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摘 要 我国矿产资源丰富，尤其是煤炭资源，在矿产被开采后，会留下大量采空塌陷区，往往给工程建设带来隐患，因此采空区上建桥梁是一个具有现实意义的课题。本文根据枣木高速公路木石公铁立交桥为原型，分析简支梁桥在采空区残余沉陷并且受车辆荷载作用下的受力状况，旨在探讨提出一种适宜于采空区的桥跨结构形式。
关键词：立交桥 简支梁桥 受力状况 桥跨结构
1 工程概况
枣木高速在K87+150.2（原桩号）处与鲁南化肥厂专用线交叉，现状为高速公路与铁路平交。火车通行期间需中断公路交通，无火车通行时，交叉口附近路段也需减速通行。公铁平交口的存在，既不满足国家现行规范的要求，又存在极大的安全隐患，形成枣木高速极不规范的卡脖子路段。鉴于此，有关部门协商决定在此区域拟建一座公铁立交桥。但由于拟建地点地下煤炭开采形成的采空区上方，因此必须要考虑采空区存在的影响。虽然地下开采早已结束，地表下沉的活跃期和衰退期也已经结束，但采动覆岩的残余变形及地下岩层的再次失稳危险仍然存在。因此，有必要对该区域地表的下沉变形趋势做出科学的预测，对拟建桥梁的受力状况作出模拟。
2 采空区下沉变形预测及治理
目前，地下开采引起的地表变形对房屋等建筑物的破坏规律已经有较深入的研究，并已经得到较系统的规律，而对于开采沉陷对桥梁结构影响的规律的研究还较少。
高速公路路基下伏多层采空区变形与稳定性的研究，无论国内外，都是一个新的课题，没有系统的研究成果。到目前为止，针对高速公路下伏采空区问题的研究报道比较少，且往往是经验介绍，尚未形成成熟的理论及工程设计体系，无规范、规程可循[1]，仅能借助于一些类似工程的成功经验来分析。
地表最终的下沉应该是采煤沉陷初次下沉、采动覆岩的残余变形、土体在压实—松散—压实过程中的残余下沉量三者之和。山东枣庄矿区多年来的生产实践经验以及相邻矿井实测资料数据表明，矿区采煤地表移动与变形分布曲线形态基本符合概率积分型分布。
（1） 开采残余下沉变形预计
采煤沉陷区地表残余变形产生的原因较为复杂，开采残余变形量通常是由冒落带的压实过程、离层带的压实以及表土层的自然密实过程和岩体内部应力的不断调整分布引起的。但残余变形量通常与开采区域地层结构、上覆岩层的物理力学性质、以及煤层开采深度、采煤方法、顶板管理方法、开采面积和开采时间等有关。考虑到地表残余变形是采煤沉陷区常规地表移动变形的延续，国内学者按常规地表移动变形预计方法对地表残余变形进行预计，只是地表在衰退期结束，即地表移动期过后，殘余变形阶段的下沉系数通常很小。
（2）本文采用概率积分法预计数学模型：
下沉公式[1]：，
通过计算，得出拟建公铁立交桥区域的采煤沉陷残余下沉量约在400mm左右。
针对于采空区桥梁允许下沉量的研究还很少，类似的工程经验更是无从参考。但在采空区路基设计与施工中要求“采空区处治后，无论地基的稳定性还是承载力均应与其他无采空区路段一样，完全满足公路工程的规范要求，保证在公路设计年限内不发生破坏，路基工后沉降小于30cm[2]”。而此处要修建特大桥，对于地基的要求比路基要高，而残余下沉量在40cm左右，已经超过了对地基的允许下沉值。
另外，《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ024-85）规定[3]，墩台的沉降（cm）不得超过：
①墩台均匀总沉降值（不包括施工中的沉降）2.0；
②相邻墩台均匀总沉降差值（不包括施工中的沉降）1.0。
其中L为相邻墩台间最小跨径长度，以m计。如跨径小于25m时，仍以25m计算。
本桥设计跨径为20m，应以25m计算[3]，墩台均匀总沉降值（不包括施工中的沉降）不超过10cm；相邻墩台均匀总沉降差值（不包括施工中的沉降）不超过5cm。本桥经计算和模拟的残余下沉在40cm，相邻墩台均匀总沉降差值最大达到9cm，都已经远远超过了此规范的允许最大值。
因此，此采空区必须加以治理才可以修建高速公路特大桥。
（3） 枣木高速公路下伏采空区工程注浆治理
注浆孔可分为中间注浆孔和边缘注浆孔，中间孔主要是起到充填加固地基作用，边缘孔主要起到帷幕作用，防止浆液流失。公路路基填筑范围内为采空区治理重点部位，各排钻孔间距应较小；路基两侧保护带为辅助治理部位，孔间距相对要大些；具体间距根据现场试验确定。治理范围边缘部位布置边缘帷幕孔，以防浆液流失。孔间距一般要小，可以采取前后交错布置方式。
注浆前后模拟采空区地表剩余大变形预测值如表1-1所示。注浆前后的模拟地表残余下沉量如图1所示。
表1-1 注浆前后二维模拟采空区地表剩余最大变形值预测表
Wmax（mm） imax（mm/m） kmax（mm/） Umax（mm） max（mm/m）
注浆前 400 1.92（-1.45） 0.03（-0.02） 143 2.23（-1.82）
注浆后 110 0.81（-0.70） 0.01（-0.01） 44 1.11（-1.21）
图1 注浆前后的地表残余下沉
3 简支梁桥受力状况模拟
公路桥涵设计时，汽车荷载的计算图式，荷载等级及其标准制，加载方法和纵横向等应符合下列规定[4] ：
（1）汽车荷载有车道荷载和车辆荷载组成。车道荷载有均布荷载和集中荷载组成。桥梁结构的整体计算采用车道荷载；桥梁结构的局部加载，涵洞，桥台和挡土墙土压力等的计算采用车辆荷载。车辆荷载与车道荷载的作用不得叠加。
（2） 汽车荷载分为公路—I级和公路—II级两个等级。各级公路桥涵设计的汽车荷载等级应符合表1-2 表1-2 各级公路桥涵的汽车荷载等级
公路等级 高速公路 一级公路 二级公路 三级公路 四级公路
汽车荷载等级 公路-I级 公路-I级 公路-II级 公路-II级 公路-II级
（3）车道荷载的计算图式如图2所示。
图2 车道荷载
①公路-I级车道荷载的均布荷载标准值为=10.5KN/m；集中荷载标准值
按以下规定选取：桥梁计算跨径小于或等于5m时，=180KN/m；桥梁计算大于等于50m时，=360KN/m；桥梁计算跨径在5～50m之间时，值采用直线内插求得。
②公路-II级车道荷载的均布荷载标准值和集中荷载标准值按公路-I级车道荷载的0.75倍采用。
根据以上规定，本桥的车道荷载取值分别为：均布荷载值为=10.5KN/m；集中荷载取值210KN。
本文简支梁桥受力状况模拟以无下沉无车辆荷载、无下沉有车辆荷载、有下沉而没有车辆荷载和有下沉且有车辆荷载四种情况做对比分析。
根据变形前后的数据汇总的简支梁情况下的弯矩和剪力对比如表3-1所示。
表3-1 简支梁情况下的弯矩和剪力对比表
项目 工况 作用位置距离1#墩的长度（以1#墩为原点）
0 5 10 15 20
弯矩（N.m） 无下沉无车载 191.406 5419670 7349040 5603420 182793
有下沉无车载 191.406 5419670 7349040 5603420 182793
无下沉有车載 205.078 6391790 9058970 6618660 210850
有下沉有车载 205.078 6391790 9058970 6618660 210850
剪力（N） 无下沉无车载 1460810 744187 9187.5 -725812 -1460810
有下沉无车载 1460810 744188 9187.5 -725813 -1460810
无下沉有车载 1565160 797344 9843.75 -777656 -1565160
有下沉有车载 1565160 797344 9843.75 -777656 -1565160
变形前后的简支梁弯矩和剪力对比曲线如图3-1和图3-2所示。
3-1 简支梁各种情况下的弯矩对比曲线
3-2 简支梁各种情况下的剪力对比曲线
4 结论
从简支梁的弯矩剪力对比表和弯矩剪力对比曲线都可以看出，采用简支梁的情况下，没有车辆荷载作用时，无论梁有无下沉，其弯矩（剪力）值几乎没有任何变化。
从以上分析可以得出：简支梁下沉不会带来附加弯矩和剪力， 因此在采空区部分可以采用1跨简支梁的形式跨越铁路，其它部分以路基的形式通过采空区。这种结构形式既克服了木石公路公铁平交的问题，而且又最安全可靠，是最适合采空塌陷区的一种结构形式。
参考文献
[1] 童立元，刘松玉，邱钰。高速公路下伏采空区危害性评价与处治技术[M]。东南大学出版社。
[2] 邢玉东，杨昊。锦州至阜新高速公路煤矿采空区处治设计。东北公路，2002，24（4）：11～13
[3] 孟广文，赵卫国。简明公路桥涵设计实用指南[M]。北京：人民交通出版社，2005
[4] 姚玲森。桥梁工程[M]。北京：人民交通出版社。
作者简介：崔学军 1974— 男 工程师 1999年毕业于辽宁工程技术大学 学士学位
关键词：立交桥 简支梁桥 受力状况 桥跨结构
1 工程概况
枣木高速在K87+150.2（原桩号）处与鲁南化肥厂专用线交叉，现状为高速公路与铁路平交。火车通行期间需中断公路交通，无火车通行时，交叉口附近路段也需减速通行。公铁平交口的存在，既不满足国家现行规范的要求，又存在极大的安全隐患，形成枣木高速极不规范的卡脖子路段。鉴于此，有关部门协商决定在此区域拟建一座公铁立交桥。但由于拟建地点地下煤炭开采形成的采空区上方，因此必须要考虑采空区存在的影响。虽然地下开采早已结束，地表下沉的活跃期和衰退期也已经结束，但采动覆岩的残余变形及地下岩层的再次失稳危险仍然存在。因此，有必要对该区域地表的下沉变形趋势做出科学的预测，对拟建桥梁的受力状况作出模拟。
2 采空区下沉变形预测及治理
目前，地下开采引起的地表变形对房屋等建筑物的破坏规律已经有较深入的研究，并已经得到较系统的规律，而对于开采沉陷对桥梁结构影响的规律的研究还较少。
高速公路路基下伏多层采空区变形与稳定性的研究，无论国内外，都是一个新的课题，没有系统的研究成果。到目前为止，针对高速公路下伏采空区问题的研究报道比较少，且往往是经验介绍，尚未形成成熟的理论及工程设计体系，无规范、规程可循[1]，仅能借助于一些类似工程的成功经验来分析。
地表最终的下沉应该是采煤沉陷初次下沉、采动覆岩的残余变形、土体在压实—松散—压实过程中的残余下沉量三者之和。山东枣庄矿区多年来的生产实践经验以及相邻矿井实测资料数据表明，矿区采煤地表移动与变形分布曲线形态基本符合概率积分型分布。
（1） 开采残余下沉变形预计
采煤沉陷区地表残余变形产生的原因较为复杂，开采残余变形量通常是由冒落带的压实过程、离层带的压实以及表土层的自然密实过程和岩体内部应力的不断调整分布引起的。但残余变形量通常与开采区域地层结构、上覆岩层的物理力学性质、以及煤层开采深度、采煤方法、顶板管理方法、开采面积和开采时间等有关。考虑到地表残余变形是采煤沉陷区常规地表移动变形的延续，国内学者按常规地表移动变形预计方法对地表残余变形进行预计，只是地表在衰退期结束，即地表移动期过后，殘余变形阶段的下沉系数通常很小。
（2）本文采用概率积分法预计数学模型：
下沉公式[1]：，
通过计算，得出拟建公铁立交桥区域的采煤沉陷残余下沉量约在400mm左右。
针对于采空区桥梁允许下沉量的研究还很少，类似的工程经验更是无从参考。但在采空区路基设计与施工中要求“采空区处治后，无论地基的稳定性还是承载力均应与其他无采空区路段一样，完全满足公路工程的规范要求，保证在公路设计年限内不发生破坏，路基工后沉降小于30cm[2]”。而此处要修建特大桥，对于地基的要求比路基要高，而残余下沉量在40cm左右，已经超过了对地基的允许下沉值。
另外，《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ024-85）规定[3]，墩台的沉降（cm）不得超过：
①墩台均匀总沉降值（不包括施工中的沉降）2.0；
②相邻墩台均匀总沉降差值（不包括施工中的沉降）1.0。
其中L为相邻墩台间最小跨径长度，以m计。如跨径小于25m时，仍以25m计算。
本桥设计跨径为20m，应以25m计算[3]，墩台均匀总沉降值（不包括施工中的沉降）不超过10cm；相邻墩台均匀总沉降差值（不包括施工中的沉降）不超过5cm。本桥经计算和模拟的残余下沉在40cm，相邻墩台均匀总沉降差值最大达到9cm，都已经远远超过了此规范的允许最大值。
因此，此采空区必须加以治理才可以修建高速公路特大桥。
（3） 枣木高速公路下伏采空区工程注浆治理
注浆孔可分为中间注浆孔和边缘注浆孔，中间孔主要是起到充填加固地基作用，边缘孔主要起到帷幕作用，防止浆液流失。公路路基填筑范围内为采空区治理重点部位，各排钻孔间距应较小；路基两侧保护带为辅助治理部位，孔间距相对要大些；具体间距根据现场试验确定。治理范围边缘部位布置边缘帷幕孔，以防浆液流失。孔间距一般要小，可以采取前后交错布置方式。
注浆前后模拟采空区地表剩余大变形预测值如表1-1所示。注浆前后的模拟地表残余下沉量如图1所示。
表1-1 注浆前后二维模拟采空区地表剩余最大变形值预测表
Wmax（mm） imax（mm/m） kmax（mm/） Umax（mm） max（mm/m）
注浆前 400 1.92（-1.45） 0.03（-0.02） 143 2.23（-1.82）
注浆后 110 0.81（-0.70） 0.01（-0.01） 44 1.11（-1.21）
图1 注浆前后的地表残余下沉
3 简支梁桥受力状况模拟
公路桥涵设计时，汽车荷载的计算图式，荷载等级及其标准制，加载方法和纵横向等应符合下列规定[4] ：
（1）汽车荷载有车道荷载和车辆荷载组成。车道荷载有均布荷载和集中荷载组成。桥梁结构的整体计算采用车道荷载；桥梁结构的局部加载，涵洞，桥台和挡土墙土压力等的计算采用车辆荷载。车辆荷载与车道荷载的作用不得叠加。
（2） 汽车荷载分为公路—I级和公路—II级两个等级。各级公路桥涵设计的汽车荷载等级应符合表1-2 表1-2 各级公路桥涵的汽车荷载等级
公路等级 高速公路 一级公路 二级公路 三级公路 四级公路
汽车荷载等级 公路-I级 公路-I级 公路-II级 公路-II级 公路-II级
（3）车道荷载的计算图式如图2所示。
图2 车道荷载
①公路-I级车道荷载的均布荷载标准值为=10.5KN/m；集中荷载标准值
按以下规定选取：桥梁计算跨径小于或等于5m时，=180KN/m；桥梁计算大于等于50m时，=360KN/m；桥梁计算跨径在5～50m之间时，值采用直线内插求得。
②公路-II级车道荷载的均布荷载标准值和集中荷载标准值按公路-I级车道荷载的0.75倍采用。
根据以上规定，本桥的车道荷载取值分别为：均布荷载值为=10.5KN/m；集中荷载取值210KN。
本文简支梁桥受力状况模拟以无下沉无车辆荷载、无下沉有车辆荷载、有下沉而没有车辆荷载和有下沉且有车辆荷载四种情况做对比分析。
根据变形前后的数据汇总的简支梁情况下的弯矩和剪力对比如表3-1所示。
表3-1 简支梁情况下的弯矩和剪力对比表
项目 工况 作用位置距离1#墩的长度（以1#墩为原点）
0 5 10 15 20
弯矩（N.m） 无下沉无车载 191.406 5419670 7349040 5603420 182793
有下沉无车载 191.406 5419670 7349040 5603420 182793
无下沉有车載 205.078 6391790 9058970 6618660 210850
有下沉有车载 205.078 6391790 9058970 6618660 210850
剪力（N） 无下沉无车载 1460810 744187 9187.5 -725812 -1460810
有下沉无车载 1460810 744188 9187.5 -725813 -1460810
无下沉有车载 1565160 797344 9843.75 -777656 -1565160
有下沉有车载 1565160 797344 9843.75 -777656 -1565160
变形前后的简支梁弯矩和剪力对比曲线如图3-1和图3-2所示。
3-1 简支梁各种情况下的弯矩对比曲线
3-2 简支梁各种情况下的剪力对比曲线
4 结论
从简支梁的弯矩剪力对比表和弯矩剪力对比曲线都可以看出，采用简支梁的情况下，没有车辆荷载作用时，无论梁有无下沉，其弯矩（剪力）值几乎没有任何变化。
从以上分析可以得出：简支梁下沉不会带来附加弯矩和剪力， 因此在采空区部分可以采用1跨简支梁的形式跨越铁路，其它部分以路基的形式通过采空区。这种结构形式既克服了木石公路公铁平交的问题，而且又最安全可靠，是最适合采空塌陷区的一种结构形式。
参考文献
[1] 童立元，刘松玉，邱钰。高速公路下伏采空区危害性评价与处治技术[M]。东南大学出版社。
[2] 邢玉东，杨昊。锦州至阜新高速公路煤矿采空区处治设计。东北公路，2002，24（4）：11～13
[3] 孟广文，赵卫国。简明公路桥涵设计实用指南[M]。北京：人民交通出版社，2005
[4] 姚玲森。桥梁工程[M]。北京：人民交通出版社。
作者简介：崔学军 1974— 男 工程师 1999年毕业于辽宁工程技术大学 学士学位