某采空区内公路桥优化设计

赵冠刚

(中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院,济南 250022)

1 工程概况

某公路桥跨越单线铁路，采用16孔20 m简支空心板梁，单幅，桥面全宽26.51 m，全桥长330.12 m，采用三柱式桥墩，U形桥台，桩基础。因道路穿越区域内厂矿企业众多，为避免大量拆迁、降低工程造价，部分桥位处于煤矿采空区内，地质情况复杂，下部基础设计难度较大。

2 桥址处采空区现状及稳定性评价

桥址区主要不良地质为铁路以北的A煤矿采空区及古空区。

2.1 现状

A煤矿采空区：20世纪60年代进行开采，主要开采对象是起始桥台以北的13煤和15煤，南侧分布有巷道和风井，废弃后水砂充填。

古空区：古采空区为清朝末年，民国时期有资本家进行浅层开采，古空区埋深6.5～37.8 m，巷道埋深26.4～40.5 m，有一百多年的开采历史。

采空区与桥位的平面位置关系见图1。

图1 采空区与桥梁平面位置关系

2.2 特点

2.2.1 A煤矿采空区

(1)采空区缓倾，该区总体构造形态为一单斜，构造倾角20°～25°。

(2)该区分布有多层煤，煤层比较集中，煤层间距不大，立体上为多层开采，桥址区开采层数为2层，开采时间跨度大；废弃以后水砂充填。

(3)多层开采的变形量比单层开采要大的多，且变形复杂、稳定时间较长。

(4)由于煤层缓倾，倾角较小，且各煤层浅部均有露头，致使采空区埋深较浅。

2.2.2 古空区

(1)沿煤层露头自浅而深开采，开采无规律。

(2)顶板大部塌落，充填煤泥、煤矸石等，干钻难以钻进，水钻采取率低。

2.3 稳定性评价

2.3.1 A煤采空区

根据开采情况、地表移动盆地特征和地表变形值的大小，计算结果为不稳定区域，不宜建筑。

2.3.2 古空区

采用小型采空区计算原理，古空区和巷道的顶板及地基评定为稳定性差。

3 工程设计技术依据

(1)根据调查，桥位左边的热电厂、右边的粉煤灰场，在建设时已对其下部的采空区进行了适当处理，经历近30年的检验，变形很小，证明是可行的。

(2)通过对桥址范围内采空区进行全面翔实的勘察，并根据其自身特点进行适当处理，将其由不可控变为可控状态，主要控制地表的沉降变形。

图2 采空区与桥梁立面关系(单位：cm)

(3)选择对变形适应性好的桥梁结构体系，并加强和改进结构措施，提高全桥对变形的适应能力。

(4)充分考虑采空区对工程的不利影响，合理增加结构的安全储备，如：基础考虑负摩擦力的影响等。

(5)建立工后桥梁变形的监测体系，在使用过程中进行全面观测，如发现超出设计允许值的变形，及时采取可靠的处理措施。

4 采空区处理

5 桥梁主体的优化设计

5.1 桥梁布设范围的确定

桥梁布设应尽可能躲避不宜作为建筑场地的地段，即A煤矿采空区，本桥0号台实际处于A煤矿采空区的变形影响边缘。

5.2 上部梁跨选择

(1)为适应总体沉降及相邻墩台不均匀沉降的影响，上部采用了跨径20 m的简支板梁，并每隔2孔梁设伸缩缝1道。

(2)为消除理论计算与实际沉降的差值，采用可调支座。

5.3 下部及基础选择

(1)因非机动车道利用既有框架桥下穿铁路，为预留桥下空间，设计采用三柱式桥墩。

(2)受表层地质和采空区的影响，下部采用桩基础，桩基设计考虑负摩擦力及侧向土体变形等不利影响。

全桥与采空区的立面关系见图2。

6 桥梁桩基的优化设计

以本工程第3号墩为例，3号墩柱径1.5 m，柱高8 m(不包括盖梁)，桩径1.6 m，桩长59.5 m。

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6.1 减小采空区不利影响的措施

桩基设计时应减小或消除采空区的不利影响，以保证桥梁结构的安全，设计主要从以下3个方面解决。

(1)根据不同墩位采空区的埋深，尽量将桩基穿过采空区进入稳定区域并支撑于岩石上，增加桩身稳固受力范围。

(2)采空区处理后仍有剩余下沉位移，故桩基计算考虑负摩擦力的不利作用，并采取措施减小负摩阻的影响。

(3)对处于有土体侧向变形土层内的桩基，考虑土体的水平位移对桩身的不利影响，合理增加结构的安全储备。

6.2 合理划分桩长范围内摩阻作用区域

根据地质勘察报告中采空区沉降值由下而上逐渐变小的规律，设计将桩周土层划分为以下3个区域，详见图3。

图3 3号墩横向立面与采空区关系

(1)地系梁以下7 m土层以杂填土为主，桩身向下位移小于土层下沉位移，将产生负摩擦力，故在桩周灌入沥青玛蹄脂作为隔离涂层[3]，使土体与桩身摩阻力为0。

(2)13煤采空区以上27 m范围，桩身向下位移由上而下逐渐减小，而土层压缩由下而上逐渐变小。因桩底置于中风化石灰岩上，正负摩阻力变化的中性点深度与桩周沉降变形土层下限深度ln/l0取1[3]，即13煤采空区以上有13.5 m范围，考虑土体下沉位移产生负摩阻的不利影响。

(3)13煤采空区以下部分，考虑桩基与土体的正摩擦力作用。

6.3 桩基长度及配筋检算

桩基设计执行《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63—2007)，计算采用西安方舟计算机公司的《桥梁通CAD 7.78》软件。

6.3.1考虑采空区剩余沉降产生的负摩擦力，确定桩长

负摩阻力的影响因素众多，很难从理论上进行分析，而采空区内桩基设计又很少有文献提及，故设计趋于保守且简单易行，将正摩阻力反向，按摩擦桩计算单桩轴向受压承载力容许值

(1)[1]

其中，

qik=moλ[fao]+k2γ2(h-3)

(2)

(1)单桩(控制工况)桩顶外力为Nmax=7 862 kN，Mmax=340 kN·m，Pmax=81.7 kN，计算得，单桩轴向受压承载力N=9 954.17 kN。

(2)13.5 m负摩阻区域产生的负摩擦力为-14 680 kN，正摩阻区域25 m范围提供的正摩阻力为25 780 kN，单桩轴向压力承载力容许值[Ra]=11 107 kN。

(3)判断，因为N=9 954.17 kN<[Ra]=11 107 kN，故桩长满足要求。

6.3.2将采空区剩余水平位移视为土的弹性抗力，验算桩身配筋

按照“m”法[1]计算弹性桩水平位移及作用效应值，将采空区土层的剩余水平位移等同于桩身受上部荷载产生的内力及变形，采用2种办法相互结合以达到等同效果。

(1)通过加大桩身外力值使其产生一定的变形。

(2)改变桩周土层水平向抗力系数的比例系数m值，增大或减小水平抗力来影响桩身内力及变形。

考虑采空区剩余水平位移的影响，控制工况主要数值比较见表1。

表1 单桩考虑采空区水平位移影响前、后比较

最终桩基配筋量，系根据桩身配筋率[2]及构造要求综合确定，实际配30根φ22 mm HRB335钢筋。

7 结语

该工程竣工通车已近1年，经过持续观测，未发现桥梁结构产生可见的工后变形，说明设计采取的针对性措施基本能满足本例工程的需要，但采空区的形式复杂多样，特点也各有不同，产生的直接和次生危害也大小不一，一般工程还应尽量避让。当无法躲避时，应视具体情况综合分析并区别对待，对采空区和结构物采取合理的处理措施，才能达到理想的效果。

[1] 中华人民共和国交通部.JTG D63—2007 公路桥涵地基与基础设计规范[S].北京：人民交通出版社，2007．

[2] 中华人民共和国交通部.JTG D62—2004 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004．

[3] 李亮，魏丽敏.基础工程[M].湖南：中南大学出版社，2005.

[4] 娄峰.小直径钢管桩在采空区桥梁基础处理中的应用[J].铁道标准设计，2007(6)：37-39.