采空區(qū)鐵路橋梁地基加固及強(qiáng)化設(shè)計(jì)

渾鐵鏈　張蓮娜

摘要:文章根據(jù)采空區(qū)地質(zhì)條件分布特點(diǎn),以某橋?yàn)槔?對采空區(qū)的地基加固方法進(jìn)行了研究,并對加固后的地基殘余變形進(jìn)行了計(jì)算和分析。提出了針對多種采空區(qū)條件下對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化的方法,為采空區(qū)內(nèi)橋梁設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞:采空區(qū);注漿技術(shù);樁基礎(chǔ);加固及強(qiáng)化

中圖分類號:TD325

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1009-2374(2009)19-0019-03

一、概況

(一)工程概況

太中銀鐵路為新建客貨共線鐵路,線路全長942.2km,預(yù)留時(shí)速200公里,柳林三川河特大橋是眾多橋梁中一座,位于山西省柳林縣城南側(cè),橋梁采用孔跨為:8-24m+ 88-32m預(yù)應(yīng)力混凝土梁+2-(32+48+32)m+1-(75+120+75)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,采用雙線T形橋臺,圓端形實(shí)體橋墩,采空區(qū)影響范圍全部采用樁基礎(chǔ),采空區(qū)具體情況探明時(shí),部分橋墩基礎(chǔ)或墩身已經(jīng)施工完畢。

(二)地質(zhì)情況介紹

橋址區(qū)為黃土低山丘陵、沖溝地貌,橋址大部分位于三川河河道內(nèi),河道地形平坦,地勢總體由東向西傾斜。橋址位于柳林單斜區(qū),區(qū)內(nèi)巖層傾角小,均向黃河傾斜,地層平緩,斷層、褶皺少而簡單。橋址區(qū)表覆第四系全新統(tǒng)沖洪積層粗圓礫土及卵石土,下伏二疊系下統(tǒng)砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖及石炭系上統(tǒng)砂巖、石灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖,巖層基本承載力600～800kpa,20號墩以前較淺層下伏弱風(fēng)化石灰?guī)r,基本承載力為1000kpa,之后石灰?guī)r埋藏較深。關(guān)于煤礦采空分段敘述如下:

第一部分15～19號墩,鉆孔深度分布有4層煤層,煤層厚度在1～5.5m,樁基穿過上部兩層煤層,樁尖至下層煤層約32m,根據(jù)鉆探結(jié)果,采空部分分布在上面兩層煤層,采空區(qū)埋深8.3～20.4m,第二部分34、35號墩,鉆孔深度分布有三層煤層,煤層厚度在0.5～4.8m,根據(jù)鉆探結(jié)果,采空區(qū)埋深31～34.1m。第三部分60號墩,鉆孔深度分布有二層煤層,煤層厚度在4.2～4.9m,根據(jù)鉆探結(jié)果,采空區(qū)埋深71.2～73.5m。

(三)橋下采空區(qū)穩(wěn)定性及采空簡介

14～20號墩頂板厚度3～44m,屬于頂板及地基不穩(wěn)定段,29～40號墩頂板厚度27～38.5m,屬于頂板及地基不穩(wěn)定段,58～64號墩頂板厚度44～60m,屬于頂板及地基穩(wěn)定性差段。各墩臺采空情況見表1:

(四)采空區(qū)的特點(diǎn)

從調(diào)查、鉆探結(jié)果分析研究后,該橋下分布的采空區(qū)定性為古小窯采空區(qū),分散不規(guī)則、無規(guī)律,埋藏深度不等,為巷道式開采,未形成大面積采空。鐵路橋梁經(jīng)過采空區(qū)時(shí),對鐵路橋梁的安全性、穩(wěn)定性存在較大的安全隱患,采空頂板的荷載增加、巖層進(jìn)一步風(fēng)化、火車行車時(shí)的震動影響等諸多因素都有可能造成采空區(qū)坍陷、沉降,致使鐵路橋墩產(chǎn)生下沉、傾斜,嚴(yán)重危及鐵路行車安全。

(五)采空區(qū)處理的對策

線路通過采空區(qū)通常采取的處理措施主要有:埋藏較淺的采空區(qū),宜采用明挖回填處理;埋藏較深、坑道通暢的采空區(qū),宜采用片石回填、支頂、注土漿等措施處理;埋藏較深、多層重疊交錯(cuò)、無法進(jìn)入的采空區(qū),宜采用注漿或灌砂處理。采空區(qū)處理應(yīng)在安全煤柱范圍內(nèi),以處理采空區(qū)、冒落帶和裂隙帶為主,采取探灌結(jié)合的方式進(jìn)行。

二、采空區(qū)橋梁地基加固

(一)地基加固寬度的確定

地基加固寬度為橋梁承臺影響范圍內(nèi)的采空區(qū)。全橋受影響的三段范圍分別為14～20號墩、29～40號墩、58～64號墩,采空區(qū)地基加固寬度的計(jì)算原則:

地基加固寬度為受護(hù)對象外留圍護(hù)帶向兩側(cè)按巖層移動角考慮所確定的邊界寬度,即B=受護(hù)對象+圍護(hù)帶寬度+受護(hù)帶寬度+H左*ctgβ左+ H右*ctgβ右。

式中:

B——地基加固寬度;

圍護(hù)帶寬度——按《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中國家一級鐵路圍護(hù)帶寬度,取20m;

H左——線路左側(cè)圍護(hù)帶邊界至采空區(qū)底板的垂直距離;

H右——線路右側(cè)圍護(hù)帶邊界至采空區(qū)底板的垂直距離;

β左、β右——采空區(qū)上覆巖(土)移動角。

對橋梁工程的處理寬度設(shè)計(jì)如圖1所示:

(二)地基加固長度的確定

根據(jù)地質(zhì)物探異常,結(jié)合鉆探采空確定地基加固的基本范圍,保護(hù)邊界和外圍區(qū)的計(jì)算原則同上。需地基加固的三部分的基本范圍里程分別如下:第一部分,改DIIK202+098～改DIIK202+353;第二部分,改DIIK202+598～改DIIK202+976;第三部分,改DIK203+479～改DIIK203+751。

(三)地基加固深度的確定

注漿孔鉆至采空區(qū)冒落帶底板或煤層底板以下3.0m終孔,但是當(dāng)終孔位置接近下一層煤層時(shí),應(yīng)穿過煤層至底板以下3.0m終孔。

(四)注漿平面范圍及注漿孔間距的確定

漿液擴(kuò)散范圍的大小除了與注漿壓力、充填材料種類、漿液濃度和注漿方法有關(guān)外,更主要的是受巖層裂隙、巖體空洞及其聯(lián)系程度的影響。本次設(shè)計(jì)借鑒了多條公路和鐵路采空區(qū)注漿地基加固經(jīng)驗(yàn),參照冶金部《注漿技術(shù)規(guī)程》中土層、巖層注漿擴(kuò)散半徑,經(jīng)專家論證會確定,圍護(hù)帶總寬度確定為40m,其中保護(hù)邊界寬度20m,維護(hù)帶寬度20m。注漿孔間距確定橋梁承臺本體范圍內(nèi)3m×3m,保護(hù)邊界范圍內(nèi)采用5m×5m,維護(hù)帶范圍及外圍影響范圍內(nèi)注漿孔間距為12m×12m,最外一排孔(帷幕孔)間距為3m,注漿孔的布置圍護(hù)帶及以內(nèi)采用梅花形布置。實(shí)際布置主體范圍內(nèi)的注漿孔間距略大于3m,以確保注漿孔與主體樁基不沖突,圍護(hù)帶范圍內(nèi)當(dāng)注漿孔與樁基沖突時(shí),適當(dāng)移動注漿孔位置。

(五)橋墩不同施工進(jìn)度的注漿孔布置方案

1.未進(jìn)行基礎(chǔ)施工的墩臺(含樁基已施工,承臺未施工者)。注漿孔間距確定橋梁承臺本體范圍內(nèi)3m×3m,圍護(hù)帶范圍內(nèi)采用5m×5m,受護(hù)帶范圍及外圍影響范圍內(nèi)注漿孔間距為12m×12m,最外一排孔(帷幕孔)間距為3m。注漿孔的布置:圍護(hù)帶及以內(nèi)采用梅花形布置。承臺本體范圍內(nèi)當(dāng)注漿孔與樁基沖突時(shí),適當(dāng)移動注漿孔位置。

2.已進(jìn)行基礎(chǔ)施工的墩臺,采用斜孔注漿方式。用于采空區(qū)埋藏較深,樁尖在采空區(qū)之上,并已進(jìn)行承臺施工的墩臺,在橋梁承臺本體范圍以外1.0m按3.0m間距布垂直注漿孔,橋梁承臺本體兩側(cè)以外3.0m各布一排斜孔,間距視樁基位置確定,注漿孔布于樁基縱向投影之間,以盡量減輕注漿對結(jié)構(gòu)的影響,注漿孔斜度按采空區(qū)深度及注漿孔孔口與采空區(qū)交點(diǎn)投影距離進(jìn)行反算。注漿孔布置如圖2所示。

(六)漿液配合比及注漿壓力

根據(jù)以上采空區(qū)地基加固經(jīng)驗(yàn)和當(dāng)?shù)夭牧瞎?yīng)情況,確定注漿漿液采用水泥粉煤灰漿或水泥黃土漿,橋梁工程水泥粉煤灰漿水泥與粉煤灰的重量比為4∶6。鑒于采空區(qū)地段地基加固工程在國內(nèi)尚無規(guī)范可參照執(zhí)行以及小煤窯開采的無規(guī)律性,因此在采空區(qū)處治工程開始前,應(yīng)先做注漿孔布置及注漿工藝試驗(yàn),對設(shè)計(jì)中的參數(shù)做必要的優(yōu)化和完善。若采空區(qū)堆積物松散或存在空洞,注漿過程中可采用較稠的漿液或利用砂漿灌注。采空區(qū)地基加固范圍內(nèi)最外一排孔為帷幕孔,并且先注帷幕孔,帷幕孔須在漿液中摻加水泥重量2%的速凝劑(水玻璃),使注入采空區(qū)的漿液盡快凝固,以形成帷幕,防止?jié){液流失。

孔口壓力及單孔結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)檢測:在灌注中按技術(shù)規(guī)定要求按時(shí)觀測記錄孔口壓力,當(dāng)灌注孔的注漿末期,橋梁工程當(dāng)泵量小于70L/min時(shí),孔口壓力在2.0～3.0MPa,穩(wěn)定 10～15分鐘,可結(jié)束該孔的注漿施工。

(七)采空區(qū)處理監(jiān)控量測

在施工期間及完工后需對地基加固范圍內(nèi)進(jìn)行沉降觀測,沉降觀測布置點(diǎn):橋梁縱向沿軸線按墩臺中心布設(shè),橫向以墩臺為中心,橋墩頂左右兩側(cè)各布置1個(gè)測點(diǎn),同時(shí)向兩側(cè)布設(shè)測點(diǎn),距中軸線點(diǎn)距依次為10m、20m、30m、40m、50m、70m、100m。在施工期半年內(nèi)每周觀測一次;半年后至一年半內(nèi)每月觀測一次;一年半后至三年內(nèi)每兩個(gè)月觀測一次。繪制沉降曲線,對采空區(qū)變形作出評價(jià),發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理,確保鐵路安全運(yùn)營。作出評價(jià)后,能確認(rèn)鐵路橋梁結(jié)構(gòu)是安全的,可停止監(jiān)測,否則,需繼續(xù)采取工程措施和進(jìn)行監(jiān)測。

(八)采空區(qū)注漿處理后殘余變形的計(jì)算方法及結(jié)果分析

從小型采空區(qū)和巷道的長期破壞作進(jìn)一步推斷,分別采用洞頂坍塌堵塞法、沉陷系數(shù)法進(jìn)行了計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果表明,采空寬度較小時(shí),采空空洞破壞形式一般表現(xiàn)為洞頂坍塌,頂板破碎會產(chǎn)生脹余現(xiàn)象,塌落一定程度即被堵塞而不再坍塌,因此,按坍塌堵塞法計(jì)算,對于小型空洞在75%及90%的充填率時(shí),不會塌至地表,但塌落范圍內(nèi)會對附近的樁基產(chǎn)生一定的影響。

對于古采空中所采用的樹枝式、巷柱式、房柱狀及殘柱式,當(dāng)頂板條件較好時(shí),采空寬度也會相對較大,根據(jù)柳林地區(qū)煤層頂板及當(dāng)?shù)毓鸥G開采特點(diǎn),局部方塊式采空寬度及長度按5m及50m計(jì)算,當(dāng)空洞充填率為75%時(shí),地表沉陷量為0.10～0.21m;當(dāng)空洞充填率為90%時(shí),地表沉陷量為0.04～0.09m;若有遺留采空空洞未被充填,則地表沉陷量可能要達(dá)到0.37～0.85m。

三、橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化設(shè)計(jì)

(一)對于采空區(qū)埋藏較淺的采空區(qū)范圍內(nèi)橋梁的處理

1.未施工橋墩的基礎(chǔ)采用樁基穿透采空區(qū)。(1)14～19號墩處理方案:14～19號墩在原施工圖的基礎(chǔ)上按采空區(qū)以上巖層塌陷時(shí)產(chǎn)生負(fù)摩阻進(jìn)行檢算,負(fù)摩阻力大小按照-150kpa,取值深度自煤層至承臺底。由于采空區(qū)以上覆蓋層較淺,按照塌陷至地面考慮,14～19號墩樁基根據(jù)以上原則進(jìn)行樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。(2)29～40號墩處理方案:原則上結(jié)合探灌注漿孔是否發(fā)現(xiàn)墩下有采空現(xiàn)象決定樁基是否穿透采空區(qū),目前34、35號墩承臺下鉆探有采空現(xiàn)象,樁基必須穿透采空區(qū),考慮巖層較厚,塌陷時(shí)會影響到附近墩,33、36號墩也采取穿透采空區(qū)的加強(qiáng)措施; 33～36號墩樁基長度考慮采空區(qū)上土層坍陷計(jì)算負(fù)摩阻按穿透采空區(qū)設(shè)計(jì)。該段剩余橋墩如果注漿過程中發(fā)現(xiàn)墩下有采空時(shí)再進(jìn)行樁基穿透采空區(qū)加強(qiáng)處理,如未發(fā)現(xiàn)采空現(xiàn)象,則不再進(jìn)行樁基穿透采空區(qū)。穿透采空區(qū)的樁基檢算時(shí)負(fù)摩阻取值厚度按照采空區(qū)頂板以上緊鄰的泥質(zhì)砂巖層或泥巖層一次塌陷產(chǎn)生負(fù)摩阻計(jì)取,負(fù)摩阻力大小按150kpa。

2.已施工的橋墩采用承臺外圍補(bǔ)樁的處理方案。對于受采空區(qū)坍陷范圍影響到的20號墩,由于墩身已施工完畢,如果注漿過程中未發(fā)現(xiàn)墩下有采空現(xiàn)象,則采空的同層煤以上巖層不考慮負(fù)摩阻的影響;如果注漿時(shí)發(fā)現(xiàn)有采空現(xiàn)象,則再對20號墩已施工基礎(chǔ)進(jìn)行檢算、加固設(shè)計(jì)。考慮到墩身已經(jīng)施工,應(yīng)采用原施工承臺外圍補(bǔ)樁設(shè)計(jì),樁基穿透采空區(qū)的處理方案。

(二)對于采空區(qū)埋藏較深的采空區(qū)范圍內(nèi)橋梁的處理

58～64號墩處理方案:在原橋梁施工圖設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對采空區(qū)注漿處理后可能發(fā)生的沉降、塌落拱高度等進(jìn)行了檢算,檢算結(jié)果表明按90%充填率計(jì)算得出的塌落拱高度為2.3m、地表沉降為0.0298m。鑒于采空區(qū)埋藏較深,地表殘余沉降量小于橋梁沉降控制標(biāo)準(zhǔn),且目前僅發(fā)現(xiàn)一處采空,分布局限,且進(jìn)行了注漿處理,同時(shí)考慮到有效的節(jié)省了大量工程投資,經(jīng)研究認(rèn)為可短樁的設(shè)計(jì)方案,樁基不穿透采空區(qū)。

(三)對于位于采空區(qū)影響范圍之內(nèi)的連續(xù)梁的處理

同時(shí)針對該段原設(shè)計(jì)的32+48+32m連續(xù)梁,考慮到連續(xù)梁受力特點(diǎn),對主墩及聯(lián)間墩的不均勻沉降的要求高,無法適應(yīng)相鄰墩較大的不均勻沉降,故改為(32+14.7+32+32)m簡支梁設(shè)計(jì)方案。

(四)橋墩、支座等采取的其它附加措施

1.以上三段橋梁的支座均改為可調(diào)高支座。

2.合理設(shè)計(jì)橋墩頂帽尺寸,防止橋墩傾斜后,墩頂截面尺寸仍能夠滿足橋梁養(yǎng)護(hù)等的需求。

3.采空區(qū)樁基受力復(fù)雜,樁基配筋、混凝土強(qiáng)度有所提高,樁身混凝土由原設(shè)計(jì)的C30混凝土改為C40混凝土。

四、結(jié)論

1.鐵路橋梁穿越采空區(qū)地段設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)特別重視采空區(qū)的地基注漿加固,加強(qiáng)注漿過程中探灌結(jié)合,加強(qiáng)對注漿質(zhì)量的檢測,是鐵路橋梁結(jié)構(gòu)安全的重要保證。

2.針對采空區(qū)不同的地質(zhì)條件,不同的橋跨結(jié)構(gòu)應(yīng)合理采用相應(yīng)的橋梁加固措施,需要注意的是橋梁結(jié)構(gòu)加固僅是解決采空區(qū)方案設(shè)計(jì)的輔助措施,不能依靠樁基穿透采空區(qū)作為解決采空區(qū)橋梁安全的主要措施。

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作者簡介:渾鐵鏈(1974-),男,河北泊頭人,鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處工程師,研究方向:橋梁工程;張蓮娜(1978-),女,天津人,鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處助理工程師,研究方向:橋梁工程。