曹根溝大橋采空區(qū)樁基橋梁優(yōu)化調(diào)整方案

劉淑輕

（河北省交通規(guī)劃設(shè)計院，河北 石家莊 050021）

曹根溝大橋位于河北省張家口市張北縣至尚義縣高速公路尚義西互通內(nèi)河北段與內(nèi)蒙古段高速交界處，處于尚義南壕塹鎮(zhèn)西哈拉溝村東北。曹根溝大橋跨越曹根溝，現(xiàn)狀河道寬闊，跨河段河道較為順直，上口寬120m，河槽內(nèi)基本無水，一般沖刷深度為Hm=1.61m，局部沖刷深度為1.03m，總沖刷深度2.64m。

曹根溝大橋施工過程中發(fā)現(xiàn)4-1號樁基滲水、漏漿，難以成孔。為進一步探明采空區(qū)地質(zhì)環(huán)境特征、空洞發(fā)育分布規(guī)律，評價采空巷道對橋梁施工的影響，本文逐樁勘察了曹根溝大橋。采空區(qū)具體情況探明時，0號臺、1號墩～3號墩和4號墩的0號樁的墩柱基礎(chǔ)已施工完畢。

一、采空區(qū)情況介紹

（一）煤礦開采歷史

煤礦采空區(qū)位于k72+212.5～k72+252.5(即原方案第5跨)段落內(nèi)，位于路線終點，與內(nèi)蒙古自治區(qū)準興高速公路相接。經(jīng)調(diào)查，該處有小型煤窯，形成于新中國成立初期，為當?shù)匕傩账阶圆擅盒纬傻男「G采空區(qū)，無大規(guī)模開采，基本沿煤線形成巷道式采掘，21世紀80年代廢棄停采。

（二）采空區(qū)勘察手段

查訪：由于采空區(qū)形成年代較久遠，當?shù)鼐用褚罁?jù)多年經(jīng)驗自主采掘，沒有備案的設(shè)計或施工圖紙可供查閱，遂通過查訪當?shù)匕傩樟私獠煽諈^(qū)的開采和停采時間，以及分布范圍、充水情況等。

鉆探：根據(jù)巖芯的觀察和描述，可知覆巖基本特征，并可通過鉆進速度、掉鉆及漏水情況了解采空區(qū)的存在及其冒落、變形的情況，從鉆孔中不同深度處取得巖芯、礦樣并分析可直接確定采深、采厚及地層物理學指標等參數(shù)。

（三）采空區(qū)勘察成果

4-1樁基施工時嚴重漏漿，孔內(nèi)泥漿流失，孔壁塌孔，堵漏失敗，樁基難以成孔。為查明采空區(qū)地下部分情況及影響范圍，采用逐樁鉆探勘測方法發(fā)現(xiàn)，橋梁多根樁基下伏采空區(qū)：共勘察鉆孔15個，其中出現(xiàn)空洞掉鉆7個、漿液漏失3個，見洞率66.67%，涉及數(shù)量較多，橋梁樁基難以避讓，鉆探過程中出現(xiàn)掉鉆、嚴重漏漿情況，4-2號、4-3號、4-4號樁基及其周圍多處下伏采空區(qū)，空洞最小高度0.5m，最大3.4m。采空區(qū)地下水位一般在地表以下11.4m左右，空洞及破碎煤層對樁基施工有一定影響。

鉆探過程中，采空區(qū)進尺快，鉆進時掉鉆，坍塌嚴重，煤層極破碎，巖芯不完整，裂隙發(fā)育，碎塊狀居多（局部夾有煤矸石），采空區(qū)埋深22.6m～39.6m，厚度0.5m～3.4m，開采層數(shù)為1層～2層，以巷道采掘為主。

（四）頂?shù)装鍑鷰r及頂板管理

采空區(qū)頂板：直接頂?shù)装鍘r層為煤層，厚度為2.4m～7.2m，巖芯破碎、易碎、夾煤矸石、裂隙發(fā)育、局部呈泥狀，其飽和狀態(tài)下單軸抗壓強度5MPa，承載力300kPa，摩阻力80kPa。

采空區(qū)底板：直接頂?shù)装鍘r層為煤層或中風化砂巖，大部分以煤層為主，直接底板為中風化砂巖時，巖石厚度較小，1.1m～2.4m，煤層和中風化巖層飽和狀態(tài)下單軸抗壓強度分別為5MPa和16.9MPa。

頂板管理：采空區(qū)大多不支撐或臨時支撐，基本處于半填充或懸空狀態(tài)，松散煤矸石回填或木樁支撐，或根本無任何填充物，頂板管理為自然塌落法。

（五）采空區(qū)穩(wěn)定性評價及治理方案

首先，確定采空區(qū)場地的穩(wěn)定性。采空區(qū)穩(wěn)定性評價：參考規(guī)范《采空區(qū)路基設(shè)計與施工細則》（JTG/T D31-03-2011)表4.2.1-4，采空區(qū)穩(wěn)定性評價可根據(jù)采空區(qū)覆巖類型及采深采厚比確定，該采空區(qū)覆巖為軟弱覆巖（天然單軸飽和抗壓強度小于30MPa），大部分采深采厚比(H/M=8.5～57)小于80，屬于不穩(wěn)定采空區(qū)場地。

其次，小型煤窯為隱蔽災(zāi)害，失穩(wěn)過程為殘留煤柱漸進破壞到一定程度后整體突發(fā)性破壞的過程；采空區(qū)距地表近，在采空區(qū)地表以上建設(shè)時，建筑物的基礎(chǔ)存在穩(wěn)定性隱患。

根據(jù)上述評判，該處采空區(qū)對橋梁安全具有較大不利影響，必須實施采空區(qū)工程處治。

綜合規(guī)范要求及前人治理采空區(qū)經(jīng)驗，并結(jié)合采空區(qū)特點將原方案灌砂注漿方案優(yōu)化為樁位定點處治，即采用片石、黏土、混凝土回填和封堵采空區(qū)巷道。壓筑混凝土預(yù)處理后，采空區(qū)內(nèi)被混凝土充填固結(jié)，為確保后期橋梁安全運營，樁基持力層應(yīng)穿越采空區(qū)并嵌入到穩(wěn)定巖層。

二、方案優(yōu)化原因

經(jīng)過逐樁勘察，施工時實際地質(zhì)情況與設(shè)計時情況不符，需及時調(diào)整設(shè)計方案。

（一）采空區(qū)特點

根據(jù)逐樁鉆探地質(zhì)資料顯示，采空區(qū)開采較淺，空間分布規(guī)律性差、埋藏深度不等、坑道走向不明；大多不支護或臨時支護，僅用松散煤矸石回填，或根本無任何填充物，任其自由塌落，缺乏安全保障。

采空區(qū)變形具有隱蔽性、難以準確查明分布特征，其活化機理、過程復(fù)雜難以直接觀測；失穩(wěn)破壞具有突發(fā)性，頂板冒落塌陷，失穩(wěn)坍塌可以在瞬間完成且時間難以預(yù)測；自身應(yīng)力和外加荷載作用下內(nèi)部應(yīng)力重新分布具有長期性，采空區(qū)殘余變形對地表的影響是一個緩慢變形的過程。

（二）采空區(qū)危害

地下煤層開采會削弱周圍巖土的強度，當?shù)乇碲呌诜€(wěn)定時，采空區(qū)及上覆巖達到相對平衡的狀態(tài)。如果高速公路橋梁經(jīng)過采空區(qū)時，采空區(qū)在工程擾動及行車通過時可能會打破這種平衡狀態(tài)，使采空區(qū)上覆巖層重新活化，采空區(qū)仍會發(fā)生變形，對采空區(qū)上方地表的工程建設(shè)形成及運營造成安全隱患。

橋墩臺下伏采空區(qū)可能引發(fā)橋梁破壞形式主要有樁基、橋墩臺偏移，失穩(wěn)、下沉，傾覆及橋面破壞，路線縱向不平等病害，危害結(jié)構(gòu)安全、影響高速公路的正常運營。

考慮橋梁屬于特殊構(gòu)筑物，承受變形和位移能力較差，產(chǎn)生變形、位移不易消除，橋梁一旦損壞，影響高速公路通行，恢復(fù)起來周期長，費用高，而且技術(shù)難度相當大。路基對變形的要求相對較低，問題相對容易處理，應(yīng)盡量以路基方式通過，故將橋梁孔跨由5x40m調(diào)整為4x40m，橋梁縮短一孔，將采空區(qū)位置由橋梁調(diào)整為路基。

依據(jù)勘察成果和橋梁安全、質(zhì)量綜合分析，將采空區(qū)段橋梁變更為路基可以消除或降低橋梁施工及運營安全風險；根據(jù)《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細則》JTG/T D31-03-2011第6.3.5條，樁基埋深較淺（小于40m）時采用樁基跨越，橋梁基礎(chǔ)原則上將樁端嵌入采空區(qū)底板及軟弱煤層以下完整、強度高、穩(wěn)定性好的中風化巖層內(nèi)，故根據(jù)采空巷道埋置深度變更橋樁長度。

三、方案調(diào)整內(nèi)容

（一）橋梁跨徑由5x40m變更設(shè)計為4x40m

曹根溝大橋橋跨由5x40m調(diào)整為4x40m，第5跨橋孔由橋梁變更為路基；交叉角度、橋梁上部、下部結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式均未變。

（二）橋梁樁基長度變更

由于采空巷道密布，煤層開采后形成的采空范圍無規(guī)則，橋梁樁基難以避讓，根據(jù)不同墩位采空區(qū)埋深，樁基礎(chǔ)原則上采用穿透采空區(qū)及軟弱煤層并嵌入高承載力完整基巖安全厚度不小于2.5d（4.5m），增加樁身穩(wěn)固受力范圍，故設(shè)計變更增加了樁長。

（三）路基路面數(shù)量

曹根溝大橋縮短一孔k72+213～k72+252.5，變更為橋改路方案，填方量1766m3，改性瀝青混凝土面層100m3，18cm水泥穩(wěn)定碎石基層3299m3，路基工程造價為111.59萬元。橋改路基方案費用減少124.15萬元。

四、結(jié)語

本文根據(jù)曹根溝大橋采空區(qū)實際情況，從橋梁方案優(yōu)化調(diào)整和樁基下伏采空區(qū)處治及樁基穿透采空區(qū)方案進行論述。采空區(qū)處治提高了橋梁的結(jié)構(gòu)安全性，橋改路基方案節(jié)省了造價和工期。目前橋梁已施工完畢，經(jīng)持續(xù)觀測，未發(fā)現(xiàn)工后變形，優(yōu)化后的方案更為合理有效。