连续框架桥在采煤沉陷区的应用

２０１３年第２期　中州煤炭　总第２０６期　连续框架桥在采煤沉陷区的应用　常建新　，蔡　健　，于广云　，盛　平　（１．河南理工大学，河南焦作４５４０００；２．河南煤业化工集团焦煤公司赵固二矿，河南辉县４５３６３３；　３．国家知识产权局专利审查协作北京中心，北京　１０００８３；４．中国矿业大学，江苏徐州　２２１１１６）　摘要：地下煤炭开采会对地面建（构）筑物造成一定影响，严重时会危及建（构）筑物的安全稳定。针对采煤　沉陷特点，采用连续框架桥的矿区铁路专用线桥梁设计方案，并提出了采动过程中的地基加固技术、桥体加　高技术和钢筋混凝土框架施工技术。实践证明，在采煤沉陷区采用连续框粲桥结构可以有效应对煤炭开采　造成的地表大幅度不均匀沉陷问题。　关键词：采煤沉陷区；框架桥；地基加固　中图分类号：ＴＤ２２９　文献标志码：Ｂ　文章编号：１００３—０５０６（２０１３）０２—００８２—０３　地下煤炭资源的开采会造成严重的地表变形，　固一矿采区上方。此段设计有一座连续框架桥，桥　包括地表沉降、水平移动、地表倾斜等，会对地面的　建（构）筑物、铁路、公路、桥梁等基础设施造成严重　的破坏。传统方法是在这些基础设施下方留设保护　煤柱，不开采这部分煤炭资源，以确保上方建（构）　筑物的安全稳定。　随着国民经济对煤炭的需求，这部分资源若不　开采，将造成严重的资源浪费　。　。如何兼顾地下煤　体长１６３　ｍ（共布置ｌ６个长１０　ｍ的箱体，中部９个　箱体高１０　ｍ，两侧共布置７个８　ｍ高、顶底板厚均　为０．８　ｍ的箱体），桥宽为８　１３３。桥梁顶面标高为　＋８５．６０　ｍ，由于桥梁建设过程中可能受到采动下沉　影响，桥梁的高度会有所变化。　２桥址处开采沉陷预计　该桥位于赵固一矿首采区东一盘区ｌ１０９１工作　面的正上方，桥梁主轴线与工作面推进方向接近正　炭资源的开采和地面建（构）筑物的正常使用，是一　个急需解决的问题。　ｌ　工程概况　赵固二矿铁路专用线从设计起点辉县市岳村西　ＣＫＩ８　ｋｍ＋１７１．２１　ｍ至ＣＫ２７　ｋｍ＋４００　ｍ段位于赵　交；地面标高约＋８１　ｍ。根据工作面开采安排，采用　概率积分法对桥址处进行了开采沉陷预计，具体预　计结果见表１。根据预计，该大桥最终的下沉量将　达到７　７８１　ｍｍ。　表１　铁路桥受采动影响时间和不同时期的移动变形值　开采＿＝【＝＝作面　估　响　铁路桥受开采影响产生的变形极值　下沉值／ｍｍ　倾斜值／（Ｉ／ｌｉＴ／，・ｍ　）　曲率值／（ｍ！ＩＩ・ｍ　）　１１０５１　０８１１－２００９－ｌ　２ＯＯ９１２３３９　ｔ．Ｏ　＋Ｏ．０２　水平移动值／ｒａｍ　水平变形值／（ｍｍ・ｍ　）　７０　＋１．５　２０１００５１２　５６７　７　５　＋０．０６　一ｏ．ｏ４　１６９　＋４．７　—２．６　箸　蔷２０１００５３１　ｌ　５２ｏ　１１０９ｌ　１１０７１　１１１３１　ｌ１ｌｌ１　２０１００８１８　２０ｌ２０２１２　２０１２１ｌ３０　２０１３ｌ２３ｌ　３　０４６　３　９ｌ５　３　９１５　３　９８２　ｌ１．２　１４　２　９．０　９．０　０．７　＋ｏ　０３　一ｏ．０８　＋０．０３　０　０　＋０　０３　—０．１９　—０．１１　—０．１１　—０．０２　５０２　ｌ　０３ｌ　６７０　６７０　５３　一７．Ｌ　１４．３　８．３　８．３　—１．３　下分层全采　５　９８４　１　１　＋０．０４　—０．０３　７９　２．１　在　蓑　矿井生产后期　７　７８ｌ　收稿日期：２ｏ１２—１ｏ一１８　ｏ　ｏ　０　３　采动扰动地基加固技术　毕业于焦作矿业学院简　：　竺　６…８－），￣　：　：　曼　程　９ｏ年　主要研究方向为矿井建设管理。　，・地下进行煤炭开采时对地表土体的扰动较大，　一　…’‘　’　’　’　８２・　２０１３年第２期　常建新。等：连续框架桥在采煤沉陷区的应用　总第２０６期　地基土的物理和力学性质发生改变。而且，石门河　大桥今后会发生大幅度的沉陷，需在原有大桥的基　础上进行加高加固处理，这样势必会增加地基的荷　载要求。为保证整个大桥能够平稳下沉，减少各个　箱体间的不均匀沉降，并为今后的加高加固处理提　供足够的地基承载力，需要对大桥地基进行全面的　地基加固处理，以提高地基的整体稳定性和地基承　载能力　。　。　３．１地基加固方案　根据沉陷预计，该大桥总下沉量将达７．７８１　１ＴＩ，　２０１０年１１０９１工作面开采后，地面下沉３．０４６　ｍ，桥　梁８　ｍ×１０　ｍ分离式箱形结构抗变形。决定分期实　施地基加固措施，一期工程河道中箱高１０　ｍ，河滩　上箱高６　ｍ，箱体壁厚为０．８　ｍ。抗采动地基加固采　用水泥土桩复合地基，选第⑦层粉质黏土夹粉土作　为持力层，加固深度初步定为１Ｏ一１４　ｍ，计算深度　按１２　ｍ考虑。水泥土桩直径０．６　ｍ，桩间距１．５　ｍ，　三角形布置，单桩承担面积１．１２４　ｍ　。砂石垫层厚　度定为１　ｍ。　３．２加固地基承载能力计算　（１）单桩承载能力　：的计算。　Ｒｄ＝ｍｉｎ｛ｒ／］ｅｃｕ．ｋＡｐ　＋４　ｇ　ｃ　４式中，叼为桩身强度折减系数，取０．３３；　为与搅　拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块在标准　养护条件下９０　ｄ龄期的立方体抗压强度平均值，取　１．５　ＭＰａ；Ａ　为桩横截面面积，取０．２８３　ｍ　；Ｄ为桩　直径，取０．６　ｍ；ｈ　为第ｉ层桩周土的厚度；ｑ　为桩周　第ｉ层土的侧阻力特征值，取３５　ｋＰａ；ｇ。为桩端地基　土未经修正的承载力特征值。　（２）开采下沉过程中地基承载力变化。２０１０年　１１０９１工作面开采后，地面下沉３．０４６　１ＴＩ时第⑦层　土ｑ　按承载力减４０％计算，即ｑ　＝１０８　ｋＰａ。将数　据代入式（１）计算得：　。ｄ　．ｆ　１４０．０９　ｋＮ　Ｉ＝ｍｌｎ　ｌ　４９２．４０　ｋＮ　故取Ｒ：＝１４０．０９　ｋＮ。　复合地基承载能力　。　按式（２）计算：　ｐｋ：［尺　＋尼　（Ａ　一Ａ　）］／Ａ　（２）　式中，Ａ　为１根水泥搅拌桩承担的处理面积，取　１．１２４　ｍ　；卢为桩间土承载力折减系数，取０．９５；　为处理后桩间土承载力特征值，取１４５　ｋＰａ。　将数据代入式（２）计算得，　。　＝２２７．７　ｋＮ。由　此可见　＞１９９．７２　ｋＰａ（所需的地基承载力）。　４碎石格宾石笼加高技术　４．１技术方案　下沉１　Ｉｎ后采用具有柔性及渗透性的格宾石笼　结构进行加高；桥梁开采下沉１～６　ｍ过程中，下沉　高度达到２层石笼高度时进行石笼加高和轨面调　整，直到下沉高度达到６／１１，上部石笼用斜拉杆与桥　面连接；箱体沉降高度达到６　１１１时，分箱体拆除石　笼，进行箱体结构加高，直到完成全部箱体结构加　高。加高设计方案如图１所示，填石块径在７５～　１５０　ｍｍ之间。　图１加高方案设计　．２上部荷载作用下路堤稳定性计算　计算假设条件：①整个结构为对称结构，取一半　进行验算；②把结构看成锚定板式挡土墙计算；③墙　身总高５．５　ｍ，板厚１．０　１２１，拉筋直径为３２　ｍｉｌｌ。计　算简图如图２所示，计算结果见表２。　单位：ｍ　图２计算简图　表２数值模拟模型各岩层物理力学参数　由表２知，拉杆的抗拉安全系数均大于１．２，满　・８３・　２０１３年第２期　中州煤炭　第２０６期　足要求。　５　采动过程中钢筋混凝土框架施工技术　由于桥梁建设中可能受采动下沉影响，桥梁结　构混凝土工程施工应安排在基础加固工程强度达到　要求、采动影响相对较小的条件下进行。考虑到处　于采动下沉混凝土的浇筑对混凝土的密实性、结构　的整体性和构件尺寸的准确性起着决定性的作用，　故在采动过程中需采取一系列技术措施对混凝土进　行浇筑，以保证混凝土工程的质量。　（１）浇筑前准备工作。对模板及其支架进行检　查，应确保标高、位置、尺寸正确，强度、刚度、稳定性　及严密性满足要求；把模板内的垃圾、泥土等杂物及　钢筋上的油污清除干净；木模板应浇水湿润，但不允　许留有积水；雨雪天不宜浇筑混凝土。　（２）浇筑层厚度。混凝土施工时，必须分层浇　筑才能保证振捣密实，不同振捣方法的浇筑层最大　厚度应满足：①插入式振捣，其厚度为振捣器作用部　分的１．２５倍。②表面振动，其厚度为２００　ｍｍ。③　人工振捣时，在基础、无筋混凝土或配筋稀疏的结构　中，其厚度为２５０　ｍｍ；在梁、墙板、柱结构中，其厚度　为２００　ｍｍ；在配筋密集的结构中，其厚度为１５０　ｍｍ。④轻骨料混凝土情况下，插入式振捣，其厚度　为３００　ｍｍ；表面振动（振动时需加荷），其厚度为　２００　ｍｍ。　（３）时间控制。混凝土浇筑需连续进行，最好　中途不停歇，如必须停歇时，应尽量缩短时间，并应　在前层混凝土初凝前完成次层混凝土的浇筑。混凝　土运输、浇筑和间歇的全部时问按以下方法控制：①　在混凝土强度等级不高于Ｃ３０时，气温不高于２５　ｑＣ混凝土浇筑时间为２１０　ｍｉｎ，否则为１８０　ｒａｉｎ；②在　混凝土强度等级高于Ｃ３０时，气温不高于２５℃混　凝土浇筑时间为１８０　ｒａｉｎ，否则为１５０　ｒａｉｎ。除此之　外，应设置施工缝。　（４）其他规定。在地基或地基土上浇筑混凝　土，应先清除表面的淤泥和杂物，并制订有防水和排　水措施；对于干燥的非黏性土，应先用水湿润；对于　未风化的岩石，应先用水清洗，且其表面不得留有积　水，然后再浇筑混凝土。混凝土自高处自由倾落的　高度不得超过２　ｍ，在桥体竖向箱壁结构中浇筑混　凝土的高度不得超过３　ｍ，否则得采用串筒、溜管或　振动溜管等工具进行下料，以避免混凝土出现离析　现象。在浇筑桥体竖向箱壁结构混凝土之前，底部　・８４．　应先填５０～１００　ｍｍ厚与混凝土内砂浆成分相同　的水泥砂浆，以避免构件下部由于砂浆含量减少而　出现蜂窝、麻面、露石等质量缺陷。在浇筑桥体顶板　结构时，应在桥体竖向箱壁结构浇筑完毕后停歇　１．０～１．５　ｈ，使混凝土初步沉实，然后继续浇筑，从　而避免在交接处出现裂缝。使用插入式振动器应快　插慢拔，插点要均匀排列，逐点移动，按顺序进行，不　得遗漏，做到均匀振实。移动间距不大于振动棒作　用半径的１．５倍（一般为３００～４００　ｍｍ）。振捣上一　层时应插入下层混凝土面５０　ｍｍ，以消除２层之间　的接缝。平板振动器的移动间距应能保证振动器的　平板覆盖已振实部分的边缘。浇筑混凝土时应派专　人经常观察模板钢筋、预留孔洞、预埋件、插筋等有　无位移变形或堵塞情况，发现问题应立即浇灌，并在　已浇筑的混凝土初凝前修整完毕。现场施工情况如　图３所示　图３现场施工情况　６　结语　在井下工作面正常生产、地面沉陷不断加剧的　情况下，该桥顺利完成了施工，并且已正常运营。采　用组合框架桥结构，成功实现了饱和松散地层沉陷　区的桥梁建设，满足了沉陷区大幅度不均匀沉降的　特殊要求。　（１）连续框架桥将桥梁在纵向上分为若干个独　立的箱形钢筋混凝土框架，可适应地表的大幅度不　均匀沉降。桥梁长度理论上不受限制，可随长度的　增加任意增加独立框架的数量。　（２）箱形钢筋混凝土框架结构具有整体刚度　大、受力均匀的特点。在地表不均匀沉降、水平移动　等地表变形作用下，结构附加内力较小，不会因地表　变形而产生结构破坏。　（３）采用碎石格宾石笼可随地面沉陷的发展而　随时加高桥面，从而保持轨面标高基本不变。在设　计时应根据开采沉陷预计的最大下沉量估算碎石格　宾石笼的加高量，并在框架结构　（下转第９６页）　２０１３年第２期　中州煤炭　第２０６期　（６）加强通风管理，确保作业地点风量充足。　艺。煤矿企业在施工钻孑Ｌ过程中，应优先采用水力　排粉工艺。采用风力排粉时，凡出现钻孑Ｌ排粉不畅、　钻孔堵塞现象，应立即停止打钻；严禁钻机带钻杆、　煤矿井下顶（底）板瓦斯抽放巷应形成全风压通风。　不能形成全风压通风的，要采取必要的安全措施，保　钻头原地旋转与煤（岩）体硬磨以防止出现高温发　热现象。任何情况下停钻必须先关闭供风阀门，停　止向钻孔内供风，防止出现钻孔内高温煤粉燃烧。　采用风力排粉方式的钻机必须安装“风水”转换三　通。　证风量充足、风速符合规定要求。　（７）加强安全技术培训，提高打钻人员操作技　能。打钻人员必须经过有资质的专业培训机构培　训，了解钻机运行原理，掌握打钻技术，熟悉安全技　术措施、操作规程和安全制度，并经考核合格，取得　（２）完善矿井安全监测监控系统，加强对有毒　有害气体的监测监控。煤矿井下凡是可能形成火灾　的地点或巷道，都应设置ＣＯ传感器。特别是施工　瓦斯抽采钻孑Ｌ时，每个打钻地点回风侧一定范围内　必须设置和矿井安全监控系统相连接的瓦斯、ＣＯ传　感器，同时悬挂便携式甲烷检测报警仪和ＣＯ检测　报警仪。　（３）加强现场安全管理，严肃查处违规违章行　特种作业人员资格证书后，方可上岗作业。　（８）严格按照设计施工，合理安排劳动组织。　煤矿企业要严格按照瓦斯抽采钻孔设计和施工方案　组织施工，不得为了赶工期而突击施工。施ｌＴ瓦斯　抽采钻孔时，在可能受其影响的回风流中严禁进行　与打钻无关的作业。　（９）配备符合规定的自救防护设备，提高自救　能力。煤矿企业必须为人井人员配备数量足够、额　定防护时问不低于３０　ｍｉｎ的自救器，并进行专门培　为。煤矿企业要进一步明确责任、健全制度、加强现　场安全检查，对违反安全技术措施、操作规程、管理　训，使井下作业人员能够正确、熟练使用自救器，提　高自救能力。　（１０）推广使用井下现场视频监控系统及语音　广播系统，确保实时监控。煤矿井下的采煤丁作面、　掘进工作面、底（顶）板瓦斯抽放巷等作业地点，应　安装视频监控系统，实现矿井调度室对作业现场的　实时监控。煤矿井下各作业地点附近必须安装直通　矿井调度室的电话，保持通信联络畅通，并推广使用　井下语音广播系统。　制度等规定的作业人员和责任心不强的安全监管人　员，必须严肃处理。打钻人员要严格执行现场交接　班制度，不得擅自离岗。　（４）加强应急救援预案演练，提高职工应急处　置能力。现场工人发现险情后，能处理的要进行处　理，及时消除安全隐患。调度室值班人员发现ＣＯ　传感器报警后，必须先通知现场作业人员及时撤离，　同时向矿井领导报告，并根据情况采取其他应急处　置措施。　（５）加强钻机、钻具设备管理，确保钻机、钻具　功能完好。矿井应当对钻机、钻具定期进行检查、维　６　结语　事故原因是多方面的，教训很多，也很深刻。每　一修，及时更换卡盘和夹持器卡瓦、弹簧等易损部件。　在卡盘和夹持器损坏或钻杆夹持不紧的情况下，严　禁打钻作业。　ｅ　异　石　＼蛤　＼Ｌ　＼Ｉ　＼‘　崂ｅ　岈墒　、ｌ　＼‘　条教训都是用矿工的健康和生命换来的，煤矿企　（责任编辑：刘光雨）　　　、＼　、　蛉　、　＼　二、　业要认真吸取，并采取有针对性的措施，切实消除事　故隐患，确保安全生产。　蛉蛤＼Ｌ石岍　写＼Ｉ　＼蠕（上接第８４页）　设计时考虑这部分荷载。　（４）采用连续框架桥技术可实现铁路运输和井　国矿业大学学报，２００４，３３（１）：３８　３９．　［３］　龚晓南．复合地基理论及工程应用［Ｍ］．北京：中国建筑工业　出版社，２００２　下开采同时正常进行，无需采取预留保护煤柱、条带　开采等限制性开采措施。　参考文献：　［１］　于广云采动区大变形扰动土物理力学性质演变及工程响应　研究［Ｍ］．徐州：中国矿业大学出版社，２０１０　ｆ　２］　于广云，夏军武，王东权．采动区铁路桥沉陷加固治理［Ｊ］．中　９６・　［４］　谭志祥．采动区建筑物地基、基础和结构协同作用理论与应用　研究［Ｄ］．徐州：中国矿业大学，２００４．　［５］ＰＯＵＬＯＳ　Ｈ．Ｇ．，Ｌ．Ｔ．ＣＨＥＮ．Ｐｉｌｅｓ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ—ｉｎ—　ｄｕｃｅｄ　ｌａｔｅｒａｌ　ｓｏｉｌ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｇｅｏｔｅｅｈｎｉｃａｌ　ａｎｄ　ｇｅｏｅｎ－　ｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９７，１２３（２）：９４－９９　（责任编辑：秦爱新）　・