淺談煤礦采空區上橋梁頂升加固設計

【摘 要】地下采空區的幾何形狀，空間大小對地面運動有直接聯系，而地表運動的性質及規模又與采空區的深度有關。采空區工程地質特征說明，采空區冒落塌陷對采空區的建筑橋梁建設存在破壞性。筆者簡要分析了采空區對基礎的影響，主要說明了采空區橋梁的加固頂升設計，并對設計進行了優勢分析。為解決類似的工程提供了經驗。

【關鍵詞】采空區；鐵路橋梁；頂升；加固

一、采空區工程地質特征

地下采空區的幾何形狀，空間大小對地面運動有直接聯系，而地表運動的性質及規模又與采空區的深度有關。國內外采礦經驗認為采厚比大于30，地層中沒有較大的地質破壞情況下，煤采出一定面積后，會引起巖層移動并波及到地表，其地表沉陷和變形在空間上和時間上都有明顯的連續特征和一定的分布規律，常表現為地表移動盆地。在采厚比小于30情況下，煤采出一定面積后，會引起巖層移動并波及地表，其地表沉陷和變形在空間上和時間上都有明顯的不連續特征，地表變形劇烈，煤礦采空區上方的地表常形成較大的裂縫或塌陷坑（在此種情況下，應謹慎選擇加固處理的方案）。

二、采空區冒落塌陷破壞性在地表表現的幾個方面

（1）造成地基下沉，如果在豎直方向上產生拉伸變形，將引起地基本身松弛，還可能在不同土質界面上產生脫層，這將影響地基承載力，加大地表的傾斜和拉伸變形，對地基的穩定性產生影響。（2）地基下沉的同時，必然伴隨著水平方向上的移動。垂直于路線方向的橫向移動會改變橋梁基礎原有的方向，沿橋梁縱向的地表水平變形會使地基受到拉伸與壓縮。（3）冒落塌陷的不連續與無規律沉降，使得路面的原有坡度出現無規律變化。（4）線路的平移，將改變線路的原有方向，在行車荷載作用下，極易發生事故。

三、橋梁的加固頂升設計

（1）采空區對基礎的影響。對道路工程而言，隱伏采空區可能引起道路工程構筑物的失穩破壞。采空區引起橋梁基礎塌陷形成的原因主要有：人為因素，如荷載及振動、抽取地下水、坑道排水等；自然因素，如采空區頂板巖層的厚度及巖性、地表水及大氣降水滲入、河流水位升降與地震等。（2）橋梁的加固頂升設計。設計依據：主要有石臺礦地測科提供的《石臺礦鐵路橋沉降變形觀測資料》及中國礦大編制的《石臺礦鐵路橋下采煤研究報告》。這里采用張石鐵路龍河橋的加固設計加以說明：張石鐵路龍河橋的加固頂升工程分兩期進行。一期是墩臺加固工程，二期是頂升加固工程。從1999年6月4日到2001年4月18日第60次觀測記錄，大橋沉降拉壓已基本恢復正常，為頂升提供條件。（3）設計目標。第一，橋臺橋墩加高1500，橋梁頂升1500；第二，確保解決橋梁在頂升時的位置偏移問題；第三，解決抬梁墊塊的可操作性及通車穩定問題。（4）主要設計步驟。第一，限位設計。在橋梁的四角設置限位裝置，以解決橋梁在頂升過程中可能發生的側向位置偏移。第二，墩臺加高設計。墩臺均用鋼筋混凝土結構加高，抬橋所用鋼構件將永久澆鑄在鋼筋混凝土內（包括預制墊塊及鋼支撐）。橋墩的加高應分段進行，用C25砼現澆，豎向鋼筋采用雙面焊接接頭，搭接長度為6倍鋼筋直徑，搭接部位在上一次砼澆搗平面上（過長的外露鋼筋將影響橋梁的頂升操作）。第三，梁的頂升設計。鐵路橋的頂升高度為1500。根據鐵路橋檢修規定，橋梁頂升只能在一端進行，不得兩端同時頂抬。故決定兩端均帶銷交叉頂升，以確保二根梁的相對穩定和安全。五跨橋梁應同時頂升同一端，置入墊塊后應安放臨時支座，并插入銷釘。墊塊隨即與橋臺橋墩可靠連結。第四，橋梁梁端鋼墊塊設計。中國礦大在“鐵路橋下采煤研究報告”中提出，每次抬橋高度為300mm，抬橋所用墊塊應符合以下要求：強度大重量輕，便于安裝就位；滿足臨時通車安全要求。第五，橋臺鋼軌枕木砼墊塊設計。橋臺鋼軌枕木砼墊塊400X500X290用C30砼預制，內配構造鋼筋，每皮就位后用水泥砂漿找平。第六，轉動角、梁的側向、縱向位移控制。利用已加固橋墩的幾何尺寸，制作鋼構架，使其具有足夠抵抗在頂升過程中橋梁產生的相應位移的強度與穩定。第七，其余要注意的事項。橋臺道碴槽應提前改造，以準備墊塊抬橋；抬橋時清除梁端600范圍內道碴，并取出鐵蓋縫伴，同時斷開橋面鋼軌接頭；抬橋梁時不動端必需帶銷，以防不動端出現滑移。

國內通常處理類似的方法有兩種，一是在不影響井下開采的地方新建橋，鐵路改線繞行，但這將牽扯到征地、投資巨大；二是將原有橋梁改為大箱涵，此種方法投資大，且影響火車正常通行。本工程另辟溪徑，以較低的投資，較短的工期，成功的解決了橋梁加固與頂升問題，同時通過在施工期間限制運煤火車時速等方法保證了煤礦的正常生產，并在橋下開采出65萬噸優質煤炭，取得了一系列的社會、經濟效益。本橋頂升工程是集起重、重物位移、建橋、鐵路交通、采礦、橋梁設計與加固、橋梁施工等較多復雜因素一起，經各相關專業專家共同合作，攻堅克難，解決了中型鐵路橋下采煤而橋上基本保持鐵路正常通行的重大技術難題。是目前國內“三下”（建筑下、水下、橋梁下）采煤的一個成功范例，為以后類似的情況提供了參考。