礦區(qū)鐵路鋼筋混凝土橋梁下沉整治方法研究
——以礦上鐵路橋下沉為例

張松雷

(陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院公路與鐵道工程學(xué)院，陜西 西安 710018)

礦區(qū)開采過程中引發(fā)的巖層與地表移動，容易對鐵路橋梁造成不同程度破壞，使其產(chǎn)生超過允許限度的變形下沉， 尤其在可采層多、厚度大的平原礦區(qū)，在平原地形、上覆松散沖擊層及煤炭埋藏深等多重因素影響下，多數(shù)礦區(qū)均采用長臂工作面全部陷落法開采法，這勢必造成井下礦存在大面積的采空區(qū)，出現(xiàn)超量塌陷區(qū)，建在其上的鐵路橋梁的地基及結(jié)構(gòu)更易變形、下沉[1]，而以往最常采用的治理方案是在采煤工作面保留煤柱，或是廢棄原有橋梁，選取適宜的橋位以頂入法重建新橋，但該方案涉及線路、河道改移、耕地占用、人口遷移，操作流程繁雜，耗時(shí)、耗資大，影響礦區(qū)正常開采及生活秩序，為制定出效率高、成本低、治理效果好的整治方案。本文以某礦首采鐵路橋?yàn)槔?，利用有限元分析方法?gòu)建了地表變形預(yù)測模型，并根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析其對橋體結(jié)構(gòu)附加力和變形的影響，采用原橋基礎(chǔ)加固、橋梁結(jié)構(gòu)加高、加固等方法進(jìn)行綜合治理，來對礦上鐵路橋的大幅度坍陷整治提供依據(jù)。

1 礦區(qū)鐵路橋概況

淮南某礦首采區(qū)位于上古生界二疊系山西組底部，2層可采層，13-1層煤是主采煤層，采層均厚5 m，煤層傾角12(°)～14(°)，采深為-400 m，以走向長壁綜采放頂煤為開采方法。礦區(qū)新生地界是第四系，地表層厚度為19 410～485.64 m，采區(qū)內(nèi)無較大的斷面構(gòu)造，推采距離為1 000 m。

該礦首采區(qū)的鐵路橋地基總長、寬各為72.2 m，18.1 m，由縱向?qū)?12 m，橫向?qū)? m，框架高9 m的18個(gè)鋼筋混凝土箱形框架結(jié)構(gòu)構(gòu)成，箱形框架之間設(shè) 50 mm沉降縫，鐵路橋與工作面關(guān)系 如圖1所示。

圖1 礦區(qū)鐵路橋與工作面的關(guān)系

2 礦區(qū)地表移動及鐵路橋結(jié)構(gòu)附加力變形

2.1 數(shù)值模型構(gòu)建

要預(yù)計(jì)礦區(qū)鐵路橋附加力變形情況，首先要獲取開采地表沉陷變形的特點(diǎn)及數(shù)值參數(shù)，結(jié)合礦局開采面巷道布局及鐵路橋空間位置，采用有限元軟件構(gòu)建地表移動變形數(shù)據(jù)模型，如圖2所示。

根據(jù)淮南某礦區(qū)開采地表巖層及結(jié)構(gòu)特征，簡化模型，開采前巖土體為原巖應(yīng)力狀態(tài)，初始孔隙水壓立場為γwH，γw、H分別為水比重、距地表縱向距離，開采面走向方向2 000 m，深度方向500 m處為模型幾何尺寸，煤層采深為400 m，開采面始末點(diǎn)各位于地表點(diǎn)坐標(biāo)500 m和1 500 m處，依照鉆探結(jié)構(gòu)布置各巖土層，模型頂端為自由邊界，四面及底部分別采用水平、固定邊界條件。

圖2 地表移動變形數(shù)據(jù)模型

2.2 物理力學(xué)參數(shù)的選取

數(shù)據(jù)模型土體及巖體分別采用平面應(yīng)變八節(jié)點(diǎn)位移—孔壓耦合單元、平面應(yīng)變八節(jié)點(diǎn)單元，非線性分析中均采用彈塑性Druck-Prager強(qiáng)化模式和非關(guān)聯(lián)流動法，依據(jù)鋼筋混凝土橋體布筋的規(guī)律性，均勻化處理原橋體結(jié)構(gòu)，彈性模量取33.5 Gpa，泊松比0.19[2]；而且，開采區(qū)土地存在擾動，土體的物理力學(xué)性質(zhì)隨工作面的推進(jìn)而變化，土地孔隙比先增后減，且最后比初始孔隙小，土體粘聚力和內(nèi)摩擦角也先增后減，為此，需根據(jù)工作面推進(jìn)進(jìn)程調(diào)整土地物理力學(xué)參數(shù)，同時(shí)，采空區(qū)冒落矸石為松散介質(zhì)，在工作面推進(jìn)中，其在上覆巖層沉降壓力下會被壓實(shí)，介質(zhì)密度ρ,彈性模量E及泊松比ν均會提升，計(jì)算公式為[3]：

ρ=1600+800(1-e-1.25t)

E=15+175(1-e-1.25t)

(1)

v=0.05+0.2(1-e-1.25t)

其中，t為時(shí)間，基于地基及上部橋體共同作用性，建模中僅選取橋下地基表土、砂質(zhì)黏土、黏土等3層，其上覆松散層及巖層的初始物理學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 礦區(qū)鐵路橋下地表層及巖層初始物理學(xué)參數(shù)

結(jié)合上表可獲得鐵路橋下地表初始應(yīng)力場及孔隙水壓場，而后在此基礎(chǔ)上依照實(shí)際擬際的方向開采，得出最終的地表移動的數(shù)值參數(shù)，具體結(jié)果如下分析。

2.2.1 地表下沉及地表斜率

開采工作面推進(jìn)中鐵路橋地表下沉及斜率曲線如圖3所示，地表顯著性下沉出現(xiàn)在工作面推進(jìn)400 m時(shí)，且下沉速度逐漸增大，最大下沉點(diǎn)也逐步向開采方向前移，工作面推進(jìn)至800 m時(shí)地表最大下沉量達(dá)到-2.15 m，在結(jié)束開采后，出現(xiàn)大面積下沉，地表形成基本對稱的下沉盆地，走向方向上下沉曲線的拐點(diǎn)位于開采區(qū)域內(nèi)測，地表985 m處地表下沉最大值為5.46 m，下沉系數(shù)為1.12。地表斜率隨工作面推進(jìn)而增快，在完成開采后，下沉盆地地表斜率為0，走向方向上地表斜率最大值處于開采邊界內(nèi)側(cè)出，地表692 m處地表傾斜最大值為-11.53 mm/m。

圖3 礦區(qū)鐵路橋下地表下沉及傾斜曲線

2.2.2 水平移動及孔隙水壓變化

如圖4所示，鐵路橋下地表各點(diǎn)的水平移動隨工作面推進(jìn)而逐漸增加，且趨向下沉盆地，在開采全過程中，在最終下沉盆地中央附近地表水平移動值變化不大，開采區(qū)域邊界周圍地表水平移動值變化較大，在完成開采后，地表651 m處水平最大位移為2.17 m。隨工作面推進(jìn)，受壓區(qū)的孔隙水壓變化逐漸減小，也可能出現(xiàn)負(fù)孔壓，且因?yàn)槭軘_動的先后及土體的初期固結(jié)，工作面推進(jìn)前方的孔隙水壓較后方大，在完成開采后，最大超孔隙水壓為15 kPa。

圖4 礦區(qū)鐵路橋下地表水平移動曲線

2.2.3 鐵路橋結(jié)構(gòu)附加內(nèi)力變化預(yù)測

在初始階段，地表變形引發(fā)的鐵路橋結(jié)構(gòu)最大附加力隨工作面推進(jìn)而增加，至610 m時(shí)其最大值達(dá)到1.85 MPa，隨后不斷減小，在完成開采后趨于穩(wěn)定，而最大附加拉應(yīng)力變化特點(diǎn)與附加應(yīng)力基本相同，只是增幅更大，當(dāng)工作面推進(jìn)至400 m后，其隨工作面推進(jìn)增幅減緩，趨向水平，在完成開采后可達(dá)到最大值4.31 MPa，由此可知，開采中在地表大幅度沉陷變形影響下，鐵路橋以受拉破壞為主，且已經(jīng)超出混凝土最大允許限度，受損部位集中在橋面小表面、橋基上表面、兩端及中部框架橋基座高差錯(cuò)位影響區(qū)及水平面內(nèi)，而此時(shí)若要加高原有橋體，下沉較大端局部地基壓力將在400 kPa以上，而其他下沉部位地基壓力均值也都在310 kPa之上，遠(yuǎn)高于橋梁地基的標(biāo)準(zhǔn)承載力220 kPa，據(jù)此礦區(qū)鐵路橋的結(jié)構(gòu)及地基均需進(jìn)行加固處理。

3 礦區(qū)鐵路橋下沉整治方案

3.1 橋梁地基加固

根據(jù)分析，地表超量動態(tài)沉陷條件下，橋體地基被拉裂，造成混凝土箱體不同程度移動、變形，甚至有的箱體達(dá)到5～10 m的錯(cuò)移，經(jīng)技術(shù)比較，高壓旋噴樁承載能力大，操作便捷，可在箱型框架橋內(nèi)施工，底板鉆孔直徑小，對于原橋體砼底板影響性小，故采用該方法對橋梁地基進(jìn)行加固，沉陷條件下作業(yè)需要在筏板面上進(jìn)行，以規(guī)避附加沉降，施工步驟先橋梁外兩排噴樁，后箱型結(jié)構(gòu)底板下旋噴樁，施工首先要接近側(cè)壁旋噴樁，施工要間隔兩樁位，確保兩排同步向中心推進(jìn)[4]，橋梁地基整個(gè)加固工序?yàn)椋阂园倜椎刭|(zhì)工程鉆機(jī)鉆鑿2.4 m厚鋼筋砼底板和毛石基礎(chǔ)孔、高壓旋噴樁施工、以C40砼封堵鉆鑿孔。施工工藝流程為：鉆孔插管，采用XY100M工程地質(zhì)鉆機(jī)，完成鉆孔后將巖心管更換為旋噴管，射水與插管同時(shí)進(jìn)行，以達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高為準(zhǔn)；噴射注漿，噴注前需攪拌水泥漿液，在噴嘴達(dá)到設(shè)計(jì)高程時(shí)向鉆機(jī)輸送高壓泥漿，在底部旋轉(zhuǎn)1 min，待孔底有漿液冒出，旋轉(zhuǎn)提升鉆桿以20～25 r/min旋轉(zhuǎn)速度、20～25 cm/min提升速度由上至下進(jìn)行旋噴；沖洗，完成噴漿后，將鉆桿、鉆頭提出，對鉆桿、噴嘴進(jìn)行低壓射水沖洗。

全橋共施671根高壓旋噴樁，為驗(yàn)證加固后橋梁地基穩(wěn)固性，假設(shè)三根樁于橋基岸邊，進(jìn)行靜載試驗(yàn)，結(jié)果表明，噴射工藝參數(shù)為壓力22～24 MPa、旋轉(zhuǎn)速度22 r/min、平均提升速度20～25 cm/min、水泥用量200 kg/m、單樁承載力均在設(shè)計(jì)要求50 t之上，樁體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均在設(shè)計(jì)要求4.5 MPa之上。

3.2 橋體結(jié)構(gòu)加固加高

鐵路橋體結(jié)構(gòu)加固是將鋼筋混凝土支撐墻加設(shè)于原箱形框架跨之中，以實(shí)現(xiàn)梁內(nèi)應(yīng)力縮減、承載能力增強(qiáng)、鋼筋混凝土支撐墻厚度及程度各為600，6 m，與箱型框架等寬，利用ABAQUS軟件模擬最差的單個(gè)箱體數(shù)值參數(shù)，以E=1 GPa的柔性材料及E=31.5 GPa混凝土材料進(jìn)行對比計(jì)算，以最差狀態(tài)的地表變形為基礎(chǔ)，橋體沿著長度方向非均勻性沉陷20.4 mm/m，并沿沉陷增大方向非均勻性側(cè)移13.2 mm/m，據(jù)此可獲得原前提加固前后的最大應(yīng)力對比情況如表2所示，以柔性加固時(shí)箱型框架應(yīng)力分布變化較小，而以鋼筋混凝土加固時(shí)箱型框架應(yīng)力分布變化較大，材料應(yīng)用更為充分，且最大應(yīng)力值下降較柔性加固更明顯。

表2 原鐵路橋體加固前后的內(nèi)力變化比較 MPa

傳統(tǒng)橋體加高是以頂升技術(shù)為主，但其僅適用于靜態(tài)情況，下沉量較小，并且加高高度最大限度為幾百毫米，不適用大面積的超量沉陷，而該礦區(qū)橋體下沉量在4 m之上，在完成附近開采工作之后，最大下沉量將達(dá)到8.250 m，并將持續(xù)下沉，為了確保橋梁的正常運(yùn)行，需要對橋體進(jìn)行永久性的動態(tài)加高，以維持原軌道標(biāo)高，結(jié)合開采工作面最大下沉量和暴雨重現(xiàn)期5 a的洪水位要求，分兩階段進(jìn)行橋體下沉治理，第1階段4 m下沉量下滿足運(yùn)行需求，將3.6 m高、2.6 m高的框架橋分別加在原橋兩側(cè)和中間，框架上加橋板，第二階段因?yàn)橄鲁裂永m(xù)時(shí)間長，以填碎石道渣來確保橋梁的正常運(yùn)行，在橋體下沉至7.2 m以上時(shí)，在上一階段前提下構(gòu)建高7.2 m的箱型框架橋，以滿足8.250 m最終下沉量要求。

4 結(jié) 語

大面積采空塌陷區(qū)下建設(shè)的鐵路橋梁，在地表基礎(chǔ)下沉及巖層變形作用下，會發(fā)生大幅度的下沉并超越設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的最大限度，傳統(tǒng)整治方案無法達(dá)到良好的治理效果，需要研制新型整治方案，結(jié)合淮南某礦區(qū)開采地表特點(diǎn)及鐵路鋼筋混凝土橋梁下沉特點(diǎn)，通過地表變形數(shù)值模型的構(gòu)建，來分析地表移動及礦區(qū)橋體結(jié)構(gòu)附加力的變形，及對橋體結(jié)構(gòu)附加力的影響，并根據(jù)分析結(jié)果采用高壓旋噴樁架構(gòu)原橋基礎(chǔ)，使其固結(jié)為一個(gè)整體，并進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)加固加高，由此，在實(shí)現(xiàn)超量動態(tài)沉陷條件下橋體結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性的基礎(chǔ)上，可確保礦區(qū)正常開采秩序。