深井地表斑裂影響下橋梁變形控制技術(shù)研究

李功強(qiáng)，唐 軍，魏中舉，陳紹杰

(1.新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司華豐煤礦，山東 寧陽 271413；2.六盤水師范學(xué)院，貴州 六盤水 553004；3.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590)

煤炭開采造成的地表變形是一種嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，破壞耕地，損壞建(構(gòu))筑物，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅。地表變形包括地表下沉、傾斜變形、曲率變形、水平移動、水平變形及非連續(xù)變形等形式，這些移動與變形過程將對地表建構(gòu)筑物產(chǎn)生破壞作用，尤其是對跨度較大的橋梁破壞更為嚴(yán)重[1-3]。針對華豐煤礦厚煤層開采后地表出現(xiàn)斑裂的現(xiàn)象，本文分析了地表移動變形的規(guī)律及其對橋梁的危害，采取一系列對魯里大橋的保護(hù)技術(shù)措施，取得了較好的效果。

1 華豐煤礦地表移動、斑裂發(fā)育規(guī)律

隨著華豐煤礦開采深度的增加，主采煤層4煤已采至-1100m水平，采深已達(dá)1200m以上，是目前國內(nèi)采深最大的礦井之一。華豐礦煤層覆巖中古近系礫巖層厚度大(400～800m)、巖層堅硬、整體性好，且表土層薄(0～8m)。煤層開采后地表移動的表現(xiàn)特征主要有：連續(xù)性的移動變形特征和非連續(xù)變形—斑裂現(xiàn)象[4-6]。地面塌陷及斑裂已嚴(yán)重地?fù)p害了農(nóng)田，特別是礦井-550m以下煤層開采波及地面村莊及橋梁，對地表建構(gòu)筑物造成破壞，給礦井生產(chǎn)和村莊安全帶來一系列困難。華豐礦地表斑裂規(guī)律出現(xiàn)，并且斑裂寬度很大，局部可以達(dá)到1000mm以上。圖1為典型斑裂照片。

圖1 地表典型斑裂照片

2 地表斑裂對橋梁的影響

魯里大橋是連接汶河南北兩岸的交通要道，是連通泰安市區(qū)和周邊市縣的重要橋梁，1990年10月建成通車。主橋長429m，引橋長173m，橋?qū)?m，32孔，64跟橋柱，孔距13m，橋面寬8m，屬鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的梁板式簡支橋，設(shè)計承載負(fù)荷為20t，魯里橋整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 魯里橋整體結(jié)構(gòu)

橋梁在結(jié)構(gòu)上可視作長條狀，分為上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)。其上部結(jié)構(gòu)一般為主梁跨，下部結(jié)構(gòu)一般由支座、墩臺、基礎(chǔ)等組成[7-8]。由于地下煤層開采引起的地表變形對橋梁造成的影響有著其自身獨特的規(guī)律，橋梁為類似線性構(gòu)筑物，其所處地表必然非均勻下沉。魯里大橋的下部結(jié)構(gòu)為重力式橋臺和鉆孔灌注樁上接柱式墩，受地表沉降影響較小，上部結(jié)構(gòu)為預(yù)制拼裝的鋼筋混凝土簡支板橋，橋體受到支座沉降的影響不會產(chǎn)生附加內(nèi)力，故只要各墩臺的下沉差不是很大，對橋梁本身影響不甚大。高聳建筑物可能會因結(jié)構(gòu)的承載能力不足和失去穩(wěn)定性而遭受破壞，甚至傾倒，但一般的傾斜值對橋梁建筑影響不大。不論是傾斜還是曲率變形，對橋梁而言都可以表示成為縱向和橫向坡度的變化。

斑裂對橋梁的影響呈現(xiàn)三個特點：①三維空間有限性。斑裂致災(zāi)范圍僅限于斑裂帶的影響空間以內(nèi)，而對遠(yuǎn)離斑裂帶的外圍地段和更深處則不具輻射作用，并且在斑裂帶范圍內(nèi)，其災(zāi)害效應(yīng)在橫向、垂向和走向上反映出來。②災(zāi)害過程的突變性。③斑裂顯露之后，致災(zāi)作用隨時間增長逐漸加重，平面上沿走向向兩端不斷擴(kuò)展，災(zāi)害作用自下而上逐漸加強(qiáng)，累計破壞效應(yīng)集中于基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)接合部位的地表淺部數(shù)十米范圍。

斑裂對橋梁的影響有多種表現(xiàn)形式，主要有：①斑裂引起地基基礎(chǔ)變形，從而使橋梁產(chǎn)生裂縫。地基基礎(chǔ)變形對橋梁的結(jié)構(gòu)影響形式如圖3所示。②地基的累積沉降從而導(dǎo)致橋梁凈空減小。③斑裂引起橋梁的橋面線形不平順、開裂，甚至出現(xiàn)接頭跳車等問題。④斑裂變形區(qū)內(nèi)橋墩、基礎(chǔ)受到巖土介質(zhì)變形產(chǎn)生附加內(nèi)力，其主要表現(xiàn)形式為剪力，變形劇烈情況下可能將樁基剪斷。⑤斑裂傳播過程中，到達(dá)基礎(chǔ)位置時，如果基礎(chǔ)本身剛度較大，斑裂會繞過基礎(chǔ)向前延伸，如果基礎(chǔ)剛度較小，斑裂會直接從基礎(chǔ)下穿過。

圖3 地基基礎(chǔ)變形對橋梁的結(jié)構(gòu)影響形式

斑裂的發(fā)展是一個動態(tài)過程，早期裂縫較小，而且是隱伏的，隨著開采范圍的增大和時間的推移，斑裂不斷發(fā)展擴(kuò)大，波及范圍大，甚至成組出現(xiàn)，有些裂縫較寬且發(fā)展到地面是可以目測的。一旦斑裂發(fā)展到橋跨范圍內(nèi)，任何一跨13m跨徑范圍內(nèi)獨立承擔(dān)如此劇烈的集中地表變形都是不可能的。魯里橋目前受到的主要影響之一為主橋以南110m路西出現(xiàn)的斑裂和主橋以南20m處以西400m處的斑裂。兩條斑裂一直隨煤層的走向、向東北方向發(fā)展。魯里橋采用樁基礎(chǔ)，剛度較小，如果斑裂恰好從樁間穿過，可能造成樁、柱發(fā)生嚴(yán)重傾斜變形，甚至在蓋梁底部產(chǎn)成拉伸斷裂，最后造成橋梁垮塌。

3 控制橋梁變形的技術(shù)措施

魯里橋為鋼筋混凝土預(yù)制拼裝板橋，對其加固保護(hù)主要包括橋梁上部結(jié)構(gòu)加固、下部結(jié)構(gòu)加固、橋梁基礎(chǔ)(鉆孔灌注樁基)加固、橋梁地基(巖體淺層斑裂線)加固、加強(qiáng)注漿控制地表變形。

3.1 魯里大橋上部結(jié)構(gòu)加固

根據(jù)魯里大橋的實際情況，采用在梁板的底部附加碳纖維復(fù)合材料的方法進(jìn)行加固，這類材料通常由纖維和基體組成，具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕、耐疲勞、易施工等優(yōu)點，其力學(xué)特性為應(yīng)力應(yīng)變量呈現(xiàn)完全線彈性，無屈服點或塑性區(qū)[9]。為了將呈現(xiàn)出連續(xù)纖維狀的碳纖維結(jié)合成塊，同時與混凝土表面進(jìn)行無縫粘合，在橋梁加固時需要加入由底層涂料、整平材料和浸漬樹脂等組成的粘結(jié)材料。

3.2 魯里大橋下部結(jié)構(gòu)加固

橋梁的下部結(jié)構(gòu)為承力結(jié)構(gòu)，在直接承受上部結(jié)構(gòu)荷載的同時，將荷載傳遞給地基，其安全性及可靠性對橋梁的安全使用非常重要。魯里大橋的下部結(jié)構(gòu)為雙柱式橋墩，墩上為蓋梁，現(xiàn)有橋墩本身已出現(xiàn)一定程度的損傷，再加上超載嚴(yán)重和采動影響，其承載能力無法滿足使用安全，需進(jìn)行加固維修。

柱式橋墩加固方法主要有如下幾種：外包鋼加固法、外包纖維加固法、擴(kuò)大截面加固法[10]。因為回采是逐步推進(jìn)的，回采的影響和斑裂的形成也是逐漸產(chǎn)生的，通過對蓋梁進(jìn)行加固維修，可以在一定限度內(nèi)延長橋梁使用時間，推遲封橋時間，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。對魯里橋蓋梁的加固可以采用加大截面的方法，增加橋梁構(gòu)件的截面和配筋，達(dá)到提高橋梁構(gòu)件的剛度、強(qiáng)度、抗裂性以及穩(wěn)定性等目的，同時也起到了修補(bǔ)裂縫的目的。

圖4 增大截面法加固橋梁下部結(jié)構(gòu)

3.3 魯里大橋基礎(chǔ)加固

根據(jù)墩臺基礎(chǔ)的情況，考慮采用旋噴樁加固方法。在承臺外周，即先沿基礎(chǔ)周邊均勻灌注樁，然后再鉆透漿砌片石基礎(chǔ)，在基礎(chǔ)下部施工灌注樁，并在樁頭插入粗鋼筋，與牽釘連接，然后包打墩身混凝土。

3.4 橋梁地基(淺層斑裂線)加固

橋梁坐落在巖(土)層地基上，煤層采動對橋梁的影響也是通過地表變形傳遞到橋梁上的。魯里橋也是如此。根據(jù)前面對華豐煤礦煤層開采地表移動對魯里橋損害影響分析，危害最大的地表變形是斑裂隱伏斑裂，而斑裂是在煤層采動的影響下沿著礫巖層的原有弱面逐步發(fā)展的。在1612、1411、1613、1412工作面生產(chǎn)過程中，在魯里橋地基巖體上鉆孔，采用電廠灰作為主要的骨料，灌注和壓注相結(jié)合，對斑裂縫進(jìn)行封堵加固，預(yù)防斑裂縫在魯里橋下的擴(kuò)長，達(dá)到加固地基、保護(hù)魯里橋的目的?？梢娫趯Π吡押碗[伏斑裂探測和預(yù)測基礎(chǔ)上，對橋梁地基巖體弱面加固也是可行的。

3.5 加強(qiáng)離層帶注漿控制地表變形

華豐煤礦長期以來實施離層帶注漿措施來控制地表變形，達(dá)到了良好的效果。為了保護(hù)魯里橋，控制相關(guān)區(qū)域地表變形。在1612、1411、1613、1412工作面繼續(xù)實施離層注漿減沉技術(shù)的條件下，根據(jù)四個工作面的具體情況，在1412工作面東部靠近1411工作面位置，再增加布置3個鉆注鉆孔，同時對相關(guān)區(qū)域采用大功率注漿泵，盡量加大注漿量、提高漿液深度，保證注漿效果，減小沉陷系數(shù)。

4 對橋梁保護(hù)效果的監(jiān)測

通過對工作面開采引起的地表移動和斑裂進(jìn)行合理的預(yù)測，在開采影響區(qū)域內(nèi)對地表移動、斑裂和隱伏斑裂、魯里橋進(jìn)行不間斷的觀測和監(jiān)測，從而對可能出現(xiàn)的斑裂和魯里橋可能出現(xiàn)的損害做出準(zhǔn)確的判斷。與此同時，對魯里橋進(jìn)行不斷加固以增強(qiáng)其抗損害能力，盡量保護(hù)橋梁不受破壞。

魯里橋的監(jiān)測應(yīng)采用常規(guī)監(jiān)測和緊急監(jiān)測結(jié)合的方法進(jìn)行。當(dāng)?shù)乇碜冃芜B續(xù)監(jiān)測的結(jié)果顯示水平壓縮小于1.0mm/m，水平拉伸小于1.2mm/m時采用常規(guī)監(jiān)測，而當(dāng)連續(xù)變形監(jiān)測顯示水平位移大于上述數(shù)值時，啟動緊急監(jiān)測，加大監(jiān)測頻率，密切注意橋梁上部結(jié)構(gòu)變化。當(dāng)水平變形達(dá)到±1.5mm/m時，應(yīng)該立即封閉橋梁、阻斷交通。非連續(xù)變形即地表出現(xiàn)宏觀較大裂縫，對華豐礦區(qū)來講，地表斑裂非常嚴(yán)重，裂縫寬度極大，斑裂一旦發(fā)展到橋位處，魯里橋?qū)⒊霈F(xiàn)橋板墜落的情況。因此，針對斑裂的出現(xiàn)，魯里橋的監(jiān)測需特別強(qiáng)調(diào)隱伏斑裂的探測工作，當(dāng)隱伏斑裂發(fā)展較為活躍時即啟動緊急監(jiān)測，重點監(jiān)測板縫寬度指標(biāo)，在斑裂或者隱伏斑裂發(fā)展到魯里橋區(qū)域前采取封橋措施。

目前，魯里橋仍能保持正常使用。在加強(qiáng)離層帶注漿的條件下，預(yù)計1410工作面采后魯里橋最大下沉500mm，而實測最大下沉221mm(位于魯里橋南150m引橋觀測點處)，減沉率達(dá)到56％。

5 結(jié)論

1) 根據(jù)華豐煤礦地表移動、斑裂發(fā)育規(guī)律，分析了地表斑裂對橋梁的影響的特點：三維空間有限性、災(zāi)害過程的突變性、致災(zāi)作用的時間性，同時分析了斑裂對橋梁影響的表現(xiàn)形式，為控制橋梁變形的技術(shù)措施的實施提供了基礎(chǔ)。

2) 魯里橋為鋼筋混凝土預(yù)制拼裝板橋，根據(jù)橋梁的實際情況，對其加固保護(hù)技術(shù)措施主要包括橋梁上部結(jié)構(gòu)加固、下部結(jié)構(gòu)加固、橋梁基礎(chǔ)(鉆孔灌注樁基)加固、橋梁地基(巖體淺層斑裂線)加固、加強(qiáng)注漿控制地表變形。

3) 對魯里橋的監(jiān)測采用常規(guī)監(jiān)測和緊急監(jiān)測結(jié)合的方法進(jìn)行。尤其是針對斑裂的出現(xiàn)，魯里橋的監(jiān)測需特別強(qiáng)調(diào)隱伏斑裂的探測工作，當(dāng)隱伏斑裂發(fā)展較為活躍時即啟動緊急監(jiān)測，重點監(jiān)測板縫寬度指標(biāo)，在斑裂或者隱伏斑裂發(fā)展到魯里橋區(qū)域前采取封橋措施。

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