深井地表斑裂影响下桥梁变形控制技术研究

2013-12-16李功强魏中举陈绍杰

中国矿业 2013年8期

李功强，唐军，魏中举，陈绍杰

(1.新汶矿业集团有限责任公司华丰煤矿，山东宁阳 271413；2.六盘水师范学院，贵州六盘水 553004；3.山东科技大学，山东青岛 266590)

煤炭开采造成的地表变形是一种严重的地质灾害，破坏耕地，损坏建(构)筑物，给工农业生产带来严重威胁。地表变形包括地表下沉、倾斜变形、曲率变形、水平移动、水平变形及非连续变形等形式，这些移动与变形过程将对地表建构筑物产生破坏作用，尤其是对跨度较大的桥梁破坏更为严重[1-3]。针对华丰煤矿厚煤层开采后地表出现斑裂的现象，本文分析了地表移动变形的规律及其对桥梁的危害，采取一系列对鲁里大桥的保护技术措施，取得了较好的效果。

1 华丰煤矿地表移动、斑裂发育规律

随着华丰煤矿开采深度的增加，主采煤层4煤已采至-1100m水平，采深已达1200m以上，是目前国内采深最大的矿井之一。华丰矿煤层覆岩中古近系砾岩层厚度大(400～800m)、岩层坚硬、整体性好，且表土层薄(0～8m)。煤层开采后地表移动的表现特征主要有：连续性的移动变形特征和非连续变形—斑裂现象[4-6]。地面塌陷及斑裂已严重地损害了农田，特别是矿井-550m以下煤层开采波及地面村庄及桥梁，对地表建构筑物造成破坏，给矿井生产和村庄安全带来一系列困难。华丰矿地表斑裂规律出现，并且斑裂宽度很大，局部可以达到1000mm以上。图1为典型斑裂照片。

图1 地表典型斑裂照片

2 地表斑裂对桥梁的影响

鲁里大桥是连接汶河南北两岸的交通要道，是连通泰安市区和周边市县的重要桥梁，1990年10月建成通车。主桥长429m，引桥长173m，桥宽8m，32孔，64跟桥柱，孔距13m，桥面宽8m，属钢筋混凝土结构的梁板式简支桥，设计承载负荷为20t，鲁里桥整体结构如图2所示。

图2 鲁里桥整体结构

桥梁在结构上可视作长条状，分为上部结构和下部结构。其上部结构一般为主梁跨，下部结构一般由支座、墩台、基础等组成[7-8]。由于地下煤层开采引起的地表变形对桥梁造成的影响有着其自身独特的规律，桥梁为类似线性构筑物，其所处地表必然非均匀下沉。鲁里大桥的下部结构为重力式桥台和钻孔灌注桩上接柱式墩，受地表沉降影响较小，上部结构为预制拼装的钢筋混凝土简支板桥，桥体受到支座沉降的影响不会产生附加内力，故只要各墩台的下沉差不是很大，对桥梁本身影响不甚大。高耸建筑物可能会因结构的承载能力不足和失去稳定性而遭受破坏，甚至倾倒，但一般的倾斜值对桥梁建筑影响不大。不论是倾斜还是曲率变形，对桥梁而言都可以表示成为纵向和横向坡度的变化。

斑裂对桥梁的影响呈现三个特点：①三维空间有限性。斑裂致灾范围仅限于斑裂带的影响空间以内，而对远离斑裂带的外围地段和更深处则不具辐射作用，并且在斑裂带范围内，其灾害效应在横向、垂向和走向上反映出来。②灾害过程的突变性。③斑裂显露之后，致灾作用随时间增长逐渐加重，平面上沿走向向两端不断扩展，灾害作用自下而上逐渐加强，累计破坏效应集中于基础与上部结构接合部位的地表浅部数十米范围。

斑裂对桥梁的影响有多种表现形式，主要有：①斑裂引起地基基础变形，从而使桥梁产生裂缝。地基基础变形对桥梁的结构影响形式如图3所示。②地基的累积沉降从而导致桥梁净空减小。③斑裂引起桥梁的桥面线形不平顺、开裂，甚至出现接头跳车等问题。④斑裂变形区内桥墩、基础受到岩土介质变形产生附加内力，其主要表现形式为剪力，变形剧烈情况下可能将桩基剪断。⑤斑裂传播过程中，到达基础位置时，如果基础本身刚度较大，斑裂会绕过基础向前延伸，如果基础刚度较小，斑裂会直接从基础下穿过。

图3 地基基础变形对桥梁的结构影响形式

斑裂的发展是一个动态过程，早期裂缝较小，而且是隐伏的，随着开采范围的增大和时间的推移，斑裂不断发展扩大，波及范围大，甚至成组出现，有些裂缝较宽且发展到地面是可以目测的。一旦斑裂发展到桥跨范围内，任何一跨13m跨径范围内独立承担如此剧烈的集中地表变形都是不可能的。鲁里桥目前受到的主要影响之一为主桥以南110m路西出现的斑裂和主桥以南20m处以西400m处的斑裂。两条斑裂一直随煤层的走向、向东北方向发展。鲁里桥采用桩基础，刚度较小，如果斑裂恰好从桩间穿过，可能造成桩、柱发生严重倾斜变形，甚至在盖梁底部产成拉伸断裂，最后造成桥梁垮塌。

3 控制桥梁变形的技术措施

鲁里桥为钢筋混凝土预制拼装板桥，对其加固保护主要包括桥梁上部结构加固、下部结构加固、桥梁基础(钻孔灌注桩基)加固、桥梁地基(岩体浅层斑裂线)加固、加强注浆控制地表变形。

3.1 鲁里大桥上部结构加固

根据鲁里大桥的实际情况，采用在梁板的底部附加碳纤维复合材料的方法进行加固，这类材料通常由纤维和基体组成，具有强度高、质量轻、耐腐蚀、耐疲劳、易施工等优点，其力学特性为应力应变量呈现完全线弹性，无屈服点或塑性区[9]。为了将呈现出连续纤维状的碳纤维结合成块，同时与混凝土表面进行无缝粘合，在桥梁加固时需要加入由底层涂料、整平材料和浸渍树脂等组成的粘结材料。

3.2 鲁里大桥下部结构加固

桥梁的下部结构为承力结构，在直接承受上部结构荷载的同时，将荷载传递给地基，其安全性及可靠性对桥梁的安全使用非常重要。鲁里大桥的下部结构为双柱式桥墩，墩上为盖梁，现有桥墩本身已出现一定程度的损伤，再加上超载严重和采动影响，其承载能力无法满足使用安全，需进行加固维修。

柱式桥墩加固方法主要有如下几种：外包钢加固法、外包纤维加固法、扩大截面加固法[10]。因为回采是逐步推进的，回采的影响和斑裂的形成也是逐渐产生的，通过对盖梁进行加固维修，可以在一定限度内延长桥梁使用时间，推迟封桥时间，产生较大的经济效益。对鲁里桥盖梁的加固可以采用加大截面的方法，增加桥梁构件的截面和配筋，达到提高桥梁构件的刚度、强度、抗裂性以及稳定性等目的，同时也起到了修补裂缝的目的。

图4 增大截面法加固桥梁下部结构

3.3 鲁里大桥基础加固

根据墩台基础的情况，考虑采用旋喷桩加固方法。在承台外周，即先沿基础周边均匀灌注桩，然后再钻透浆砌片石基础，在基础下部施工灌注桩，并在桩头插入粗钢筋，与牵钉连接，然后包打墩身混凝土。

3.4 桥梁地基(浅层斑裂线)加固

桥梁坐落在岩(土)层地基上，煤层采动对桥梁的影响也是通过地表变形传递到桥梁上的。鲁里桥也是如此。根据前面对华丰煤矿煤层开采地表移动对鲁里桥损害影响分析，危害最大的地表变形是斑裂隐伏斑裂，而斑裂是在煤层采动的影响下沿着砾岩层的原有弱面逐步发展的。在1612、1411、1613、1412工作面生产过程中，在鲁里桥地基岩体上钻孔，采用电厂灰作为主要的骨料，灌注和压注相结合，对斑裂缝进行封堵加固，预防斑裂缝在鲁里桥下的扩长，达到加固地基、保护鲁里桥的目的。可见在对斑裂和隐伏斑裂探测和预测基础上，对桥梁地基岩体弱面加固也是可行的。

3.5 加强离层带注浆控制地表变形

华丰煤矿长期以来实施离层带注浆措施来控制地表变形，达到了良好的效果。为了保护鲁里桥，控制相关区域地表变形。在1612、1411、1613、1412工作面继续实施离层注浆减沉技术的条件下，根据四个工作面的具体情况，在1412工作面东部靠近1411工作面位置，再增加布置3个钻注钻孔，同时对相关区域采用大功率注浆泵，尽量加大注浆量、提高浆液深度，保证注浆效果，减小沉陷系数。

4 对桥梁保护效果的监测

通过对工作面开采引起的地表移动和斑裂进行合理的预测，在开采影响区域内对地表移动、斑裂和隐伏斑裂、鲁里桥进行不间断的观测和监测，从而对可能出现的斑裂和鲁里桥可能出现的损害做出准确的判断。与此同时，对鲁里桥进行不断加固以增强其抗损害能力，尽量保护桥梁不受破坏。

鲁里桥的监测应采用常规监测和紧急监测结合的方法进行。当地表变形连续监测的结果显示水平压缩小于1.0mm/m，水平拉伸小于1.2mm/m时采用常规监测，而当连续变形监测显示水平位移大于上述数值时，启动紧急监测，加大监测频率，密切注意桥梁上部结构变化。当水平变形达到±1.5mm/m时，应该立即封闭桥梁、阻断交通。非连续变形即地表出现宏观较大裂缝，对华丰矿区来讲，地表斑裂非常严重，裂缝宽度极大，斑裂一旦发展到桥位处，鲁里桥将出现桥板坠落的情况。因此，针对斑裂的出现，鲁里桥的监测需特别强调隐伏斑裂的探测工作，当隐伏斑裂发展较为活跃时即启动紧急监测，重点监测板缝宽度指标，在斑裂或者隐伏斑裂发展到鲁里桥区域前采取封桥措施。

目前，鲁里桥仍能保持正常使用。在加强离层带注浆的条件下，预计1410工作面采后鲁里桥最大下沉500mm，而实测最大下沉221mm(位于鲁里桥南150m引桥观测点处)，减沉率达到56％。