(tài)遭到破壞，周圍巖體產(chǎn)生應(yīng)力集中、移動(dòng)變形、離層、裂縫、甚至垮落，巖層的移動(dòng)和變形從采區(qū)向周圍擴(kuò)展，巖層移動(dòng)傳播到地表，產(chǎn)生地表移動(dòng)和變形，巖層和地表的移動(dòng)變形過(guò)程將持續(xù)發(fā)展到所有被采動(dòng)巖層都達(dá)到新的力學(xué)平衡為止，這個(gè)過(guò)程稱為“礦山開采沉陷”[7]。采空區(qū)引發(fā)的地表變形是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、長(zhǎng)時(shí)間的變化過(guò)程。開采過(guò)程中，隨著采空區(qū)的面積越來(lái)越大，地表變形越來(lái)越明顯，導(dǎo)致橋梁地基產(chǎn)生嚴(yán)重的沉降，并且是不均勻的。采空區(qū)形成以后，受地表殘余變形的影響，會(huì)進(jìn)一步加劇橋梁的沉降變形。同時(shí)，研究區(qū)內(nèi)地層巖體比較破碎，節(jié)理裂隙結(jié)構(gòu)面比較發(fā)育。在采空區(qū)沉陷過(guò)程中會(huì)進(jìn)一步弱化巖土體強(qiáng)度參數(shù)，地基承載力降低，這也是橋梁地基產(chǎn)生沉降變形的一個(gè)重要原因。

另外，研究區(qū)降雨較多，雨水會(huì)順著采空區(qū)形成的地表裂縫加速流動(dòng)，軟化節(jié)理裂隙面，降低裂隙巖體的強(qiáng)度[8]，土體發(fā)生壓縮變形，加速地表沉降。

4 結(jié)論

（1）采空區(qū)上覆橋梁沉降觀測(cè)表明，空間上，橋梁沿線呈現(xiàn)以沉降量最大的1號(hào)橋6#墩為中心點(diǎn)，然后向兩側(cè)方向逐漸減小的典型采空區(qū)地表沉降空間特征；時(shí)間上，橋梁觀測(cè)期內(nèi)大致經(jīng)歷了沉降加速、減速、再加速，最終趨于穩(wěn)定四個(gè)變形階段。

2、采空區(qū)引起地表變形是橋梁下沉的主要因素，但上覆巖層特性及降雨等因素也會(huì)影響橋梁沉降的速率及下沉量。

3、受采空沉降影響，橋梁沉降變形值已經(jīng)超出了相關(guān)規(guī)范的允許值，橋梁處于不安全的狀態(tài)，因此，需對(duì)橋梁進(jìn)行必要的工程治理。