鋼波紋管在露天煤礦運輸系統(tǒng)中的方案研究

康孝孔

(中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

近年來，為了解決原煤運輸系統(tǒng)與剝離運輸系統(tǒng)交叉問題布置了一些立交工程，但各個露天煤礦地質條件、通行車輛、礦內生產(chǎn)條件等方面差異較大，并未推廣使用。筆者通過對大跨徑鋼波紋管的研究，給西灣露天煤礦運輸系統(tǒng)立交工程提供一種選擇方式，供類似露天煤礦的建設以借鑒。

1 研究主要內容

西灣露天煤礦的原煤運輸系統(tǒng)布置在露天煤礦的東幫，內排土場在南側，剝離物流向：剝離工作面→工作面移動坑線→端幫運輸?shù)缆贰鷥?外排土場；煤炭流向：采煤工作面→非工作幫/工作幫移動線路→地表運煤道路→破碎站。生產(chǎn)中50～70 t級的運煤車輛和剝離物運輸車輛存在不可避免的交叉通行，車輛相互避讓，存在著安全隱患。隨著后期自營220 t級的運煤自卸卡車投入使用，與50～70 t級的剝離運輸車在噸位、視距、車型相差較大，平面交叉通行存在的安全隱患更加突出。如果剝離車輛需繞西幫單環(huán)運輸，相對運距增加約2.0 km，影響露天煤礦經(jīng)濟效益。根據(jù)西灣露天煤礦目前運輸情況，采用立交工程解決2種不同噸位礦用大型車輛的交叉問題，提高運輸效率和降低礦山交通安全事故率，使西灣露天煤礦的建設能夠取得更好的效益。

結合西灣露天煤礦運輸系統(tǒng)情況，提升露天煤礦區(qū)鋼波紋管使用的合理性，開展鋼波紋管在露天煤礦運輸系統(tǒng)中方案可行性研究。根據(jù)不同車輛交叉位置展開研究，確定最合理、經(jīng)濟的波紋管技術指標。為了便于方案比較，將原煤運輸?shù)缆飞贤ㄐ械?20 t級礦用卡車定義為大車，剝離運輸?shù)缆飞贤ㄐ械?0 t級自卸車定義為小車。西灣露天煤礦原煤和剝離運輸系統(tǒng)立交通道示意如圖1所示。

圖1 運輸系統(tǒng)立交通道示意Fig.1 Interchange passage of transportation system

1.1 方案一

大車在下，小車在上，橋下單車道分離式。

1.1.1 總體布置

原煤運輸?shù)缆废麓﹦冸x運輸?shù)缆?，在開挖后的原煤運輸?shù)缆飞掀叫性O置兩孔鋼波紋管，管內通行220 t級運煤自卸卡車，分離式單車道行駛，管頂上通行60 t級排土車輛。為保障兩管道之間回填壓實質量，兩管之間凈距設置為5 m。

涵內220 t級大型礦用卡車道路寬度布置，根據(jù)規(guī)范要求，單車道行車道寬度不小于14.0 m，兩側路緣帶寬度為0.75 m，涵內道路總寬度不小于15.5 m。按照規(guī)范要求，涵內道路凈空高度應為車輛滿載物料后的最大高度另加0.5～1.0 m的安全高度。220 t級大型礦用卡車堆高按2∶1計算，堆高高度為2.15 m，涵內道路凈空高度為6.4+2.15+1.0=9.55 m(取1 m安全高度)。

結合以上道路建筑限界要求，方案一采用2孔20 m×11.6 m鋼波紋管可滿足220 t級運煤車輛通行要求。考慮到波紋管位于地基較好的地面上，為提高跨徑和節(jié)約鋼材，波紋管采用開口馬蹄形結構，分別由2個半徑為8 m和1個半徑為20 m的三心圓構成。方案一單幅標準斷面如圖2所示。

圖2 方案一單幅標準斷面(單位：cm)Fig.2 Single standard section of scheme I(unit：cm)

1.1.2 鋼波紋管長度

管道長度主要是由管道上路基寬度和洞口長度決定的，露天煤礦運輸?shù)缆仿坊鶎挾扔?部分組成，即行車道寬度、路肩寬度和安全擋墻寬度，洞口長度主要取決于上路基高度和路基坡率。

管頂60 t級非公路自卸卡車雙車道路路面寬度為12.0 m，單側路肩寬度1.5 m。道路兩側應設置安全擋墻，頂寬1 m，高度1.5 m，擋墻邊坡坡率1∶1，底寬4 m。涵頂60 t級非公路自卸卡車道路路基寬度為23 m。交叉道路高差為13.6 m，路基兩側邊坡坡率為1∶1.5，采用坡口削竹式洞口，洞口坡腳采用石籠防護，經(jīng)計算，所需鋼波紋管單孔長度為55 m。方案一立面如圖3所示。

圖3 方案一立面(單位：cm)Fig.3 Vertical section of scheme Ⅰ(unit：cm)

1.1.3 結構形式

本立交方案采用2孔20 m×11.6 m鋼波紋管，拱圈采用雙層Q345熱軋鋼波紋板，拱圈內采用C40混凝土澆筑，每層鋼板波高500 mm、波距200 mm，鋼板厚度10 mm，鋼混拱圈厚度0.5 m?？v向每榀拱肋寬度為1.5 m，每榀由3塊拱肋構成，每榀之間設置橫隔板，采用高強螺栓對接安裝。

基礎采用鋼筋混凝土擴大基礎，一級基礎寬度為2.5 m，二級基礎寬度為4.5 m，每級高度均為1 m，鋼波紋管與混凝土基礎采用螺栓連接。

管涵兩側均采用礦內碎石土分層壓實回填，每層厚度不超過30 cm，壓實度不小于96%，拱頂填土高度為2 m。

1.2 方案二

大車在下，小車在上，橋下雙向兩車道式。

1.2.1 總體布置

在開挖后的原煤運輸?shù)缆分行奶幵O置一孔大跨徑鋼波紋管，鋼波紋管內通行220t級運煤自卸卡車，雙向雙車道行駛，兩行車道中間設置安全土堤，管頂上通行60 t級排土車輛。

涵內220 t級大型礦用卡車道路寬度布置，根據(jù)規(guī)范要求，雙車道行車道寬度不小于27 m，兩側路緣帶的寬度為0.75 m，涵內道路總寬度不小于28.5 m。

涵內道路凈空高度與方案一一致，要求凈高不小于9.55 m。

結合以上道路建筑限界要求，本方案采用1孔30 m×12.5 m鋼波紋管可滿足220 t級運煤車輛通行要求?？紤]到波紋管位于地基較好的地面上，為提高跨徑和節(jié)約鋼材，波紋管采用開口馬蹄形結構，由2個半徑為8 m和1個半徑為50 m的三心圓構成。方案二單幅標準斷面如圖4所示。

圖4 方案二單幅標準斷面(單位：cm)Fig.4 Single standard section of scheme Ⅱ(unit：cm)

1.2.2 管道長度

管道長度確定方式與方案一相同，涵頂60 t級非公路自卸卡車道路路基寬度為23 m。道路高差為14.5 m，路基兩側邊坡坡率為1∶1.5，采用坡口削竹式洞口，洞口坡腳采用石籠防護，經(jīng)計算，所需鋼波紋管長度為55 m。方案二立面如圖5所示。

圖5 方案二立面(單位：cm)Fig.5 Vertical section of scheme Ⅱ(unit：cm)

1.2.3 結構形式

本立交方案采用1孔30 m×12.5 m鋼波紋管，拱圈采用雙層Q345熱軋鋼波紋板，拱圈內采用C40混凝土澆筑，每層鋼板波高500 mm、波距200 mm，鋼板厚度10 mm，鋼混拱圈厚度0.6 m?？v向每榀拱肋寬度為1.5 m，每榀由3塊拱肋構成，每榀之間設置橫隔板，采用高強螺栓對接安裝。

基礎采用鋼筋混凝土擴大基礎，一級基礎寬度為2.5 m，二級基礎寬度為4.5 m，每級高度均為1 m，鋼波紋管與混凝土基礎采用螺栓連接。

管涵兩側均采用礦內碎石土分層壓實回填，每層厚度不超過30 cm，壓實度不小于96%，拱頂填土高度為2 m。

1.3 方案三

大車在上，小車在下，橋下單車道分離式。

1.3.1 總體布置

波紋管內通行60 t級自卸卡車，管頂上通行220 t級運煤自卸卡車，設置兩孔波紋管，兩孔之間凈距為5 m。管內60 t級自卸卡車分離單車道行駛。方案三立交標準斷面如圖6所示。

圖6 方案三立交標準斷面Fig.6 Standard interchange section of scheme Ⅲ

根據(jù)規(guī)范要求，涵內60 t級自卸車單車道行車道寬度不小于6.0 m，兩側路緣帶寬度為0.75 m，涵內道路總寬度不小于7.5 m。

涵內道路凈空高度應為車輛滿載物料后的最大高度另加(0.5～1.0 m)的安全高度。60 t級自卸車涵內凈空高度要求不小于5.645 m。

結合以上道路建筑限界要求，本方案采用2孔10 m×9.2 m鋼波紋管可滿足60 t級排土車通行要求?？紤]到管頂為重型車輛，波紋管采用閉口馬蹄形結構，由半徑分別為5 m、15 m的四心圓構成。

1.3.2 管道長度

管道長度確定方式與前兩方案相同，涵頂220 t級大型礦用卡車雙車道路路面寬度為32.0 m，單側路肩寬度為2.0 m。道路兩側應設置安全擋墻，路基總寬度為45 m，道路高差為15 m，路基兩側邊坡坡率為1∶1.5，采用延長式洞口，洞口坡腳采用石籠防護，經(jīng)計算，所需鋼波紋管單孔長度為80 m。

1.3.3 結構形式

本立交方案采用2孔10 m×9.2 m鋼波紋管，拱圈采用雙層Q345熱軋鋼波紋板，每層鋼板波高380 mm、波距140 mm，鋼板厚度10 mm，鋼混拱圈厚度0.6 m。采用高強螺栓連接，波紋管斷面采用雙肋加強構造。

鋼波紋管采用埋置式閉口形式。管涵兩側均采用礦內碎石土分層壓實回填，每層厚度不超過30 cm，壓實度不小于96%，拱頂增設土工格柵分層回填，最佳填土高度為6 m。方案三立面如圖7所示。

圖7 方案三立面(單位：m)Fig.7 Vertical section of scheme Ⅲ(unit：m)

2 方案比選

本工程主要有鋼波紋管涵主體結構、管道兩側碎石土回填、監(jiān)測系統(tǒng)及其他附屬工程。3種方案主要工程量及投資估算見表1。

表1 3種方案主要工程量及投資估算Table 1 Main quantities and investment estimation of three schemes

從表1中可以看出：方案三跨度小，用鋼量少，投資最低，但管道長、回填工程量大，最關鍵考慮到小車在下、大車在上這種交叉形式目前不適用于西灣露天運輸系統(tǒng)，故本次不推薦該方案。方案一相對孔徑較小，施工相對容易，車道分離設置行車安全性較好，因設置兩孔鋼波紋，用鋼量大，投資高，從經(jīng)濟方面考慮，推薦選用方案二(大車在下，雙車道)。

3 基礎適應性

常規(guī)鋼波紋管是采用波紋狀弧形板通過連接、拼裝形成的一種閉口形式，是典型空間薄殼柔性結構，與周圍填土發(fā)生土鋼相互作用，形成一個拱性和彈性的復合受力結構，大大提高了變形能力和地基適應能力。鋼波紋管軸向波紋的存在使鋼波紋管具有良好的受力特征，荷載的應力集中可以分散更大，尤其在各類不良工程巖土地區(qū)如：軟土地區(qū)、回填區(qū)、膨脹土地區(qū)、濕陷性黃土地區(qū)發(fā)揮鋼材結構的優(yōu)勢。埋置式鋼波紋管依靠土與結構之間的相互作用發(fā)揮其承載力。作為大跨徑結構作用在基礎上的壓力比作用在旁邊結構回填材料上的壓力小，地基承載力的要求一般與支撐側面填料且不發(fā)生過度沉降的需要有關。鋼波紋管可選擇開口型或閉口型等形式以適應各種地質情況和功能要求。

結合西灣露天煤礦立交工程初步擬定位于開挖后地面上，鋼波紋管基礎位于1140平盤上，參照附近已剝離土層地質情況，1140平盤以下為巖石層，因此，鋼波紋基礎采用擴大基礎是合理的、可靠的。

4 拆除利用

結合西灣露天煤礦剝離面、排土面向前不斷推進，立交工程應多次拆裝搬運，盡量做到快速拆除、運輸和安裝，降低對露天煤礦生產(chǎn)組織的影響，節(jié)約投資。

在方案研究過程中充分考慮了后期拆除和安裝，每榀寬1.5 m，端頭設置橫隔板，橫隔板之間采用高強螺栓連接，每榀最大拱肋為拱頂肋，其重量不超過33 t，符合常用吊機機械化施工條件，但重載大跨徑鋼波紋管國內可借鑒工程甚少，目前仍在研究階段，在重載運行下鋼波紋板拱圈會產(chǎn)生一定的變形。經(jīng)過理論模型計算，最大變形量在拱頂處為71.3 mm，其它斷面也出現(xiàn)小范圍內變形，給鋼波紋管拆除和重新安裝帶來了困難。因此，重載大跨徑鋼波紋管的拆除和利用仍然需要通過工程實施總結，從理論和實踐工程中探索如何提高鋼波紋管涵在煤礦應用中的二次回收利用率，以降低后期工程建設投資。

5 結論

采用波紋管涵解決了原煤運輸系統(tǒng)和剝離運輸系統(tǒng)交叉問題，一定程度上杜絕了原露天煤礦運輸系統(tǒng)平面交叉帶來的安全隱患，采用鋼波紋管解決礦用車輛立交問題技術上是可行的。另外，因礦用卡車尺寸大，車道寬、荷載重，所需鋼波紋管跨徑較大，通道長，用鋼量大，投資較高。根據(jù)西灣露天煤礦目前生產(chǎn)現(xiàn)狀以及擬建在地質條件較好的地基上的情況，通過比較后發(fā)現(xiàn)，重載大跨徑鋼波紋管在經(jīng)濟方面優(yōu)勢不明顯。后期可從理論研究和實踐工程中探索如何提高鋼波紋管涵在煤礦運輸系統(tǒng)應用中的二次回收利用率，降低后期工程建設投資。