矿区铁路钢筋混凝土桥梁下沉整治方法研究——以矿上铁路桥下沉为例

张松雷

(陕西交通职业技术学院公路与铁道工程学院，陕西 西安 710018)

矿区开采过程中引发的岩层与地表移动，容易对铁路桥梁造成不同程度破坏，使其产生超过允许限度的变形下沉， 尤其在可采层多、厚度大的平原矿区，在平原地形、上覆松散冲击层及煤炭埋藏深等多重因素影响下，多数矿区均采用长臂工作面全部陷落法开采法，这势必造成井下矿存在大面积的采空区，出现超量塌陷区，建在其上的铁路桥梁的地基及结构更易变形、下沉[1]，而以往最常采用的治理方案是在采煤工作面保留煤柱，或是废弃原有桥梁，选取适宜的桥位以顶入法重建新桥，但该方案涉及线路、河道改移、耕地占用、人口迁移，操作流程繁杂，耗时、耗资大，影响矿区正常开采及生活秩序，为制定出效率高、成本低、治理效果好的整治方案。本文以某矿首采铁路桥为例，利用有限元分析方法构建了地表变形预测模型，并根据数值计算结果分析其对桥体结构附加力和变形的影响，采用原桥基础加固、桥梁结构加高、加固等方法进行综合治理，来对矿上铁路桥的大幅度坍陷整治提供依据。

1 矿区铁路桥概况

淮南某矿首采区位于上古生界二叠系山西组底部，2层可采层，13-1层煤是主采煤层，采层均厚5 m，煤层倾角12(°)～14(°)，采深为-400 m，以走向长壁综采放顶煤为开采方法。矿区新生地界是第四系，地表层厚度为19 410～485.64 m，采区内无较大的断面构造，推采距离为1 000 m。

该矿首采区的铁路桥地基总长、宽各为72.2 m，18.1 m，由纵向宽 12 m，横向宽6 m，框架高9 m的18个钢筋混凝土箱形框架结构构成，箱形框架之间设 50 mm沉降缝，铁路桥与工作面关系 如图1所示。

图1 矿区铁路桥与工作面的关系

2 矿区地表移动及铁路桥结构附加力变形

2.1 数值模型构建

要预计矿区铁路桥附加力变形情况，首先要获取开采地表沉陷变形的特点及数值参数，结合矿局开采面巷道布局及铁路桥空间位置，采用有限元软件构建地表移动变形数据模型，如图2所示。

根据淮南某矿区开采地表岩层及结构特征，简化模型，开采前岩土体为原岩应力状态，初始孔隙水压立场为γwH，γw、H分别为水比重、距地表纵向距离，开采面走向方向2 000 m，深度方向500 m处为模型几何尺寸，煤层采深为400 m，开采面始末点各位于地表点坐标500 m和1 500 m处，依照钻探结构布置各岩土层，模型顶端为自由边界，四面及底部分别采用水平、固定边界条件。

图2 地表移动变形数据模型

2.2 物理力学参数的选取

数据模型土体及岩体分别采用平面应变八节点位移—孔压耦合单元、平面应变八节点单元，非线性分析中均采用弹塑性Druck-Prager强化模式和非关联流动法，依据钢筋混凝土桥体布筋的规律性，均匀化处理原桥体结构，弹性模量取33.5 Gpa，泊松比0.19[2]；而且，开采区土地存在扰动，土体的物理力学性质随工作面的推进而变化，土地孔隙比先增后减，且最后比初始孔隙小，土体粘聚力和内摩擦角也先增后减，为此，需根据工作面推进进程调整土地物理力学参数，同时，采空区冒落矸石为松散介质，在工作面推进中，其在上覆岩层沉降压力下会被压实，介质密度ρ,弹性模量E及泊松比ν均会提升，计算公式为[3]：

ρ=1600+800(1-e-1.25t)

E=15+175(1-e-1.25t)

(1)

v=0.05+0.2(1-e-1.25t)

其中，t为时间，基于地基及上部桥体共同作用性，建模中仅选取桥下地基表土、砂质黏土、黏土等3层，其上覆松散层及岩层的初始物理学参数如表1所示。

表1 矿区铁路桥下地表层及岩层初始物理学参数

结合上表可获得铁路桥下地表初始应力场及孔隙水压场，而后在此基础上依照实际拟际的方向开采，得出最终的地表移动的数值参数，具体结果如下分析。

2.2.1 地表下沉及地表斜率

开采工作面推进中铁路桥地表下沉及斜率曲线如图3所示，地表显著性下沉出现在工作面推进400 m时，且下沉速度逐渐增大，最大下沉点也逐步向开采方向前移，工作面推进至800 m时地表最大下沉量达到-2.15 m，在结束开采后，出现大面积下沉，地表形成基本对称的下沉盆地，走向方向上下沉曲线的拐点位于开采区域内测，地表985 m处地表下沉最大值为5.46 m，下沉系数为1.12。地表斜率随工作面推进而增快，在完成开采后，下沉盆地地表斜率为0，走向方向上地表斜率最大值处于开采边界内侧出，地表692 m处地表倾斜最大值为-11.53 mm/m。

图3 矿区铁路桥下地表下沉及倾斜曲线

2.2.2 水平移动及孔隙水压变化

如图4所示，铁路桥下地表各点的水平移动随工作面推进而逐渐增加，且趋向下沉盆地，在开采全过程中，在最终下沉盆地中央附近地表水平移动值变化不大，开采区域边界周围地表水平移动值变化较大，在完成开采后，地表651 m处水平最大位移为2.17 m。随工作面推进，受压区的孔隙水压变化逐渐减小，也可能出现负孔压，且因为受扰动的先后及土体的初期固结，工作面推进前方的孔隙水压较后方大，在完成开采后，最大超孔隙水压为15 kPa。

图4 矿区铁路桥下地表水平移动曲线

2.2.3 铁路桥结构附加内力变化预测

在初始阶段，地表变形引发的铁路桥结构最大附加力随工作面推进而增加，至610 m时其最大值达到1.85 MPa，随后不断减小，在完成开采后趋于稳定，而最大附加拉应力变化特点与附加应力基本相同，只是增幅更大，当工作面推进至400 m后，其随工作面推进增幅减缓，趋向水平，在完成开采后可达到最大值4.31 MPa，由此可知，开采中在地表大幅度沉陷变形影响下，铁路桥以受拉破坏为主，且已经超出混凝土最大允许限度，受损部位集中在桥面小表面、桥基上表面、两端及中部框架桥基座高差错位影响区及水平面内，而此时若要加高原有桥体，下沉较大端局部地基压力将在400 kPa以上，而其他下沉部位地基压力均值也都在310 kPa之上，远高于桥梁地基的标准承载力220 kPa，据此矿区铁路桥的结构及地基均需进行加固处理。

3 矿区铁路桥下沉整治方案

3.1 桥梁地基加固

根据分析，地表超量动态沉陷条件下，桥体地基被拉裂，造成混凝土箱体不同程度移动、变形，甚至有的箱体达到5～10 m的错移，经技术比较，高压旋喷桩承载能力大，操作便捷，可在箱型框架桥内施工，底板钻孔直径小，对于原桥体砼底板影响性小，故采用该方法对桥梁地基进行加固，沉陷条件下作业需要在筏板面上进行，以规避附加沉降，施工步骤先桥梁外两排喷桩，后箱型结构底板下旋喷桩，施工首先要接近侧壁旋喷桩，施工要间隔两桩位，确保两排同步向中心推进[4]，桥梁地基整个加固工序为：以百米地质工程钻机钻凿2.4 m厚钢筋砼底板和毛石基础孔、高压旋喷桩施工、以C40砼封堵钻凿孔。施工工艺流程为：钻孔插管，采用XY100M工程地质钻机，完成钻孔后将岩心管更换为旋喷管，射水与插管同时进行，以达到设计标高为准；喷射注浆，喷注前需搅拌水泥浆液，在喷嘴达到设计高程时向钻机输送高压泥浆，在底部旋转1 min，待孔底有浆液冒出，旋转提升钻杆以20～25 r/min旋转速度、20～25 cm/min提升速度由上至下进行旋喷；冲洗，完成喷浆后，将钻杆、钻头提出，对钻杆、喷嘴进行低压射水冲洗。

全桥共施671根高压旋喷桩，为验证加固后桥梁地基稳固性，假设三根桩于桥基岸边，进行静载试验，结果表明，喷射工艺参数为压力22～24 MPa、旋转速度22 r/min、平均提升速度20～25 cm/min、水泥用量200 kg/m、单桩承载力均在设计要求50 t之上，桩体无侧限抗压强度均在设计要求4.5 MPa之上。

3.2 桥体结构加固加高

铁路桥体结构加固是将钢筋混凝土支撑墙加设于原箱形框架跨之中，以实现梁内应力缩减、承载能力增强、钢筋混凝土支撑墙厚度及程度各为600，6 m，与箱型框架等宽，利用ABAQUS软件模拟最差的单个箱体数值参数，以E=1 GPa的柔性材料及E=31.5 GPa混凝土材料进行对比计算，以最差状态的地表变形为基础，桥体沿着长度方向非均匀性沉陷20.4 mm/m，并沿沉陷增大方向非均匀性侧移13.2 mm/m，据此可获得原前提加固前后的最大应力对比情况如表2所示，以柔性加固时箱型框架应力分布变化较小，而以钢筋混凝土加固时箱型框架应力分布变化较大，材料应用更为充分，且最大应力值下降较柔性加固更明显。

表2 原铁路桥体加固前后的内力变化比较 MPa

传统桥体加高是以顶升技术为主，但其仅适用于静态情况，下沉量较小，并且加高高度最大限度为几百毫米，不适用大面积的超量沉陷，而该矿区桥体下沉量在4 m之上，在完成附近开采工作之后，最大下沉量将达到8.250 m，并将持续下沉，为了确保桥梁的正常运行，需要对桥体进行永久性的动态加高，以维持原轨道标高，结合开采工作面最大下沉量和暴雨重现期5 a的洪水位要求，分两阶段进行桥体下沉治理，第1阶段4 m下沉量下满足运行需求，将3.6 m高、2.6 m高的框架桥分别加在原桥两侧和中间，框架上加桥板，第二阶段因为下沉延续时间长，以填碎石道渣来确保桥梁的正常运行，在桥体下沉至7.2 m以上时，在上一阶段前提下构建高7.2 m的箱型框架桥，以满足8.250 m最终下沉量要求。

4 结 语

大面积采空塌陷区下建设的铁路桥梁，在地表基础下沉及岩层变形作用下，会发生大幅度的下沉并超越设计标准的最大限度，传统整治方案无法达到良好的治理效果，需要研制新型整治方案，结合淮南某矿区开采地表特点及铁路钢筋混凝土桥梁下沉特点，通过地表变形数值模型的构建，来分析地表移动及矿区桥体结构附加力的变形，及对桥体结构附加力的影响，并根据分析结果采用高压旋喷桩架构原桥基础，使其固结为一个整体，并进行桥梁结构加固加高，由此，在实现超量动态沉陷条件下桥体结构稳固性的基础上，可确保矿区正常开采秩序。