采煤沉陷區(qū)橋梁加固補(bǔ)強(qiáng)方案研究綜述

宋蒙恩 王瑋 張慶太 何容

(1.華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045；2.中國電建集團(tuán)港航建設(shè)有限公司，天津 300467)

我國煤炭開采量連年居世界第一，煤炭的大量開采形成了許多采空區(qū)，采空區(qū)周圍的圍巖和上部覆蓋巖層原始應(yīng)力狀態(tài)和完整性被破壞。建在沉陷區(qū)上的橋梁基礎(chǔ)會(huì)產(chǎn)生較大的不均勻沉降，以及較大的變形和附加內(nèi)力，致使橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫、變形甚至倒塌。目前國內(nèi)外對于采煤沉陷區(qū)橋梁的沉陷治理方式主要有：對原有橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行頂升加固、對沉陷區(qū)地基進(jìn)行處理和改進(jìn)橋梁的結(jié)構(gòu)形式。

本文綜述了目前國內(nèi)外關(guān)于采煤沉陷區(qū)橋梁加固補(bǔ)強(qiáng)相關(guān)研究成果，并說明了各種方案的適用條件和不足之處。

1 采煤沉陷區(qū)橋型選擇研究現(xiàn)狀

在采煤沉陷區(qū)，選用剛度較大的框架結(jié)構(gòu)橋梁，可以采用更小厚度的頂板和底板以減小結(jié)構(gòu)整體自重和基礎(chǔ)底部的應(yīng)力值，而且在施工過程中對既有橋梁進(jìn)行加固不影響線路的正常運(yùn)營。

周鵬程提出了一種采煤沉陷區(qū)框架橋交替加高技術(shù)。這種技術(shù)可以應(yīng)對較大的沉降量，對鐵路線路的生產(chǎn)運(yùn)營影響較小。由于框架橋交替加高施工是在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行續(xù)建，增大了結(jié)構(gòu)整體的自重，所以該技術(shù)僅適用于已經(jīng)沉降的區(qū)域。

張清峰等以謝橋煤礦濟(jì)河鐵路運(yùn)煤專線為例，提出采用高壓旋噴注漿對箱涵地基進(jìn)行加固的方法。這種方法在加固的同時(shí)不影響橋梁的運(yùn)輸能力，每個(gè)箱涵結(jié)構(gòu)都可以獨(dú)立發(fā)生變形。但這種方法需要在箱涵結(jié)構(gòu)底板上鉆孔，會(huì)降低結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度。

夏軍武等對某礦區(qū)專用鐵路橋進(jìn)行研究，提出了在原有橋梁上分兩個(gè)階段加高，最終滿足沉降要求。該方法確保了橋梁在地基大幅度沉降后的結(jié)構(gòu)安全。

陳倩倩提出了采煤沉陷區(qū)箱梁橋采用框架結(jié)構(gòu)，分析了基底附加應(yīng)力和位移變化規(guī)律。結(jié)果顯示，采用箱型框架結(jié)構(gòu)可以有效減少基底最大附加應(yīng)力和位移。該方法適用于地基承載力不高的區(qū)域，但空心的結(jié)構(gòu)形式提高了箱梁的建造成本和建造難度。

孫銀榮提出了一種帶有扶壁的箱型結(jié)構(gòu)。研究顯示，帶有扶壁的箱型結(jié)構(gòu)承載力明顯提升；隨著續(xù)建高度增加，帶扶壁的箱型結(jié)構(gòu)底板和腹板的承載能力更高。

崔燦提出了一種可續(xù)建的U型框架結(jié)構(gòu)橋梁。這種結(jié)構(gòu)可以抵抗較大的變形和應(yīng)對較大的沉降量，但在續(xù)建施工期間鐵路線路無法正常使用。

沈英男開展了采煤沉陷區(qū)框架橋的模型試驗(yàn)。結(jié)果顯示，當(dāng)橋梁上部荷載較小時(shí)，荷載的增加對于結(jié)構(gòu)的承載能力是有利的。當(dāng)在箱涵上部續(xù)建箱涵時(shí)，上下層箱體之間采用濕接縫連接有利于提高框架結(jié)構(gòu)的承載能力。

根據(jù)文獻(xiàn)，目前對于采煤沉陷區(qū)建筑物的研究主要為建筑物的沉降規(guī)律、基底附加應(yīng)力和變形以及對建筑物的加固措施，對于采煤沉陷區(qū)橋梁承載能力特性的研究較少，尤其是抗變形組合框架橋的研究。因此未來可以研究地表的曲率、水平變形以及水平移動(dòng)對箱梁承載能力的影響規(guī)律，研究箱梁的組合形式、數(shù)量以及對地基承載能力的影響規(guī)律。

2 橋涵頂升加固研究現(xiàn)狀

采煤沉陷區(qū)橋梁處于不均勻沉降的基礎(chǔ)上，破壞形式主要有：橋梁整體發(fā)生明顯的傾斜；箱式框架結(jié)構(gòu)的腹板扭曲、開裂甚至損壞；頂板的開裂。根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)形式和所處位置地表沉降的特點(diǎn)，可采用不同的方法對原有橋涵結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固和改良。近年來，橋梁頂升技術(shù)逐漸在國內(nèi)廣泛應(yīng)用，頂升是通過千斤頂及其他輔助設(shè)備，在保持橋梁原有受力狀態(tài)下將橋梁上部結(jié)構(gòu)移動(dòng)至設(shè)計(jì)高度的橋梁防護(hù)技術(shù)。這種方法施工速度快、投資少，且不中斷交通，也適用于采煤沉陷區(qū)橋梁的治理。

我國最先應(yīng)用頂升技術(shù)對橋梁進(jìn)行加固改造的是天津市獅子林橋。這種技術(shù)最大限度地保留了獅子林橋的原貌和使用功能，與拆除重建相比，縮短了工期并節(jié)約了62%的資金。

袁鑫等以成都某高架橋?yàn)槔?，研究了橋梁在大行程頂升過程中的力學(xué)行為，改進(jìn)了彈性地基梁假設(shè)不能反映出基礎(chǔ)和承臺(tái)的真實(shí)力學(xué)特性，并且考慮了結(jié)構(gòu)非線性，為類似的大行程橋梁頂升工程提供了參考。

楊洋以北江大橋連續(xù)梁頂升改造工程為背景，總結(jié)了橋梁解聯(lián)過程和操作要點(diǎn)，提出應(yīng)該以解聯(lián)后橋梁的應(yīng)力、變形和橋型為關(guān)鍵要素，判斷解聯(lián)方案的可行性以及解聯(lián)過程的安全性，對原橋進(jìn)行加固處理。

劉長卿以某立交引橋整體頂升工程為例，闡明了施工過程關(guān)鍵技術(shù)，提出了交替頂升的方案。

張洪善對南浦大橋頂升工程進(jìn)行研究，監(jiān)測頂升過程中橋梁的內(nèi)力。實(shí)時(shí)監(jiān)測蓋梁的變形和位移，有助于了解頂升過程中橋梁的應(yīng)力和變形的變化規(guī)律。

徐漢江分析了不同橋型整體頂升的安全性，認(rèn)為梁式結(jié)構(gòu)體系和無水平推力的拱式結(jié)構(gòu)可采取合理的措施進(jìn)行安全頂升，并對平旺運(yùn)河整體頂升進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析。結(jié)果顯示：相對于整體拆除重建，橋梁結(jié)構(gòu)整體頂升的造價(jià)可節(jié)約90%。

洪宜峰以某特大橋?yàn)槔?，介紹了長聯(lián)橋梁大行程頂升施工中的關(guān)鍵技術(shù)和施工方法，分析了不同荷載組合情況下支撐體系的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，并驗(yàn)算了最不利荷載情況下支撐體系的應(yīng)力狀態(tài)。

目前國內(nèi)橋梁頂升加固技術(shù)有著從簡支梁橋到連續(xù)梁橋和鋼構(gòu)橋、從小跨徑橋梁到大跨徑橋梁、從豎向頂升到水平移動(dòng)的發(fā)展趨勢。頂升方案考慮的因素逐漸增多，頂升技術(shù)逐漸成熟，由各部分分別頂升到橋梁整體同步頂升，由人工控制液壓系統(tǒng)到PLC智能液壓控制。隨著相關(guān)規(guī)范的制定與完善，以及智能化設(shè)備的研制，橋梁頂升技術(shù)的應(yīng)用會(huì)更加廣泛。

3 采空區(qū)地基加固研究現(xiàn)狀

長期大規(guī)模的地下煤炭開采，采空區(qū)逐漸擴(kuò)大，上部的巖層逐漸失去支撐，產(chǎn)生沉降甚至坍塌，對生產(chǎn)橋產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅]。因此對于采空區(qū)的治理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

根據(jù)文獻(xiàn)，目前采空區(qū)地基處理措施主要有如下4種：

（1）將采空部分進(jìn)行充填，可以徹底消除地基不均勻沉降對上部橋梁的危害。充填方法有注漿、水力和風(fēng)力充填，其中注漿充填因其效果好而運(yùn)用廣泛。但若遇到溶洞、暗河等會(huì)浪費(fèi)大量注漿材料且充填效果差，因此該方法適用于地下情況已探明的采空區(qū)。

（2）在采空區(qū)設(shè)置墩柱、注漿柱或大直徑的鉆孔樁對采空區(qū)頂部覆巖進(jìn)行支撐，減小其空間跨度，防止上部巖體垮塌。該方法需要評估采空區(qū)頂部覆巖的承載力情況，通過合理設(shè)置支撐的位置和數(shù)量達(dá)到加固效果，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)效益。

（3）加固采空區(qū)各方位的圍巖結(jié)構(gòu)，對斷裂帶進(jìn)行充填，提高圍巖結(jié)構(gòu)整體性和剛度，使采空區(qū)只產(chǎn)生相對均勻的沉降。該方法并不能徹底治理采空區(qū)的沉降，只適用于沉降緩慢的區(qū)域。

（4）對于地表尚未開發(fā)利用的采空區(qū)，可以采取措施加快沉降速度，待沉降穩(wěn)定后再建造橋梁。常用方法有堆載預(yù)壓和水誘導(dǎo)沉降法。

開采沉陷區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，采空區(qū)的危害性難以預(yù)估，因此需要采取合理的預(yù)測和評估方法。采空區(qū)治理后的效果評價(jià)雖有眾多手段，但是沒有成熟的規(guī)范或規(guī)程可依，評估標(biāo)準(zhǔn)的合理性有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)語

本文從采煤沉陷區(qū)抗變形框架橋、橋梁頂升加固技術(shù)和采空區(qū)地基加固3個(gè)方面綜述了采煤沉陷區(qū)橋梁加固補(bǔ)強(qiáng)治理相關(guān)研究。抗變形框架橋方面的研究主要集中在地表沉降引起地上建筑產(chǎn)生變形、附加應(yīng)力以及相應(yīng)的加固措施?，F(xiàn)階段的抗變形框架橋可應(yīng)對的沉陷高度較小，橋梁雖可以逐漸加高，但在施工過程中線路無法正常運(yùn)行，經(jīng)濟(jì)價(jià)值不高?？梢赃M(jìn)一步研究出可抵抗更大沉降量的框架結(jié)構(gòu)，或采用輕質(zhì)高強(qiáng)的材料減輕地基的負(fù)載。橋梁整體頂升技術(shù)已逐漸智能化方向發(fā)展。作為施工速度快且經(jīng)濟(jì)效益高的技術(shù)，以后將會(huì)得到廣泛應(yīng)用。目前關(guān)于簡支梁橋和簡單連續(xù)梁橋的整體頂升技術(shù)研究較多，可以進(jìn)一步研究鋼構(gòu)橋和拱式橋的整體頂升技術(shù)。采空區(qū)地基加固措施相對單一且尚無系統(tǒng)成熟的規(guī)范可遵循，未來有關(guān)學(xué)者可加強(qiáng)研究。