浅谈煤矿采空区上桥梁顶升加固设计

【摘 要】地下采空区的几何形状，空间大小对地面运动有直接联系，而地表运动的性质及规模又与采空区的深度有关。采空区工程地质特征说明，采空区冒落塌陷对采空区的建筑桥梁建设存在破坏性。笔者简要分析了采空区对基础的影响，主要说明了采空区桥梁的加固顶升设计，并对设计进行了优势分析。为解决类似的工程提供了经验。

【关键词】采空区；铁路桥梁；顶升；加固

一、采空区工程地质特征

地下采空区的几何形状，空间大小对地面运动有直接联系，而地表运动的性质及规模又与采空区的深度有关。国内外采矿经验认为采厚比大于30，地层中没有较大的地质破坏情况下，煤采出一定面积后，会引起岩层移动并波及到地表，其地表沉陷和变形在空间上和时间上都有明显的连续特征和一定的分布规律，常表现为地表移动盆地。在采厚比小于30情况下，煤采出一定面积后，会引起岩层移动并波及地表，其地表沉陷和变形在空间上和时间上都有明显的不连续特征，地表变形剧烈，煤矿采空区上方的地表常形成较大的裂缝或塌陷坑（在此种情况下，应谨慎选择加固处理的方案）。

二、采空区冒落塌陷破坏性在地表表现的几个方面

（1）造成地基下沉，如果在竖直方向上产生拉伸变形，将引起地基本身松弛，还可能在不同土质界面上产生脱层，这将影响地基承载力，加大地表的倾斜和拉伸变形，对地基的稳定性产生影响。（2）地基下沉的同时，必然伴随着水平方向上的移动。垂直于路线方向的横向移动会改变桥梁基础原有的方向，沿桥梁纵向的地表水平变形会使地基受到拉伸与压缩。（3）冒落塌陷的不连续与无规律沉降，使得路面的原有坡度出现无规律变化。（4）线路的平移，将改变线路的原有方向，在行车荷载作用下，极易发生事故。

三、桥梁的加固顶升设计

（1）采空区对基础的影响。对道路工程而言，隐伏采空区可能引起道路工程构筑物的失稳破坏。采空区引起桥梁基础塌陷形成的原因主要有：人为因素，如荷载及振动、抽取地下水、坑道排水等；自然因素，如采空区顶板岩层的厚度及岩性、地表水及大气降水渗入、河流水位升降与地震等。（2）桥梁的加固顶升设计。设计依据：主要有石台矿地测科提供的《石台矿铁路桥沉降变形观测资料》及中国矿大编制的《石台矿铁路桥下采煤研究报告》。这里采用张石铁路龙河桥的加固设计加以说明：张石铁路龙河桥的加固顶升工程分两期进行。一期是墩台加固工程，二期是顶升加固工程。从1999年6月4日到2001年4月18日第60次观测记录，大桥沉降拉压已基本恢复正常，为顶升提供条件。（3）设计目标。第一，桥台桥墩加高1500，桥梁顶升1500；第二，确保解决桥梁在顶升时的位置偏移问题；第三，解决抬梁垫块的可操作性及通车稳定问题。（4）主要设计步骤。第一，限位设计。在桥梁的四角设置限位装置，以解决桥梁在顶升过程中可能发生的侧向位置偏移。第二，墩台加高设计。墩台均用钢筋混凝土结构加高，抬桥所用钢构件将永久浇铸在钢筋混凝土内（包括预制垫块及钢支撑）。桥墩的加高应分段进行，用C25砼现浇，竖向钢筋采用双面焊接接头，搭接长度为6倍钢筋直径，搭接部位在上一次砼浇捣平面上（过长的外露钢筋将影响桥梁的顶升操作）。第三，梁的顶升设计。铁路桥的顶升高度为1500。根据铁路桥检修规定，桥梁顶升只能在一端进行，不得两端同时顶抬。故决定两端均带销交叉顶升，以确保二根梁的相对稳定和安全。五跨桥梁应同时顶升同一端，置入垫块后应安放临时支座，并插入销钉。垫块随即与桥台桥墩可靠连结。第四，桥梁梁端钢垫块设计。中国矿大在“铁路桥下采煤研究报告”中提出，每次抬桥高度为300mm，抬桥所用垫块应符合以下要求：强度大重量轻，便于安装就位；满足临时通车安全要求。第五，桥台钢轨枕木砼垫块设计。桥台钢轨枕木砼垫块400X500X290用C30砼预制，内配构造钢筋，每皮就位后用水泥砂浆找平。第六，转动角、梁的侧向、纵向位移控制。利用已加固桥墩的几何尺寸，制作钢构架，使其具有足够抵抗在顶升过程中桥梁产生的相应位移的强度与稳定。第七，其余要注意的事项。桥台道碴槽应提前改造，以准备垫块抬桥；抬桥时清除梁端600范围内道碴，并取出铁盖缝伴，同时断开桥面钢轨接头；抬桥梁时不动端必需带销，以防不动端出现滑移。

国内通常处理类似的方法有两种，一是在不影响井下开采的地方新建桥，铁路改线绕行，但这将牵扯到征地、投资巨大；二是将原有桥梁改为大箱涵，此种方法投资大，且影响火车正常通行。本工程另辟溪径，以较低的投资，较短的工期，成功的解决了桥梁加固与顶升问题，同时通过在施工期间限制运煤火车时速等方法保证了煤矿的正常生产，并在桥下开采出65万吨优质煤炭，取得了一系列的社会、经济效益。本桥顶升工程是集起重、重物位移、建桥、铁路交通、采矿、桥梁设计与加固、桥梁施工等较多复杂因素一起，经各相关专业专家共同合作，攻坚克难，解决了中型铁路桥下采煤而桥上基本保持铁路正常通行的重大技术难题。是目前国内“三下”（建筑下、水下、桥梁下）采煤的一个成功范例，为以后类似的情况提供了参考。