采動區建筑物的保護措施研究

侯智超 李 玥

0 引言

隨著我國國民經濟的發展，煤炭需求量急劇增加，煤炭開采量隨之加大，煤炭的開采范圍也越來越廣，造成大量的建筑物和構筑物處于礦山采空區之上。采空區上方的地表將產生移動和變形，地表的移動和變形會波及建筑物基礎，使建筑物受到不同程度的影響，威脅建筑物的安全，給社會、企業及居民生命和財產造成了重大的損失。

采動區建筑物保護是一個涉及采礦工程、結構工程、防災減災工程等多學科的綜合性、交叉性問題。由于地質條件、開采方式以及建筑物的基礎、結構形式和地基條件的多樣性和復雜性，使得建筑物保護的研究一直受到制約，進展不大。對此，我們需要加大研究建筑物受采動影響損害的機理，以便更好的保護采動區建筑物。

1 開采變形對建筑物的危害[1]

1.1 地表下沉對建筑物的影響

地表下沉包括均勻下沉和非均勻下沉，地表非均勻下沉就會形成地表傾斜。

地表均勻下沉時，建筑物或構筑物中產生附加應力很小或者沒有。但當地表下沉量較大而地下水位又很淺時，會使潛水位上升，造成建筑物周圍長期積水，改變建筑物基礎所處環境，從而降低地基強度，影響建筑物使用。

1.2 傾斜對建筑物的影響

由于地表傾斜會使建筑物傾斜，重心偏移，因此對一些底面積小而高度大的建筑物如水塔、煙囪、高壓輸電線鐵塔等影響較大。當傾斜較大使建筑物重心的投影會轉移到基礎底面時，可能造成建筑物倒塌。另外傾斜變形會使公路、鐵路、管道、上下水系等的坡度產生變化，從而影響它們的正常工作狀態。

1.3 地表曲率對建筑物的影響

地表曲率變形包括正(凸)曲率變形和負(凹)曲率變形兩種。曲率變形一般對底面積小的建筑物影響小，對長度大的建筑物影響大。正曲率變形情況下，建筑物的兩端處于“懸空”狀態，成為中部有支點的雙懸梁，當引起的附加內力超過其結構承載力時產生倒八字形斷裂。負曲率變形情況下，建筑物中部處于“懸空”狀態，成為兩端支點的簡支梁，引起的附加內力超過其結構的承載力時產生正八字形斷裂。

1.4 地表水平移動變形對建筑物的影響

水平變形通過建筑物基礎的底面和側面，使基礎受到土壤的摩擦力、粘著力和被動土壓力的作用，在建筑物上產生附加的水平拉伸或壓縮應力，通常對建筑物影響較大，因此水平變形是危害建筑物的一個重要因素。建筑物越長，其受到的附加水平應力越大。

1.5 扭曲和剪切變形對建筑物的影響

當建筑物處于下沉盆地主斷面上，但其方位與開采邊界或推進方向斜交時，或者建筑物處于下沉盆地非主斷面時將受到地表剪切、扭轉變形的影響。在地表剪切變形作用下，建筑物的縱橫基礎間將產生相對轉動，使建筑物改變原有的平面形狀。由于兩個橫墻處的地表傾斜值不同，導致地表沿建筑物的縱軸中心線產生扭曲變形，使建筑物出現扭轉變形。當兩個縱墻處的地表傾斜值不同時，將導致地表沿建筑物的橫軸中心線產生了扭曲變形，使建筑物扭轉。

2 采動區建筑物的保護

目前針對采動區建筑物的保護主要包括:減緩地表變形、建筑物加固和修復以及建造抗變形建筑物。

2.1 減緩地表變形

1)開采方法減緩地表變形。

利用開采方法減緩地表變形主要是根據井下煤層厚度、采深和地面建筑物的空間位置關系，科學合理地布置采煤工作面、工作面推進方向、回采時間、回采層數和采煤工藝，使產生的地表變形達到最小。

2)地表注漿減緩地表變形。

煤層上覆巖層力學性質差異較大，且下軟上硬時，煤層采后覆巖在垂直方向上的移動呈現時間和空間上的不連續性和不同步性，于是產生離層。離層形成后，實時地由地面向離層間隙注入粉煤灰等充填材料，達到減小地表變形的目的。這一技術在20世紀 80年代提出，至今還有許多問題尚待進一步研究解決。

3)建筑結構吸收地表變形。

通過開采方法、地表注漿可減緩地表變形，但不可能完全消除地表變形。對建筑物結構采取適當措施，還能吸收消化一部分地表變形。如:在基礎與基礎圈梁之間設置水平滑動層(水平滑動層對吸收水平變形最為有效)，減少基礎的水平變形向上部建筑物傳遞;將較長的建筑物人為設置變形縫，切割成幾個單元的單體，使各單元均勻沉降，提高適應地表變形的能力;在建筑物基礎外側 1m左右，挖變形補償溝，吸收地表壓縮變形。

2.2 建筑物加固與修復

建筑物加固和修復按其施工時間可分為采前加固、開采影響期間的維護以及采后維修。采前加固是防患于未然，其主要措施有支護墻壁、梁端加支柱、門窗洞的支護、增設扶墻柱、局部拆除重砌加固等。采后維修主要有對已傾斜建筑物調平扶正(成本約占房屋造價的 40%)、基礎圈梁下面加彈簧墊(德國采用成組的彈簧墊置于房屋基礎之下以抵償地表不均勻沉降變形，但成本較高，約占房屋造價的 60%)、給墻壁裂縫修補勾縫和噴漿等。建筑物加固和修復在低潛水位地區和地表變形較小情況下不失為有效和經濟的方法。

2.3 建造抗變形建筑物

建造抗變形結構建筑主要措施有剛性保護措施和柔性保護措施。

1)剛性保護措施。提高建筑物整體或局部的強度和剛度，以抵抗地表變形影響的措施稱為剛性保護措施。剛性保護措施不能從根本上消除和減緩地表變形，是一種被動保護措施。如果地表變形預計過大，抗變形設計過于保守，會導致經濟上不合理;如果地表變形預計過小，抗變形結構設計不足以抵抗地表變形，仍會造成建筑物的損害。在準確的地表變形預計下，抗變形建筑的設計工作也是一個重要環節，其設計原則是以地表變形等級劃分為基礎，相應提出保護措施。

2)柔性保護措施。這一措施的實質是引導變形集中，吸收大部分地表變形能，提高建筑物抗變形能力。具體做法是人為的在建筑物上部結構或地基基礎上形成弱面，用以吸收部分(甚至全部)采動引起的地表變形，或阻斷地表變形的傳遞和擴展，使建筑具有足夠的地表變形適應性，從而減小結構中的附加應力和可能的變形。

3 采動區建筑物保護的今后工作展望

1)通過現場實測、室內相似試驗以及有限元模擬相結合，進一步加大地表變形對采動區各種結構形式建筑物影響機理的研究，為采動區建筑物保護提供更好的理論基礎。

2)在充分預計地表移動變形基礎上，結合不同結構形式建筑物的附加內力和變形特點，進行抗變形設計。目前對于砌體結構和混凝土框架結構的抗變形性能研究較為成熟，在采動區也得到了應用。而鋼框架以及輕鋼結構的抗變形性能更好、自重更輕，是一種更適合采動區上方地表變形的結構形式，今后應該在采動區推廣應用。

3)從礦區建筑物保護角度出發，如果將地基與建筑物基礎的協同工作作為一個系統來考慮，著眼于地基與建筑物基礎的協調工作，采取措施吸收地表變形能，提高建筑物自身的抗變形能力，可能會有新的思路(滑動層就是一個很成功的措施)。

4)我國是一個多地震國家，而且礦區有 80%以上位于地震區。因此在采動區建筑物需要既抗震又抗變形的雙重保護。目前采動區建筑物抗震抗變形雙重保護機理還多是局限于理論研究和試驗數值模擬階段，在實際工程中還沒有得到廣泛的推廣應用。因此，在今后的抗變形研究中，應該考慮地震瞬時荷載的影響，做到抗變形設計與抗震設計相結合，避免資金重復使用，同時能夠提高建筑物的綜合抗變形—抗震能力。

5)隨著煤炭生產的發展，礦區的地面建筑物越來越多，而且部分建筑物需興建在采動區影響范圍之內。如果在采動區新建建筑物時，能根據開采后地表變形對建筑物影響的程度，對新建建筑物采取合理的抗變形技術措施，使建筑物能有效地抵抗地表變形的影響，就可以經濟合理地解決地下開采與地面建筑物保護的矛盾。

[1] 周國銓，崔繼憲.建筑物下采煤[M].北京:煤炭工業出版社，1983.

[2] 秦 杰.采動區磚混結構房屋雙重保護的研究[D].徐州:中國礦業大學，1999.

[3] 夏軍武.采動區地基—基礎—鋼框架結構共同作用機理及抗變形研究[D].徐州:中國礦業大學，2005.

[4] 付士根，李全明，王云海，等.采空區對地表建筑物的影響評價方法研究[J].中國安全科學學報，2007，17(8):144-147.

[5] 鄒友峰.礦山開采沉陷工程[M].北京:中國礦業大學出版社，2003.

[6] 朱傳禮，常鴻飛.采動區抗變形設計探討[J].徐州建筑職業技術學院學報，2006，6(2):9-11.