礦煤開采沉陷區道路橋梁病害影響探討范文

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摘要：根據煤礦采煤沉陷區發展特點，對黑龍江省雞西市團結分離橋及橋頭附近路面進行沉降監測，并對部分路段病害情況進行調查分析。文章認為：建設線路如無法避開變形劇烈的沉陷區，宜將線路布置在沉陷區的外邊緣地段；在設計位于動態沉陷區的橋梁及路面時，宜采取簡支結構橋梁等利于抵抗或吸收地表變形的橋梁結構；在動態沉陷區修建橋梁時，宜在地表移動期之后進行施工。

關鍵詞：采礦區；道路病害；橋梁病害；沉陷；開裂

雞西市是一座因煤而興的資源型城市，煤炭開采歷史悠久，至今煤炭開采仍是雞西市的主要支柱產業，并仍將處于煤炭的大量開采期，地表沉陷問題將持續存在，對各類已有公路的影響難以避免。雞西境內的方虎路、206省道、雞虎高速、鶴大高速、丹阿公路等均受到不同程度的影響或損害。同時，雞西市的城市道路等基礎設施建設也在不斷發展，大量的改建、擴建及新建道路都難以避開采煤沉陷區或壓煤區。在路、橋建設和沉陷方面，為了地面建設而杜絕地下開采，或為了地下開采而停止地面建設，都不利于煤礦地區的長期、協調、持續的發展。本文根據采煤沉陷區發展特點，對處在不同沉陷區位置的3座橋梁及部分路段受采礦影響發生的病害情況進行分析，結合研究結果提出在采礦區進行路橋建設過程中如何有效地控制或減緩地表移動與沉降的具體建議和措施。

1雞虎高速團結互通區采礦區及橋梁與路段概況

1．1團結互通區采礦區情況

雞西市某煤礦在雞虎高速團結互通區已開采的煤層有36A＃、29＃、27＃。1．2雞虎高速團結互通區橋梁和道路情況在采礦內分布了雞虎高速“團結分離橋”、206省道“團結匝道橋”、“團結公鐵立交橋”等3座橋，以及雞虎高速公路K182＋667—K183＋167路段。

2采礦區開采對團結互通區橋梁和道路沉降與病害影響分析

2．1采礦區橋梁沉降變化及規律

3個煤層在2011－07—2013－10之間進行了連續開采，開采過程均處于3座橋梁及相應路段的施工和運營階段。2013－06—2015－11，建雞高速公路虎林至雞西段建設指揮部對雞虎高速的團結分離橋及橋頭附近路面進行了病害和沉降的監測。

2．2采礦區橋梁和道路病害情況

煤層的連續開采導致互通區內橋梁和道路出現明顯病害。

3采沉陷礦區橋梁與道路病害形成原因

3．1采礦區產生沉陷的規律

煤層開采對地表建（構）筑物的影響主要體現在采礦引起的地表移動與變形規律、采煤沉陷區建（構）筑物的工程類型，以及建（構）筑物在沉陷區中的位置等方面。首先，煤層的開采具有典型的連續變形的特點。充分開采條件下，下沉盆地可劃分為盆地中部區、邊沿區、外邊沿區，各區的地表移動過程不同。以曲率K為例，位于下沉盆地中部區域的地表土要經歷K0＝0→K1＞0→K2＝0→K3＜0→K4＝0的發展過程，該過程最為復雜；位于下沉盆地邊沿區的地表土只經歷由K0＝0→K1＞0→K2＝0→K2＜0的發展過程，該過程相對復雜；位于下沉盆地外邊沿區的地表土僅經歷由K0＝0→K1＞0的發展過程，該過程相對簡單；位于地表最早發生沉降區某一微小地表土僅經歷由K0＝0→K1＜0的發展過程，符合該過程的區域極小，在工程建設方面可忽略。其次，煤層的開采具有典型的地表移動活躍期較長的特點。單一煤層開采引起的地表移動持續時間可分為初始期、活躍期、衰退期等3個主要的時間段，之后進入緩慢的地表殘余變形階段；多煤層不同步開采時，地表移動的量值及各持續時間段交互影響，往往延長了多煤層開采時總的地表移動時間。第三，煤層開采具有典型的地表二次塌陷特點。地表的二次塌陷往往由采空區周邊頂板垮落傳導至地表，引起地表移動與變形。團結分離橋在2013年6月至2015年11月期間觀測到的沉降變形曲線所表現出的兩個逐級衰減特征，對采礦區內的沉降規律進行了驗證。

3．2采礦區橋梁與道路病害成因分析

3．2．1采礦區內路段病害分析團結匝道橋屬于“先建后采”類工程，團結匝道橋是206省道上2010年以前就存在的公路橋，使用階段正經歷了煤層開采的地表移動初始期、活躍期、衰退期及后續殘余變形的影響。但由于工程位于沉陷盆地的外邊沿區（地表曲率僅出現由k＝0～k＞0的變化），因此團結匝道橋僅受輕微的地表變形影響，橋梁不需要維修，可以正常通行。團結互通橋屬于“先采后建再采”類工程，該橋位于下沉盆地的中部偏外（地表曲率出現由K0＝0→K1＞0→K2＝0→K2＜0的發展過程），正是地表移動與變形發生比較劇烈的地段。該橋受采動影響大致可分為3個階段：首先該橋在建設前，36A＃煤層的開采活動已經結束，地表的移動與變形的活躍期已過，此建設期的橋梁、橋柱、橋面等僅受36A＃煤層開采后地表剩余或殘余變形影響，這個階段并未影響到橋的正常運行；第二階段，橋梁建成后又開采27＃、29＃煤層，因此橋梁既受到以前采煤活動引起的地表移動衰退期的影響，又受到開采27＃、29＃煤層引起的地表移動初始期、活躍期、衰退期等全過程的影響，并且以27＃、29＃的開采影響為主，橋柱、橋梁等受到反復地拉伸、擠壓，變形縫呈現寬度加大—逐漸變小的反復過程，有一處變形縫受擠壓嚴重，以致縫兩側的梁端混凝土碎裂、酥化，而同時另一處的變形縫寬度達130mm（設計值為80mm）；路面開裂、拱起等，第三階段是受到采空區二次塌陷的影響，采空區的二次塌陷引起的地表移動與變形不如首次發生的劇烈，范圍也較小，僅在團結互通橋以東約50～80m范圍的路面兩處橫向拱起。團結公鐵立交橋屬于“先采后建”類工程，位于下沉盆地的外邊沿區（地表曲率僅出現由k＝0～k＞0的變化）。該橋建于2014年，基本是在地表移動的衰退期建設，建設地點在礦區鐵路的保護煤柱（煤柱被回采了一部分）上方，在建設時間上避開了地表移動的活躍期，建設地點也屬于地表移動相對較弱的地段。

3．2．2采礦區內橋梁病害分析團結互通橋為6跨2幅，即留設3條伸縮縫（橋面一條，兩端橋頭各留設一條），橋梁結構不利于吸收地基土的不均移動與變形。在地基發生水平移動時，橋柱隨著發生移動，移動的橋柱通過柱頭的梁墊與橋梁間的摩擦力帶動橋梁產生移動，當水平移動不均勻時，就表現為橋面、橋頭伸縮縫拉伸或壓縮，當橋柱間地表水平移動值相差過大或過小、橋面及橋頭的3條伸縮縫和梁墊的有效支撐長度之和不足以向梁體提供自由移動的空間時，必然導致伸縮縫拉開或壓縮，嚴重時產生落梁和梁頭受壓碎裂現象；在地基土產生不均勻沉降差時，支撐單個連續梁的多個橋柱的沉降也是不均勻的，進而使梁、柱間的支撐狀態發生不一致的改變，最終在橋梁內部產生附加內力，有可能對橋梁造成破壞。比較而言，團結互通橋的梁柱結構在吸收地基移動與變形方面，不及簡支橋梁。這也是團結互通橋受損害比較嚴重的內在因素。

4采礦區路、橋建設及維護

通過“團結匝道橋”、“團結分離橋”、“團結公鐵立交橋”及一些路面的損害成因分析，筆者認為，煤礦地區除地下宜采用充填、協調、間歇等可顯著降低對地表影響程度的開采技術措施外，還需從以下幾個方面進行地面建設的協調，以確保路橋的安全暢通。1）建設線路如無法避開變形劇烈的沉陷區，則宜將線路布置在沉陷區的外邊緣地段，這些地段在沉陷區的動態發展中，地表的移動與變形相對較為平緩。2）道路的建設、維修、養護宜避開地表移動與變形的初始期、活躍期。路、橋類地表線性構筑物，延展較長，跨區域較廣，而采煤沉陷區僅為其中的某一段落，移動與變形劇烈的地段在線路中所占的比例畢竟有限，移動與變形持續的時間也相對較短（單一工作面引起的地表移動活躍期較短），因此可以通過分段、延緩接續等施工組織避免在地表移動初始期及活躍期建設、維修或養護路、橋。3）在路、橋的設計階段，宜充分考慮道路、橋所處地段會出現的地表移動和變形，采取可減小或抵抗地表移動與變形不利影響的技術措施。一般情況下跨度較大的連續橋梁其抗變形能力要小于簡支橋梁的“抗變形”能力，在地表移動與變形影響下，前者會產生附加結構內力，有可能對橋梁結構構成危害，而后者不會產生內力，只會在相鄰的簡支梁間產生相對位移，在路面墊層中鋪設鋼筋網可以減小路面出現裂縫等。綜上，地下開采時采取減緩地表移動與變形發生的措施、地面路橋建設時充分考慮地表已經發生或未來可能發生的地表移動與變形影響、在規劃與設計階段事前控制，通過地下開采與地面路橋建設的共同協調，解決采煤地區路橋等基礎設施建設與資源充分利用的共同發展問題；在地下開采難以避免時，更應注重在路橋建設的規劃、設計及施工階段采取必要的技術措施，防范或降低開采情況下地表移動與變形對路橋的影響程度。

5結論

雞西市“團結匝道橋”、“團結分離橋及相關道路”、“團結公鐵立交橋”是同一采煤沉陷區內受開采影響程度不盡相同的重要橋梁和路段，通過對路橋所處地段的地表移動與變形特點分析，可得出以下結論：1）煤礦地區在路橋線路規劃階段，研究建設場地所在地段受開采影響時的地表移動規律，在線路難以避開動態沉陷區影響時，宜將線路布置在動態沉陷區的外邊沿區，避開動態沉陷區的中部及次邊緣區等不利地段。2）在設計位于動態沉陷區的橋梁及路面時，宜采取有利于抵抗或吸收地表變形的橋梁結構，通常情況簡支結構橋梁優于連續梁結構橋梁，小型橋梁優于中大型橋梁，預設伸縮縫較多、較寬的橋梁優于伸縮縫較少、較窄的橋梁，圓形過水涵洞優于箱涵，縱向加筋路面利于減少、減小路面的橫向裂縫等。3）在動態沉陷區修建橋梁宜在地表移動期之后進行施工，不應在地表移動初始期和活躍期進行施工，應杜絕地表移動初始期、活躍期內在動態沉陷區的中部區施工。4）建立沉陷區及路段的移動與變形觀測站，在地表移動開始前及橋、路建設前，分別建立地表、道路的移動與變形觀測，取得沉陷區發展全過程的完整數據和路橋建設期及竣工運營后一段時間內橋梁、路面的位移、變形數據，及時分析、研究沉陷區的地表移動發展規律，研究地表與路橋間的移動與變形相關關系，為路橋的安全通行、維護方案選擇及新的路橋設計和建設提供可靠理論與數據支撐。

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作者：孫啟龍 單位：建雞高速公路虎林至雞西段建設指揮部