采動(dòng)影響下三連鐵路橋維修加固方案

田迎斌

(1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司，河北 唐山 063012)

采動(dòng)影響下三連鐵路橋維修加固方案

田迎斌1,2

(1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司，河北 唐山 063012)

為了實(shí)現(xiàn)受采動(dòng)影響鐵路橋梁的安全運(yùn)行，應(yīng)用概率積分法預(yù)計(jì)了S2S7工作面開(kāi)采對(duì)三連鐵路橋產(chǎn)生的最大移動(dòng)與變形值。在此基礎(chǔ)上分析了下沉、傾斜及水平變形對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明：橋梁下沉后鐵路橋下過(guò)水?dāng)嗝鎯艨崭叨葷M足規(guī)范要求；橋梁縱向傾斜不影響行車，可通過(guò)不斷調(diào)整軌面來(lái)滿足規(guī)范要求的橋梁橫向傾斜且不影響墩臺(tái)的穩(wěn)定性；橋梁縱向壓縮不會(huì)影響正常使用，但橋梁基礎(chǔ)橫向拉伸變形已達(dá)Ⅲ級(jí)。針對(duì)橋梁基礎(chǔ)有可能遭受到較大損害的情況，提出了采用扁鋼對(duì)橋墩及橋臺(tái)進(jìn)行加固的設(shè)計(jì)方案，并提出了保證線路正常運(yùn)行的安全措施。實(shí)踐表明，經(jīng)過(guò)加固的鐵路橋經(jīng)受住了S2S7工作面的采動(dòng)影響，達(dá)到了鐵路橋下安全采煤的目的。

采動(dòng) 橋墩 橋臺(tái) 移動(dòng)與變形 維修 加固

三臺(tái)子鐵路三連橋位于遼寧省小康礦南2采區(qū)南7工作面(S2S7)的東側(cè)約130 m處。預(yù)計(jì)S2S7工作面開(kāi)采后隨著推進(jìn)長(zhǎng)度的增加，鐵路橋?qū)⑹艿讲蓜?dòng)影響。為了實(shí)現(xiàn)煤炭資源的正常開(kāi)采和列車的正常安全運(yùn)營(yíng)，對(duì)鐵路橋受采動(dòng)影響進(jìn)行了分析論證，以及提出了相應(yīng)的維修加固方案和綜合安全措施，最終，成功地進(jìn)行了鐵路橋下安全采煤。

1 工程概況

1.1 鐵路概況

三臺(tái)子鐵路專用線主要擔(dān)負(fù)煤炭外運(yùn)任務(wù)，此外尚有職工通勤和原材料運(yùn)輸?shù)瓤?、貨運(yùn)輸。該線路為標(biāo)準(zhǔn)軌距單線鐵路，軌型為50 kg/m，軌節(jié)長(zhǎng)25 m，碎石道床，每千米鋪1 600根鋼筋混凝土軌枕。

1.2 橋梁概況

三臺(tái)子鐵路專用線通過(guò)三連橋跨越1條排干渠。三連橋三孔跨度為6.0 m+5.0 m+6.0 m。該橋梁全長(zhǎng)為27.46 m，橋高3.5 m(河床至墩身頂帽下緣)，橋梁縱向中心線與流水方向的夾角θ=26°。

(1)橋面。三連橋?yàn)榈啦陿蛎妫瑢?.9 m，木軌枕，橋上線路設(shè)有護(hù)軌，設(shè)雙側(cè)各0.5 m寬的人行道，鋪鋼筋混凝土步行板，橋上線路設(shè)有軌距拉桿及防爬裝置。梁與梁、梁與擋碴前墻的間隙均為6 cm。

(2)上部結(jié)構(gòu)。上部結(jié)構(gòu)即梁跨結(jié)構(gòu)，為鋼筋混凝土低高度簡(jiǎn)支梁橋，兩端跨度為6.0 m、中跨為5.0 m，梁高0.45 m，每孔由兩片梁組成。本橋無(wú)支座，在梁肋與頂帽之間為0.3 cm的石棉墊板。

(3)下部結(jié)構(gòu)。①橋臺(tái)：橋臺(tái)為“T”型橋臺(tái)，由頂帽、臺(tái)身、基礎(chǔ)、道碴槽組成。橋臺(tái)頂帽及道碴槽為C20鋼筋混凝土澆筑，頂帽高0.5 m，道碴槽長(zhǎng)4.27 m；橋臺(tái)基礎(chǔ)為兩階擴(kuò)大基礎(chǔ)，其上階厚1.0 m，與臺(tái)身同時(shí)以M10水泥砂漿片石砌筑，臺(tái)身部分外鑲30～40 cm厚的塊石；下階為1.0 m厚的C15混凝土澆筑，基礎(chǔ)之下為1.0 m厚的換填碎石墊層，墊層四周均大出基礎(chǔ)0.4 m。橋臺(tái)兩側(cè)設(shè)1∶1的錐形護(hù)坡。②橋墩：橋墩為圓端形橋墩，與流水方向一致，由頂帽、墩身、基礎(chǔ)3部分組成。橋墩頂帽高0.5 m，由C20鋼筋混凝土澆筑；墩身高3.5 m。墩身、擴(kuò)大基礎(chǔ)和墊層所用材料及厚度等同橋臺(tái)。

1.3 S2S7工作面概況

S2S7工作面開(kāi)采寬度240 m，長(zhǎng)度1 290 m。鐵路橋位于S2S7工作面東側(cè)約130 m處，橋北端為直線段，與工作面斜交成10°角，在離開(kāi)切眼900 m處，鐵路進(jìn)入工作面正上方。

S2S7工作面開(kāi)采煤層為1#煤層。煤層傾角0°～1°，煤層平均采厚6.0 m，平均采深600 m。采煤方法為綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采，全部垮落法管理頂板。

鐵路橋與 S2S7工作面相對(duì)位置關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 鐵路橋與S2S7工作面相對(duì)位置關(guān)系

2 三連橋受采動(dòng)影響預(yù)計(jì)與損害分析

2.1 橋梁移動(dòng)與變形值預(yù)計(jì)

采煤引起的地表移動(dòng)和變形，使橋梁隨地表一起產(chǎn)生空間位移與變形。地表移動(dòng)和變形主要由5個(gè)指標(biāo)組成：下沉、傾斜、曲率、水平移動(dòng)、水平變形。采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱《三下開(kāi)采規(guī)程》)推薦的概率積分法，預(yù)測(cè)S2S7工作面分別推進(jìn)100、200、300、350 m全采后三連橋橋墩及橋臺(tái)下沉、傾斜、曲率、水平移動(dòng)、水平變形等5個(gè)指標(biāo)的值，限于篇幅僅給出在此過(guò)程中對(duì)橋梁產(chǎn)生關(guān)鍵影響的移動(dòng)與變形指標(biāo)的最大值，見(jiàn)表1所示。

表1 三連橋移動(dòng)與變形最大值

2.2 采動(dòng)對(duì)橋梁的影響分析

(1)橋梁下沉影響分析。受開(kāi)采影響，橋梁隨地表整體下沉，在橋梁上、下游均沒(méi)有大面積采動(dòng)的情況下，橋址的局部下沉，使橋下過(guò)水面積減小。已知三連橋下自鋪砌河床頂面算起，設(shè)計(jì)水位高度為1.35 m，河床頂面至頂帽下緣為3.5 m。由表2可知，三連橋北橋臺(tái)下沉值最大為504 mm，相當(dāng)于水位上升0.504 m，即橋下水位高增加到1.854 m。《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》規(guī)定：洪水期無(wú)大漂流物時(shí)，不通航的河流橋下凈空高(h)應(yīng)滿足h>0.5 m的要求。該河床至梁底高度為3.5+0.5(頂帽厚度)=4.0 m，則橋下凈空h=4.0-1.854=2.146 m>0.50 m，設(shè)計(jì)水位至梁底尚有2.146 m的空間，故下沉后橋下過(guò)水?dāng)嗝鎯艨崭叨确弦?guī)定。

(2)橋梁縱向傾斜影響分析。橋梁縱向傾斜主要是使橋上線路由北面駛來(lái)的重車由平坡變?yōu)?.37‰的上坡，但該坡度小于國(guó)家《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于鐵路最大限坡為6‰的規(guī)定，不影響行車。

(3)橋梁橫向傾斜影響分析。橋的橫向傾斜最大值為6.19 mm/m，這時(shí)橋面鋼軌的水平差為6.19×1.435≈8.88 mm，但這種變化不是迅速產(chǎn)生的，而是隨著S2S7工作面的推進(jìn)逐漸產(chǎn)生的，對(duì)于道碴橋面，只需要根據(jù)鋼軌監(jiān)測(cè)變化情況不斷調(diào)整軌面的水平，即可使橋上線路滿足《鐵路工務(wù)安全規(guī)則》的要求。

三連橋受S2S7工作面采動(dòng)影響最大橫向傾斜為6.19 mm/m，墩臺(tái)自基底到梁底最大高變?yōu)?.0 m(基礎(chǔ)高2.0 m，墩身3.5 m，頂帽0.5 m)，將導(dǎo)致頂帽中心與基底中心偏移6.19×6=37.14 mm，橋墩基礎(chǔ)底面積為6.84 m×3.64 m=24.9 m2，37 mm的偏心不影響墩臺(tái)的穩(wěn)定性。

(4)橋梁縱向壓縮影響分析。由表1可知，順橋方向的縱向壓縮使整個(gè)橋均向北移動(dòng)，南橋臺(tái)北移218 mm。而北臺(tái)北移214 mm，在南北橋臺(tái)之間形成4 mm的絕對(duì)壓縮量，這個(gè)壓縮量對(duì)于全橋梁的間隙(6 cm×4)而言很小，不會(huì)影響橋梁的正常使用。

(5)橋梁橫向拉伸影響分析。該橋?yàn)閮呻A擴(kuò)大基礎(chǔ)，下階基礎(chǔ)為1.0 m厚的C15混凝土，上階基礎(chǔ)為M10水泥砂漿砌片石。按照《三下開(kāi)采規(guī)程》，基礎(chǔ)橫向拉伸變形已達(dá)Ⅲ級(jí)。

3 鐵路橋維修加固方案

3.1 采前橋梁的養(yǎng)護(hù)維修

首先，對(duì)于鋼筋混凝土梁，要檢查順主筋方向有無(wú)水平裂縫，梁的下緣有無(wú)產(chǎn)生垂直裂縫或斜縫，除量測(cè)其裂縫寬度外，還應(yīng)繪制平面展示圖。對(duì)裂縫要及時(shí)采取修補(bǔ)措施。對(duì)圬工墩臺(tái)，要全面檢查墩臺(tái)身、頂帽等處有無(wú)裂縫，并應(yīng)做好記錄、拍照，并及時(shí)采取維修、補(bǔ)強(qiáng)措施。其次，為防止人行道的損壞，要將雙側(cè)人行道的欄桿、步行板視具體情況，適當(dāng)斷開(kāi)若干處作為伸縮縫。

3.2 橋墩加固方案

采用加設(shè)豎向扁鋼外加扁鋼環(huán)形箍對(duì)橋墩進(jìn)行加固。扁鋼規(guī)格為120 mm×10 mm的熱軋扁鋼，9.42 kg/m，強(qiáng)度等級(jí)Q235。加固方法：以豎向扁鋼緊貼墩身四周外表面，豎向扁鋼外部加設(shè)四道扁鋼環(huán)形箍，豎向扁鋼與環(huán)形扁鋼以現(xiàn)場(chǎng)雙面焊接焊牢，清除焊渣及銹蝕，涂防銹漆。

橋墩基礎(chǔ)上部(即砌石部分)加固：基礎(chǔ)挖開(kāi)至下階基礎(chǔ)混凝土層頂面，清除雜土，以扁鋼焊環(huán)形箍上、中、下3道，豎扁鋼在環(huán)形箍?jī)?nèi)側(cè)沿四周均布，環(huán)形箍與立板雙面焊牢，回填土前涂瀝青。

橋墩加固設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

3.3 橋臺(tái)加固方案

采用扁鋼加固橋臺(tái)基礎(chǔ)。材料同橋墩120 mm×10 mm扁鋼，強(qiáng)度等級(jí)Q235。將基礎(chǔ)挖開(kāi)至混凝土頂部，部分錐體護(hù)坡挖開(kāi)；清除雜土，補(bǔ)澆混凝土C20，并預(yù)埋扁鋼立板5個(gè)，立板高95 cm；待混凝土達(dá)到強(qiáng)度后，在橋臺(tái)前部加設(shè)3道U形扁鋼箍及立板，除預(yù)埋立板外，另加立板11個(gè)，并以30個(gè)牽釘，將立板與U形板固定在橋臺(tái)基礎(chǔ)上；立板、U形板之間雙面焊接、焊接牢；金屬件涂瀝青；回填土至原狀，補(bǔ)砌錐體護(hù)坡。

橋臺(tái)基礎(chǔ)加固設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

4 其他安全措施

為保障三臺(tái)子鐵路暢通、安全運(yùn)營(yíng)，采取的安全措施包括，包括：

圖2 橋墩加固設(shè)計(jì)

(1)井下采礦措施。在工作面接近橋體附近時(shí)，井下開(kāi)采應(yīng)做到快速、連續(xù)、干凈回采；工作面開(kāi)采在橋梁前后，不應(yīng)有停采現(xiàn)象。

(2)監(jiān)測(cè)措施。建立橋梁和線路的觀測(cè)站點(diǎn)，按時(shí)觀測(cè)，及時(shí)整理觀測(cè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。

(3)組織措施。由相關(guān)負(fù)責(zé)同志組成領(lǐng)導(dǎo)小組，統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)指揮鐵路橋下采煤工作，并制定應(yīng)急預(yù)案。

(4)發(fā)現(xiàn)緊急情況時(shí)，可以采取限速行駛、臨時(shí)停運(yùn)等措施。

在采取了加固維修及綜合的安全措施下，經(jīng)過(guò)約1.5 a的開(kāi)采，鐵路橋橋臺(tái)和橋墩上均出現(xiàn)了一些裂紋，但由于外包鋼的約束作用，保證了橋臺(tái)及橋墩的強(qiáng)度、剛度和整體穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)了鐵路橋下的安全開(kāi)采。

圖3 橋臺(tái)加固設(shè)計(jì)

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)根據(jù)S2S7工作面開(kāi)采技術(shù)條件，采用概率積分法預(yù)計(jì)了三連橋受采動(dòng)影響移動(dòng)與變形的最大值。經(jīng)分析，三連橋下沉后橋下凈空及產(chǎn)生的縱向坡度滿足規(guī)范要求，橫向傾斜不影響橋墩的穩(wěn)定性，縱向壓縮量不會(huì)影響橋梁的正常使用，但橫向拉伸使橋梁墩臺(tái)及基礎(chǔ)達(dá)到Ⅲ級(jí)損壞。

(2)根據(jù)預(yù)計(jì)結(jié)果，制定了采用扁鋼對(duì)橋臺(tái)基礎(chǔ)、橋墩及其基礎(chǔ)進(jìn)行加固的方案，提出了保證橋梁安全運(yùn)行的綜合措施。

(3)根據(jù)對(duì)采后鐵路橋結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，采前對(duì)橋臺(tái)及橋墩所采取的加固措施有效的保護(hù)了橋梁的安全和正常使用。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Maintenance and Reinforcement Schemes of Sanlian Railway Bridge Under the Influence of Mining

Tian Yingbin1,2

(1.TangshanResearchInstitute，ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroup，Tangshan063012，China;2.Tiandi(Tangshan)MiningScienceandTechnologyCompanyLtd.，Tangshan063012，China)

In order to realize the safety service of the railway bridge influenced by mining，the probability integral method was used to predict the movement and deformation values of the Sanlian railway bridge at the S2S7working face during mining.Based on this，the effect of subsidence，inclination and horizontal deformation on structure of railway bridge was analyzed.The results showed that the wetted cross section height under the railway bridge is in accord with the requirement of criterion，the longitudinal inclination of the bridge beam did not influence the driving，and the horizontal inclination met the requirement of the criterion by adjusting the orbit plane，so it cannot influence the stability of the bridge pier.The longitudinal compression of the bridge did not affect the use，but the tensile deformation of the bridge lateral basis reached Class III，resulting that the bridge foundation may suffer the great damage.In view of this，the design which adopted the flat steel to strengthen the bridge pier and abutment was proposed，and the safety measures for the normal service of the bridge were put forward.The practice showed that the strengthened railway bridge can bear the mining influence of S2S7working face，to achieve the safety coal mining under railway bridge.

Mining influence，Bridge pier，Bridge abutment，Movement and deformation，Maintenance，Strengthening

2015-01-04

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2012BAC13B03)。

田迎斌(1981—)，男，助理研究員，國(guó)家二級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)師。

TU24

A

1001-1250(2015)-04-142-04