鐵路框架橋應(yīng)用于煤田采動(dòng)區(qū)的研究

祁 亮

（中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖北 武漢 430064）

1 研究背景

采動(dòng)區(qū)的主要特點(diǎn)是地下煤炭開(kāi)采使地表出現(xiàn)持續(xù)的、較大的變形。礦井鐵路專(zhuān)用線平面展線往往需經(jīng)過(guò)煤田采動(dòng)區(qū)，這給鐵路橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定帶來(lái)很大的安全問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致橋毀而中斷運(yùn)營(yíng)。在《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》中明確規(guī)定：“全線大于20 m的鐵路橋必須留設(shè)保護(hù)煤柱”。留設(shè)保護(hù)煤柱除對(duì)煤礦采區(qū)布置帶來(lái)不利因素，還會(huì)造成大量煤炭資源不可開(kāi)采，不利于煤炭資源開(kāi)發(fā)利用和礦井的可持續(xù)性發(fā)展。

正是基于以上現(xiàn)狀，研究如何利用框架結(jié)構(gòu)整體性較好，抗變形能力強(qiáng)等特點(diǎn)，采用一定的技術(shù)手段及措施（例如：加強(qiáng)局部鋼筋構(gòu)造來(lái)抵抗由預(yù)測(cè)變形帶來(lái)的額外荷載，采取格賓石籠、加設(shè)管涵或框架涵等形式來(lái)滿(mǎn)足排洪和鐵路運(yùn)輸要求），使處于采動(dòng)沉陷區(qū)的鐵路框架橋能持續(xù)滿(mǎn)足鐵路運(yùn)輸、排洪等功能需要。鐵路框架橋下開(kāi)采煤炭不必留設(shè)保護(hù)煤柱，既達(dá)到便于井下開(kāi)采巷道布置，又能提高井下可開(kāi)采量，有利于提高井下煤炭資源開(kāi)發(fā)利用率。

2 研究目的和意義

采動(dòng)區(qū)上方新建的橋梁在下方采煤工作面推進(jìn)過(guò)程中，將經(jīng)歷巨大的采動(dòng)變形，豎向下沉量往往超過(guò)1 m、傾斜變形量大于1 %，同時(shí)還伴隨著數(shù)百毫米量級(jí)的水平移動(dòng)變形、地表的正負(fù)曲率變形等。這些將會(huì)導(dǎo)致常規(guī)梁式橋出現(xiàn)較大的變形和附加內(nèi)力，從而局部破壞甚至失穩(wěn)、垮塌。鑒于此，早期鐵路平面方案在采動(dòng)區(qū)區(qū)域通常會(huì)采取以下兩種方式處理：

一是主動(dòng)繞離采動(dòng)區(qū)或是沿井田邊界布置，以犧牲平面布置方案的經(jīng)濟(jì)性、合理性來(lái)?yè)Q取鐵路全線橋梁的安全。

二是按有關(guān)規(guī)范、規(guī)程要求留設(shè)保護(hù)煤柱，會(huì)造成大量的煤炭資源滯留地下無(wú)法開(kāi)采，其損失的經(jīng)濟(jì)效益甚至高于鐵路改線的投資。

面對(duì)我國(guó)能源需求量極大的現(xiàn)實(shí)情況，以及煤炭資源的日趨緊缺，絕大部分煤礦業(yè)主現(xiàn)均不提倡留設(shè)保護(hù)煤柱，使得在采動(dòng)區(qū)上建橋難以回避。

本研究的目的及意義：鐵路平面布置不必過(guò)多考慮采動(dòng)區(qū)域的影響，位于采動(dòng)區(qū)范圍內(nèi)的鐵路橋進(jìn)行相關(guān)技術(shù)措施處理后無(wú)須留設(shè)保護(hù)煤柱，既保證了鐵路線形的經(jīng)濟(jì)合理性和橋梁的安全與排洪，也確保不再因留設(shè)保護(hù)煤柱而造成煤炭資源損失，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的雙贏。

通過(guò)研究，提出了組合框架橋設(shè)計(jì)模型，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)成獨(dú)立抗采動(dòng)變形基礎(chǔ)，上部結(jié)構(gòu)采用多個(gè)封閉的箱型鋼筋混凝土框架組合而成，當(dāng)豎向下沉量增大，橋面標(biāo)高及過(guò)水?dāng)嗝娌环弦髸r(shí)，還可在其上方新增加框架，形成“橋上橋”結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)整體剛度大，在受地表劇烈變形時(shí)，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加內(nèi)力小，而且可以隨著井下工作面的推進(jìn)過(guò)程分階段實(shí)施，能適應(yīng)目前絕大多數(shù)礦區(qū)采動(dòng)區(qū)開(kāi)采沉陷的要求。

3 框架橋應(yīng)用采動(dòng)區(qū)的現(xiàn)狀

早在1996年，中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院就在河南某煤礦鐵路專(zhuān)用線大橋項(xiàng)目中采用多個(gè)獨(dú)立框架的組合體來(lái)適應(yīng)采空區(qū)的殘余變形，經(jīng)過(guò)二十多年的實(shí)踐證明，采用框架形式適應(yīng)采空區(qū)殘余變形的技術(shù)措施是成功的。

在近年完成的河南某礦鐵路專(zhuān)用線中，開(kāi)始著手將鐵路框架橋應(yīng)用于采動(dòng)區(qū)。該鐵路專(zhuān)用線全長(zhǎng)約9.3 km，鐵路等級(jí)為工企Ⅱ級(jí)，全線設(shè)有大橋一座，中橋一座，均位于該礦的采動(dòng)區(qū)范圍內(nèi)。

根據(jù)礦方提供的《鐵路橋區(qū)域采煤沉陷預(yù)測(cè)研究報(bào)告》中，對(duì)大橋橋位處地表沉陷進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 大橋受采動(dòng)影響時(shí)間和不同時(shí)期的移動(dòng)變形值

最終該大橋采用16～10 m框架橋組合形式，通過(guò)采取前期設(shè)置格賓形式，后期加設(shè)框架結(jié)構(gòu)的辦法，并同時(shí)在框架箱體之間設(shè)置抗變形縫來(lái)抵抗因不均勻沉陷對(duì)箱體結(jié)構(gòu)帶來(lái)的不利影響，有效地使大橋在不留設(shè)保護(hù)煤柱的情況下，在開(kāi)采煤層引起地表沉降期間或沉降穩(wěn)定后，均能同時(shí)滿(mǎn)足排洪、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全的需要。

4 總結(jié)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

針對(duì)沉降區(qū)沉降變形多樣性（水平、豎直、扭轉(zhuǎn)）的特點(diǎn)，如何確保鐵路框架橋運(yùn)輸、排洪等功能得以滿(mǎn)足，是采動(dòng)區(qū)鐵路橋設(shè)計(jì)的技術(shù)難題，其中框架結(jié)構(gòu)計(jì)算模型、框架局部加強(qiáng)、地基處理、變形縫設(shè)置及框架加高布置是采動(dòng)區(qū)橋梁設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)所在。

4.1 框架結(jié)構(gòu)計(jì)算建模

對(duì)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析計(jì)算，首先必須建立框架結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，模型越接近實(shí)際狀況，受力分析就越精確，如何建立簡(jiǎn)化、可靠的計(jì)算模型乃重中之重。

箱型框架橋是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼筋遍布整個(gè)橋體，而含鋼筋的實(shí)體有限元建模工作量十分龐大，為此，考慮到橋體布筋的規(guī)律性，采用力學(xué)性能等效方法將之簡(jiǎn)化為等強(qiáng)度素混凝土，并考慮地基和上部橋體的共同作用。

圖1 框架應(yīng)力圖

受力計(jì)算不僅要考慮豎向荷載作用（除結(jié)構(gòu)自重和列車(chē)荷載外，列車(chē)活載由動(dòng)力系數(shù)換算為均布荷載布置在橋面上），還要考慮由于采動(dòng)引起的地表變形帶來(lái)的附加應(yīng)力。以表1中大橋變形的最不利情況為例，選取以下工況：橋整體傾斜值13.0 mm/m、水平移動(dòng)867 mm進(jìn)行計(jì)算，該框架在最不利工況下的計(jì)算應(yīng)力：最大拉應(yīng)力為13.1 MPa，最大壓應(yīng)力為2.5 MPa。

4.2 框架局部加強(qiáng)設(shè)計(jì)

框架結(jié)構(gòu)因其整體性好、抗扭剛度大、抗變形能力強(qiáng)、能承受異號(hào)彎矩及基底應(yīng)力小等特點(diǎn)使之能較好適應(yīng)采動(dòng)區(qū)內(nèi)沉降變形的多樣性（水平、豎直、扭轉(zhuǎn)），但仍需根據(jù)變形作用于框架不同部位來(lái)進(jìn)行局部加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

從上述受力分析可知，箱型框架受地下開(kāi)采導(dǎo)致的地表沉降變形的影響，以受拉破壞為主，而且許多部位已超出混凝土的抗拉強(qiáng)度，這些部位分布于橋面下表面、橋基上表面、兩端框架橋基座與中部框架橋基座高差錯(cuò)位影響區(qū)及錯(cuò)位水平平面內(nèi)[1]。尤其是當(dāng)橋體地基發(fā)生較大的不均勻下沉，箱型橋體之間發(fā)生較大位移，此時(shí)箱型橋體之間出現(xiàn)相互擠壓，在箱型結(jié)構(gòu)頂部4個(gè)拐角處和中部靠近側(cè)墻處出現(xiàn)較大應(yīng)力。針對(duì)此情況，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮由沉降變形所引起的局部附加應(yīng)力，并據(jù)此進(jìn)行框架局部配筋加強(qiáng)設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)框架混凝土主拉應(yīng)力和鋼筋應(yīng)力均應(yīng)留有一定的富余量。

4.3 地基加固研究

地下煤炭開(kāi)采時(shí)，對(duì)地表土體的擾動(dòng)較大，地基土的物理力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化（本大橋后期地基土體黏聚力c和摩擦角j均降低40%）。為保證整個(gè)橋梁在下沉過(guò)程中能夠平穩(wěn)下沉，減少各個(gè)箱體間的不均勻沉降，以及為今后的加高、加固處理提供足夠的地基承載力，需要對(duì)不斷發(fā)生變化的橋梁地基進(jìn)行全面的地基加固處理，以提高地基的整體穩(wěn)定性和地基承載能力[2]。研究各類(lèi)地基加固的方法及地基變化的情況，認(rèn)為采動(dòng)區(qū)橋梁地基加固采用水泥土攪拌樁復(fù)合地基進(jìn)行處理，技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)合理，如圖2所示 。

圖2 采動(dòng)區(qū)橋梁地基加固方法

4.4 變形縫研究

由于橋體隨不均勻沉陷而不斷下沉，而橋體采用的是箱形框架結(jié)構(gòu)，箱體與箱體之間必然會(huì)產(chǎn)生碰撞變形，同時(shí)框架結(jié)構(gòu)本身還受溫度作用產(chǎn)生溫度變形。為保證整個(gè)橋體在大幅度的不均勻沉陷下保持變形協(xié)調(diào)一致，防止箱體由于碰撞、變形不一致產(chǎn)生病害，需要在箱體之間進(jìn)行變形縫設(shè)計(jì)[3]。通過(guò)變形分析計(jì)算，合理地確定箱體間縫寬和縫內(nèi)彈性填料對(duì)保證橋梁安全至關(guān)重要。本大橋就是在箱體與箱體間設(shè)計(jì)20 cm厚聚氯乙烯板夾層聯(lián)結(jié)變形縫，應(yīng)用效果良好，如圖3所示。

圖3 2010年6月施工現(xiàn)場(chǎng)、2011年3月驗(yàn)收現(xiàn)場(chǎng)

4.5 箱體框架加高研究

由于煤層分布、地質(zhì)特征等因素的差異，每個(gè)采動(dòng)區(qū)的變形特征都是不同的，對(duì)橋梁的影響也是不一致的，另外，橋梁所跨河流千差萬(wàn)別，根據(jù)不同的變形特點(diǎn)和排洪需求來(lái)布置橋梁是十分必要的。例如對(duì)于縱向變形較大（平行鐵路方向）的區(qū)域，加強(qiáng)對(duì)框架的抗變形設(shè)計(jì)；對(duì)于橫向變形較大的區(qū)域，則可考慮布置多排框架；對(duì)排洪要求較高的，可采用多層框架；對(duì)排洪要求較低的，可采用框架與其他結(jié)構(gòu)的組合體。

前期半封閉框架箱體（框架頂部為蓋板）+后期框架：適用流量大沉降大的跨河橋梁，最終形成“多層框架橋”的組合效果；前期格賓+后期框架：適用流量一般沉降大的跨河橋梁，過(guò)水沉降兩不誤；前期框架+后期管涵：適用流量小沉降大的中小橋，是對(duì)上面兩種方式的補(bǔ)充；前期框架+后期路基填筑：適用流量小且僅需考慮前期排洪需求的中小橋，也是目前應(yīng)用最多的形式。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐表明，對(duì)于采深比大于30的采動(dòng)區(qū)，其變形基本為連續(xù)變形，可采取上述技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)在采動(dòng)區(qū)上建橋，而對(duì)于采深比小于30的淺部采動(dòng)區(qū)，其地表變形可能為突然的瞬間不連續(xù)變形，此時(shí)在采動(dòng)區(qū)上單一運(yùn)用橋型優(yōu)化來(lái)適應(yīng)地表變形已難以實(shí)現(xiàn)，還需要對(duì)地下采空區(qū)域采取其他措施來(lái)減弱地表變形才能實(shí)現(xiàn)，而地下采空區(qū)域采取何種措施，尚需加以研究。