采空塌陷區橋跨結構探討

趙志軍

1 工程概況

棗木高速公路在K87+150.2處與魯南化肥廠專用線平交。公鐵平交影響了棗木高速的通行能力和服務水平,有關部門決定在此建一座公鐵立交橋。由于擬建地點在煤炭開采形成的采空區上方,雖然地下開采早已結束,地表下沉的活躍期和衰退期也已經結束,但采動覆巖的殘余變形及地下巖層的再次失穩危險仍然存在。因此,有必要對擬建區域進行治理,對擬建橋梁的受力狀況作出模擬和分析。

2 采空塌陷區治理及殘余變形預測

2.1 棗木高速公路下伏采空區工程注漿治理

此采空塌陷區采用注漿治理。注漿孔分為中間注漿孔和邊緣注漿孔,中間孔主要是起到充填加固地基作用,邊緣孔主要起到帷幕作用,防止漿液流失。公路路基填筑范圍內為采空區治理重點部位,各排鉆孔間距應較小;路基兩側保護帶為輔助治理部位,孔間距相對要大些,具體間距根據現場試驗確定。治理范圍邊緣部位布置邊緣帷幕孔,以防漿液流失。

充填注漿材料采用粉煤灰。開始注漿時可用天然砂礫與粉煤灰混合注入,為改善粉煤灰漿體的性能,可加入懸浮劑或其他外加劑,必要時加入水泥、水玻璃等。如果以粉煤灰為主要原料,摻少量水泥制成水泥粉煤灰,再以水泥粉煤灰為主要原料進行注漿,那么通過調整粉煤灰與水泥的配比,則可以調整注漿充填物硬化后的硬度和強度,即達到注漿要求。

2.2 殘余變形預測

高速公路路基下伏采空區變形與穩定性的研究,在國內外都沒有系統的研究成果。到目前為止,針對高速公路下伏采空區問題的研究報道比較少,尚未形成成熟的理論及工程設計體系,無規范、規程可循[1],僅能借助于一些類似工程的成功經驗來分析。采空區變形穩定性評價方法主要有經驗公式法,概率積分法,數值分析法,結構力學法等。

山東棗莊礦區多年來的生產實踐經驗以及相鄰礦井實測資料數據表明,礦區采煤地表移動與變形分布曲線形態基本符合概率積分型分布。本文采用概率積分法預計數學模型。

下沉公式[1]:

通過理論計算和數值模擬分析,該區域的沉陷殘余下沉量約50 mm。

3 梁橋受力狀況模擬

兩跨連續梁橋受力狀況模擬以無下沉無車輛荷載、無下沉有車輛荷載、有下沉而沒有車輛荷載和有下沉且有車輛荷載四種情況做對比分析。

3.1 中墩下沉時的分析

沒有車輛荷載作用下的彎矩和剪力如圖1,圖2所示。有車輛荷載作用的彎矩和剪力如圖3,圖4所示。其最不利車輛荷載布置為:計算彎矩值時,均布荷載(10 500 N/m)在兩跨橋梁上滿布,集中荷載(240 000 N)作用在兩跨的跨中;計算剪力值時,均布荷載(10 500 N/m)在兩跨橋梁上滿布,集中荷載(240 000 N)作用在1號,3號墩頂部的梁上。

3.2 邊墩下沉時的分析

兩跨連續梁橋邊墩下沉而沒有車輛荷載作用時,其產生的彎矩和剪力如圖5,圖6所示。有車輛荷載作用時,其產生的彎矩和剪力如圖7,圖8所示。其最不利車輛荷載布置為:計算彎矩值時,均布荷載(10 500 N/m)在兩跨橋梁上滿布,集中荷載(240 000 N)作用在兩跨的跨中;計算剪力值時,均布荷載(10 500 N/m)在兩跨橋梁上滿布,集中荷載(240 000 N)作用在1號,3號墩頂部的梁上。

兩跨連續梁在各種變形和荷載作用下的彎矩、剪力對比情況如表1所示。

表1 彎矩和剪力對比表

4 結語

采空區注漿處理后,采用兩跨連續梁的形式通過采空區,在各種最不利變形和車載的共同作用下,橋梁沒有出現各種形式的破壞。即使在最不利的情況下,剪力值的增長幅度也較小。因此,采空區經過注漿處理后,采用兩跨連續梁形式通過采空塌陷區在理論上是可行的,對采空區橋梁設計具有一定的指導意義。

[1]童立元,劉松玉,邱 鈺.高速公路下伏采空區危害性評價與處治技術[M].南京:東南大學出版社,2007.

[2]邢玉東,楊 昊.錦州至阜新高速公路煤礦采空區處治設計[J].東北公路,2002,24(4):11-13.

[3]孟廣文,趙衛國.簡明公路橋涵設計實用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.

[4]康 寧,白文彪.談采空區建筑物抗變形措施[J].山西建筑,2008,34(20):81-82.