某采空區上覆橋梁沉降變形分析

張永強

（成都理工大學環境與土木工程學院，四川 成都610059）

我國是一個產煤大國，經過建國后近70年的煤炭資源開發，在取得巨大經濟效益的同時，每年幾十億噸煤炭從地下開采，引發的地表沉陷問題也日益突出[1]。對于經過開采沉陷區的交通運輸線，無論是采煤過程中地表的動態移動變形還是采空區形成以后地表殘余變形的消減，都給鐵路、公路等的安全運行帶來了威脅。而橋梁作為公路或鐵路的重要組成部分，由于其特殊的結構，更容易受到地下采煤的擾動影響，從而產生病害且難以修復。

對于采空區引發橋梁變形的工程問題，國內外學者主要應用開采沉陷學、地基基礎學、巖土體力學、結構力學等知識，采用理論計算[2]、數值計算[3]，同時結合現場變形觀測[4]等手段，從不同角度對其進行研究。本文以某采空區上覆受損橋梁段為例，通過橋梁現場沉降觀測，結合煤礦開采沉陷學，分析其在時間與空間上變形特征，為橋梁安全評價提供依據，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，全長約600m，橋梁為簡支梁橋，可簡單劃分為1號大橋、2號大橋和部分路基，其中1號橋包括1#～7#橋墩及8#橋臺。據調查，該段橋梁正下方存在形狀大致為400m×320m矩形采空區，采空區平均埋深456m，平均采厚1.6m。采空區上覆巖層為主要為砂巖、砂質泥巖、泥巖，橋梁受下伏采空區影響產生了嚴重的變形破壞跡象。

為準確判斷橋梁沉降現狀，在該橋梁沿線相對穩定位置處布設沉降觀測基準點，編號為LD01，在橋面左幅從東向西依次布置13個測點，編號為L01～L13，除L08和L09兩測點間距25m外，其余相鄰測點均為50m，且L04～L07四個測點分別與1號橋的0#墩、2#墩、4#墩、6#墩、8#橋臺對應，由此對橋面及路面進行沉降觀測。

2 沉降觀成果分析

以最后一次觀測數據，繪制橋梁各測點累計沉降量直方圖，見圖2。從空間上分析，橋梁沿線形成了以1號橋6#墩為沉降中心點，然后向東西兩側逐漸減小的空間特征。據調查，1號橋6#墩基本位于該采空區的中心處，故受采空區的沉降變形影響最大，累計沉降量達470.3mm，其次是8#橋臺，沉降量達403.0mm，位于路基上的測點L01和L13沉降量也達到了19.4mm和33.0mm。整體上，在采空區的影響下，橋梁產生了巨大的沉降變形，已經大大超出了相關規范[5]的限值。

從時間上分析，以沉降值最大的點L07點，即1號橋6#墩為特征點繪制沉降速率及沉降量曲線圖，見圖3。分析可知，沉降共經歷了以下四個變形階段：

第Ⅰ階段：即從觀測開始到第27天，該階段橋梁沉降速率呈增大趨勢，L07測點沉降速率最大達6.5mm/d，沉降量達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，L07測點沉降速率減小到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，橋梁沉降速率出現了明顯的最大下沉速度點，且沉降速度存在高低交替變化的反彈現象，L07測點沉降速率最大時達8mm/d，該階段沉降量達273mm。橋梁沉降變形活躍可能跟該時間段內橋上及橋下所進行的加固措施導致采空區上方荷載增大有關。一方面，外荷載的作用會加速橋墩沉降，另一方面在外荷載效應作用下可能引起采空區覆巖變形移動過程中某一主關鍵層的破斷。當主關鍵層破斷時，主關鍵層與地表下沉速度都會明顯增大[6]，且沉降速度高低交替變化與這一關鍵層不同時間段內的沉降量大小控制有關；第Ⅳ階段：即第152天以后，橋梁沉降變形趨于穩定階段，沉降值和沉降速率都比較小，L07測點平均沉降速率在0.1mm/d左右。

圖2 橋梁各測點累計沉降量直方圖

圖3 L07測點沉降速率及沉降量曲線

結合橋梁變形現狀，在沉降觀測之前橋梁已經發生了較大沉降，而這部分沉降量并未捕捉到，同時考慮到采空區埋深較大，采厚較小的特點，可基本判定采空區所引發的地表主沉降已完成，但采空區的地表殘余變形并為完全停止，并且將持續很長一段時間。

3 采空區上覆橋梁沉降機理分析

當地下煤層開采后，上覆巖層的原始平衡狀態遭到破壞，周圍巖體產生應力集中、移動變形、離層、裂縫、甚至垮落，巖層的移動和變形從采區向周圍擴展，巖層移動傳播到地表，產生地表移動和變形，巖層和地表的移動變形過程將持續發展到所有被采動巖層都達到新的力學平衡為止，這個過程稱為“礦山開采沉陷”[7]。采空區引發的地表變形是一個動態的、長時間的變化過程。開采過程中，隨著采空區的面積越來越大，地表變形越來越明顯，導致橋梁地基產生嚴重的沉降，并且是不均勻的。采空區形成以后，受地表殘余變形的影響，會進一步加劇橋梁的沉降變形。同時，研究區內地層巖體比較破碎，節理裂隙結構面比較發育。在采空區沉陷過程中會進一步弱化巖土體強度參數，地基承載力降低，這也是橋梁地基產生沉降變形的一個重要原因。

另外，研究區降雨較多，雨水會順著采空區形成的地表裂縫加速流動，軟化節理裂隙面，降低裂隙巖體的強度[8]，土體發生壓縮變形，加速地表沉降。

4 結論

（1）采空區上覆橋梁沉降觀測表明，空間上，橋梁沿線呈現以沉降量最大的1號橋6#墩為中心點，然后向兩側方向逐漸減小的典型采空區地表沉降空間特征；時間上，橋梁觀測期內大致經歷了沉降加速、減速、再加速，最終趨于穩定四個變形階段。

2、采空區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超出了相關規范的允許值，橋梁處于不安全的狀態，因此，需對橋梁進行必要的工程治理。