小伙盤大橋采空區治理加固范圍分析

張 京 王恩波 龐 磊

(1.陜西能源職業技術學院，陜西 咸陽 712000;2.陜西工業職業技術學院土木工程學院，陜西 咸陽 712000； 3.西北有色勘測工程公司，陜西 西安 710054)

小伙盤大橋采空區治理加固范圍分析

張 京1王恩波2龐 磊3

(1.陜西能源職業技術學院，陜西 咸陽 712000;
2.陜西工業職業技術學院土木工程學院，陜西 咸陽 712000； 3.西北有色勘測工程公司，陜西 西安 710054)

介紹了小伙盤大橋工程的地質概況，對橋下采空區的情況進行了調查，根據荷載在土中的擴散規律，對小伙盤大橋的橋基影響范圍進行了計算，確定了治理加固范圍，對類似工程的治理具有一定的參考意義。

采空區，治理，荷載傳遞，加固范圍

1 概述

1.1 工程概況

K31+485小伙盤大橋位于大(柳塔)至石(馬川)一級公路K31+221.9～K31+740.1路段，橋梁全長518.2 m，橋梁結構為17 m×30 m預應力混凝土連續箱梁，最大橋高50 m；線路穿越處為黃土梁峁溝壑及黃土沖溝地貌，該里程段地形起伏變化較大。

通過對該區域進行鉆孔勘探，在橋梁東側K31+540～K31+760路段(11號～17號樁基)發現采空區，高度2.1 m，考慮到橋梁的安全性及正常使用，要對該區域進行采空區治理；橋梁西側K31+240～K31+540路段(1號～10號樁基)未發現采空區，但經調查，周邊煤層已被開采，考慮到周邊采礦的影響，該區域會產生塑性變形，形成塑性區，對此應采取相應措施進行加固。

1.2 采礦情況調查

通過現場采空區調查，小伙盤大橋下伏煤礦采空區為2008年秦家溝煤礦整合后寶山煤礦開采形成的，開采時間為2008年—2011年，開采煤層為②-2煤層，厚度2.1 m～2.5 m，平均厚度為2.3 m，采空區埋深15 m～90 m(路基埋深約15 m～75 m)平硐開拓，房柱式開采，一般采4.5 m～5 m，預留7 m煤柱，回采率約40%左右，自由跨落法頂板管理方式。其中橋梁樁基底部距離采空區(煤層)頂部之間的頂板厚度0 m～40.3 m之間(具體詳見表1)，頂板為微風化砂巖組成。

表1 樁基底部與煤層頂板距離

1.3 治理方案

針對小伙盤大橋的情況以及下部采空區的狀況，綜合考慮社會影響、工程造價、施工工期以及施工工藝等方面因素，本著“一次根治，不留后患”的設計原則，提出采用全充填式注漿治理+局部樁基加長方案。

在采空區影響橋梁的范圍內采用注漿注砂全充填間歇式注漿，同時對8號、9號、10號樁基進行加長，使之穿過下部采空區，嵌入底板微風化砂巖，塑性區范圍內注水泥漿。

2 采空區治理工程范圍確定

2.1 治理設計標準

根據煤炭部1986年制定的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤規程》。

本設計選取標準如下：

工后最大下沉值為：W1=54.8 mm～109.6 mm(對于30 m跨徑)。

工后最大水平位移值：U1=16.44 mm～32.88 mm(對于30 m跨徑)。

工后允許的最大傾斜值：i≤±3.0 mm/m。

工后允許的最大豎曲率值：k≤±0.2 mm/m2。

工后允許的最大水平變形值：ε≤±2.0 mm/m。

2.2 治理加固范圍

2.2.1 治理長度確定

根據采空區調查，K31+485小伙盤大橋位于在建大(柳塔)至石(馬川)一級公路K31+221.9～K31+740.1路段，橋梁全長518.2 m，其中K31+240～K31+540段受周邊采礦影響，產生塑性變形，形成塑性區；K31+540～K31+760段存在煤礦采空區。故塑性區加固段長度為300 m，采空區加固段長度為220 m。

2.2.2 塑性區加固段寬度

依據JTG D63—2007公路橋涵地基與基礎設計規范，群樁作為整體基礎計算，樁基可視為如圖1中的acde范圍內的實體基礎，按式(1)計算：

(1)

對實體基礎，基底處的附加應力(p0=p-γ0d)向下傳遞時按某一角度θ向外擴散分布于較大的面積上，θ按持力層與采空區所在煤層的壓縮模量之比Es1/Es2確定，取θ=25°。根據基底與計算深度處擴散面積上的附加應力相等的條件，可得：

(2)

pc=γ0d。

其中，a，b分別為基礎底面長度和寬度；γ0為基礎埋深范圍內土的加權平均重度；d為基礎埋深；z為基底以下附加應力計算深度，取至0.1倍～0.2倍的原巖應力，pz≤0.1γm(d+z)；θ為地基壓力擴散角；pk為基底平均壓力設計值。

治理范圍計算示意圖見圖2，塑性區治理寬度計算表如表2所示。

表2 塑性區治理寬度計算表

由表2可以看出，橋梁每跨樁底荷載在煤層底板擴散范圍為16m×34m，確定塑性區加固段寬度34m。對8號、9號、10號樁底以下煤層進行局部注漿，每跨治理范圍為16m×34m(同1號～7號樁基)。

2.2.3 采空區加固段寬度

根據《礦山開采沉陷學》保護煤柱預留方法，采空區對橋梁橫向影響寬度是以橋梁樁基寬度20.6m，加每側10m保護帶為起點，向兩側第四系松散沉積層按移動角θ考慮，基巖走向方向移動角按δ考慮，由于沿線采空區地段的巖層產狀近水平，走向與路線軸線方向近于垂直，因此，計算時按兩者垂直情況考慮。根據路基設計規范中對采空區路基的相關規定，并參考已建的高速公路上對煤礦采空區設計和采空區治理經驗，結合本工程的具體特點,對采空區治理寬度進行了綜合確定。計算圖如圖3所示。

通過對采空區橫向影響寬度的計算(式(3))，考慮漿液的擴散性，兼顧治理工程的經濟性，采空區橫向治理寬度見表3。

L=D+2B+2(hcotθ+Hcotδ)

(3)

式中：D——公路路基底面寬度；

B——路基圍護帶一側寬度，取10m；

H——采空區上覆基巖厚度；

θ——松散層移動角；

δ——走向方向采空區上覆基巖移動角；

h——松散層厚度。

表3 采空區橫向治理寬度計算表

3 結語

1)采空區治理長度根據采空區調查，在橋梁全長范圍內，受周邊采礦影響產生塑性變形加固段長度為300m，采空區加固段長度為220m。

2)對于1號樁基～7號樁基橋梁每跨樁底荷載在煤層底板擴散范圍為16m×34m，確定塑性區加固段寬度34m。

3)對于11號樁基～13號樁基橋梁，確定采空區橫向治理寬度75m，每跨治理范圍為16m×75m；對于14號樁基確定采空區橫向治理寬度82m；對于15號樁基確定采空區橫向治理寬度90m；對于16號樁基～17號樁基橋梁,確定采空區橫向治理寬度110m，每跨治理范圍為16m×110m。

4)對8號、9號、10號樁基進行加長，使之穿過下部采空區，嵌入底板微風化砂巖。

[1] 中煤科工集團西安研究院.大(柳塔)至石(馬川)一級公路下伏煤層采空區工程地質勘察報告(詳細勘察階段)[R].2011.

[2] 榆林市榮巖地質勘探有限公司.敏(蓋兔)至石(馬川)一級公路采空區調查報告[R].2010.

[3] 交通部.公路上(下)采空區勘察、設計與施工技術規范[S].2002.

[4] 山西省交通廳.高速公路采空區(空洞)勘察設計與施工治理手冊[M].北京：人民交通出版社，2005.

[5] JTG D63—2007，公路橋涵地基與基礎設計規范[S].

[6] JTJ 013—95，公路路基設計規范[S].

The analysis of Xiaohuopan bridge reinforcement scope of goaf treatment

Zhang Jing1Wang Enbo2Pang Lei3

(1.ShannxiVocationalCollegeofEnergyResources,Xianyang712000,China; 2.CivilEngineeringInstitute,ShannxiVocationalCollegeofIndustry,Xianyang712000,China; 3.NorthwestNon-ferrousSurveyEngineeringCo.,Ltd,Xi’an710054，China)

The paper introduces geological conditions of Xiaohuopan bridge engineering, surveys mined-out area conditions, calculates influential scope of Xiaohuopan bridge foundation according to load expansion law in the soil, and finally determines processing reinforcement scope, which has certain guiding meaning for similar engineering treatment.

mined-out area, treatment, load transmission, reinforcement scope

2015-04-06

張 京(1987- )，男，碩士，助教； 王恩波(1987- )，男,碩士，助教； 龐 磊(1987- )，男，碩士，助理工程師

1009-6825(2015)17-0055-03

U445.72

A