李功強(qiáng)，唐 軍，魏中舉，陳紹杰

(1.新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司華豐煤礦，山東 寧陽 271413；2.六盤水師范學(xué)院，貴州 六盤水 553004；3.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590)

煤炭開采造成的地表變形是一種嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，破壞耕地，損壞建(構(gòu))筑物，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅。地表變形包括地表下沉、傾斜變形、曲率變形、水平移動(dòng)、水平變形及非連續(xù)變形等形式，這些移動(dòng)與變形過程將對地表建構(gòu)筑物產(chǎn)生破壞作用，尤其是對跨度較大的橋梁破壞更為嚴(yán)重[1-3]。針對華豐煤礦厚煤層開采后地表出現(xiàn)斑裂的現(xiàn)象，本文分析了地表移動(dòng)變形的規(guī)律及其對橋梁的危害，采取一系列對魯里大橋的保護(hù)技術(shù)措施，取得了較好的效果。

1 華豐煤礦地表移動(dòng)、斑裂發(fā)育規(guī)律

隨著華豐煤礦開采深度的增加，主采煤層4煤已采至-1100m水平，采深已達(dá)1200m以上，是目前國內(nèi)采深最大的礦井之一。華豐礦煤層覆巖中古近系礫巖層厚度大(400～800m)、巖層堅(jiān)硬、整體性好，且表土層薄(0～8m)。煤層開采后地表移動(dòng)的表現(xiàn)特征主要有：連續(xù)性的移動(dòng)變形特征和非連續(xù)變形—斑裂現(xiàn)象[4-6]。地面塌陷及斑裂已嚴(yán)重地?fù)p害了農(nóng)田，特別是礦井-550m以下煤層開采波及地面村莊及橋梁，對地表建構(gòu)筑物造成破壞，給礦井生產(chǎn)和村莊安全帶來一系列困難。華豐礦地表斑裂規(guī)律出現(xiàn)，并且斑裂寬度很大，局部可以達(dá)到1000mm以上。圖1為典型斑裂照片。

圖1 地表典型斑裂照片

2 地表斑裂對橋梁的影響

魯里大橋是連接汶河南北兩岸的交通要道，是連通泰安市區(qū)和周邊市縣的重要橋梁，1990年10月建成通車。主橋長429m，引橋長173m，橋?qū)?m，32孔，64跟橋柱，孔距13m，橋面寬8m，屬鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的梁板式簡支橋，設(shè)計(jì)承載負(fù)荷為20t，魯里橋整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 魯里橋整體結(jié)構(gòu)

橋梁在結(jié)構(gòu)上可視作長條狀，分為上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)。其上部結(jié)構(gòu)一般為主梁跨，下部結(jié)構(gòu)一般由支座、墩臺(tái)、基礎(chǔ)等組成[7-8]。由于地下煤層開采引起的地表變形對橋梁造成的影響有著其自身獨(dú)特的規(guī)律，橋梁為類似線性構(gòu)筑物，其所處地表必然非均勻下沉。魯里大橋的下部結(jié)構(gòu)為重力式橋臺(tái)和鉆孔灌注樁上接柱式墩，受地表沉降影響較小，上部結(jié)構(gòu)為預(yù)制拼裝的鋼筋混凝土簡支板橋，橋體受到支座沉降的影響不會(huì)產(chǎn)生附加內(nèi)力，故只要各墩臺(tái)的下沉差不是很大，對橋梁本身影響不甚大。高聳建筑物可能會(huì)因結(jié)構(gòu)的承載能力不足和失去穩(wěn)定性而遭受破壞，甚至傾倒，但一般的傾斜值對橋梁建筑影響不大。不論是傾斜還是曲率變形，對橋梁而言都可以表示成為縱向和橫向坡度的變化。

斑裂對橋梁的影響呈現(xiàn)三個(gè)特點(diǎn)：①三維空間有限性。斑裂致災(zāi)范圍僅限于斑裂帶的影響空間以內(nèi)，而對遠(yuǎn)離斑裂帶的外圍地段和更深處則不具輻射作用，并且在斑裂帶范圍內(nèi)，其災(zāi)害效應(yīng)在橫向、垂向和走向上反映出來。②災(zāi)害過程的突變性。③斑裂顯露之后，致災(zāi)作用隨時(shí)間增長逐漸加重，平面上沿走向向兩端不斷擴(kuò)展，災(zāi)害作用自下而上逐漸加強(qiáng)，累計(jì)破壞效應(yīng)集中于基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)接合部位的地表淺部數(shù)十米范圍。

斑裂對橋梁的影響有多種表現(xiàn)形式，主要有：①斑裂引起地基基礎(chǔ)變形，從而使橋梁產(chǎn)生裂縫。地基基礎(chǔ)變形對橋梁的結(jié)構(gòu)影響形式如圖3所示。②地基的累積沉降從而導(dǎo)致橋梁凈空減小。③斑裂引起橋梁的橋面線形不平順、開裂，甚至出現(xiàn)接頭跳車等問題。④斑裂變形區(qū)內(nèi)橋墩、基礎(chǔ)受到巖土介質(zhì)變形產(chǎn)生附加內(nèi)力，其主要表現(xiàn)形式為剪力，變形劇烈情況下可能將樁基剪斷。⑤斑裂傳播過程中，到達(dá)基礎(chǔ)位置時(shí)，如果基礎(chǔ)本身剛度較大，斑裂會(huì)繞過基礎(chǔ)向前延伸，如果基礎(chǔ)剛度較小，斑裂會(huì)直接從基礎(chǔ)下穿過。

圖3 地基基礎(chǔ)變形對橋梁的結(jié)構(gòu)影響形式

斑裂的發(fā)展是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，早期裂縫較小，而且是隱伏的，隨著開采范圍的增大和時(shí)間的推移，斑裂不斷發(fā)展擴(kuò)大，波及范圍大，甚至成組出現(xiàn)，有些裂縫較寬且發(fā)展到地面是可以目測的。一旦斑裂發(fā)展到橋跨范圍內(nèi)，任何一跨13m跨徑范圍內(nèi)獨(dú)立承擔(dān)如此劇烈的集中地表變形都是不可能的。魯里橋目前受到的主要影響之一為主橋以南110m路西出現(xiàn)的斑裂和主橋以南20m處以西400m處的斑裂。兩條斑裂一直隨煤層的走向、向東北方向發(fā)展。魯里橋采用樁基礎(chǔ)，剛度較小，如果斑裂恰好從樁間穿過，可能造成樁、柱發(fā)生嚴(yán)重傾斜變形，甚至在蓋梁底部產(chǎn)成拉伸斷裂，最后造成橋梁垮塌。

3 控制橋梁變形的技術(shù)措施

魯里橋?yàn)殇摻罨炷令A(yù)制拼裝板橋，對其加固保護(hù)主要包括橋梁上部結(jié)構(gòu)加固、下部結(jié)構(gòu)加固、橋梁基礎(chǔ)(鉆孔灌注樁基)加固、橋梁地基(巖體淺層斑裂線)加固、加強(qiáng)注漿控制地表變形。

3.1 魯里大橋上部結(jié)構(gòu)加固

根據(jù)魯里大橋的實(shí)際情況，采用在梁板的底部附加碳纖維復(fù)合材料的方法進(jìn)行加固，這類材料通常由纖維和基體組成，具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕、耐疲勞、易施工等優(yōu)點(diǎn)，其力學(xué)特性為應(yīng)力應(yīng)變量呈現(xiàn)完全線彈性，無屈服點(diǎn)或塑性區(qū)[9]。為了將呈現(xiàn)出連續(xù)纖維狀的碳纖維結(jié)合成塊，同時(shí)與混凝土表面進(jìn)行無縫粘合，在橋梁加固時(shí)需要加入由底層涂料、整平材料和浸漬樹脂等組成的粘結(jié)材料。

3.2 魯里大橋下部結(jié)構(gòu)加固

橋梁的下部結(jié)構(gòu)為承力結(jié)構(gòu)，在直接承受上部結(jié)構(gòu)荷載的同時(shí)，將荷載傳遞給地基，其安全性及可靠性對橋梁的安全使用非常重要。魯里大橋的下部結(jié)構(gòu)為雙柱式橋墩，墩上為蓋梁，現(xiàn)有橋墩本身已出現(xiàn)一定程度的損傷，再加上超載嚴(yán)重和采動(dòng)影響，其承載能力無法滿足使用安全，需進(jìn)行加固維修。

柱式橋墩加固方法主要有如下幾種：外包鋼加固法、外包纖維加固法、擴(kuò)大截面加固法[10]。因?yàn)榛夭墒侵鸩酵七M(jìn)的，回采的影響和斑裂的形成也是逐漸產(chǎn)生的，通過對蓋梁進(jìn)行加固維修，可以在一定限度內(nèi)延長橋梁使用時(shí)間，推遲封橋時(shí)間，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。對魯里橋蓋梁的加固可以采用加大截面的方法，增加橋梁構(gòu)件的截面和配筋，達(dá)到提高橋梁構(gòu)件的剛度、強(qiáng)度、抗裂性以及穩(wěn)定性等目的，同時(shí)也起到了修補(bǔ)裂縫的目的。

圖4 增大截面法加固橋梁下部結(jié)構(gòu)

3.3 魯里大橋基礎(chǔ)加固

根據(jù)墩臺(tái)基礎(chǔ)的情況，考慮采用旋噴樁加固方法。在承臺(tái)外周，即先沿基礎(chǔ)周邊均勻灌注樁，然后再鉆透漿砌片石基礎(chǔ)，在基礎(chǔ)下部施工灌注樁，并在樁頭插入粗鋼筋，與牽釘連接，然后包打墩身混凝土。

3.4 橋梁地基(淺層斑裂線)加固

橋梁坐落在巖(土)層地基上，煤層采動(dòng)對橋梁的影響也是通過地表變形傳遞到橋梁上的。魯里橋也是如此。根據(jù)前面對華豐煤礦煤層開采地表移動(dòng)對魯里橋損害影響分析，危害最大的地表變形是斑裂隱伏斑裂，而斑裂是在煤層采動(dòng)的影響下沿著礫巖層的原有弱面逐步發(fā)展的。在1612、1411、1613、1412工作面生產(chǎn)過程中，在魯里橋地基巖體上鉆孔，采用電廠灰作為主要的骨料，灌注和壓注相結(jié)合，對斑裂縫進(jìn)行封堵加固，預(yù)防斑裂縫在魯里橋下的擴(kuò)長，達(dá)到加固地基、保護(hù)魯里橋的目的?？梢娫趯Π吡押碗[伏斑裂探測和預(yù)測基礎(chǔ)上，對橋梁地基巖體弱面加固也是可行的。

3.5 加強(qiáng)離層帶注漿控制地表變形

華豐煤礦長期以來實(shí)施離層帶注漿措施來控制地表變形，達(dá)到了良好的效果。為了保護(hù)魯里橋，控制相關(guān)區(qū)域地表變形。在1612、1411、1613、1412工作面繼續(xù)實(shí)施離層注漿減沉技術(shù)的條件下，根據(jù)四個(gè)工作面的具體情況，在1412工作面東部靠近1411工作面位置，再增加布置3個(gè)鉆注鉆孔，同時(shí)對相關(guān)區(qū)域采用大功率注漿泵，盡量加大注漿量、提高漿液深度，保證注漿效果，減小沉陷系數(shù)。

4 對橋梁保護(hù)效果的監(jiān)測

通過對工作面開采引起的地表移動(dòng)和斑裂進(jìn)行合理的預(yù)測，在開采影響區(qū)域內(nèi)對地表移動(dòng)、斑裂和隱伏斑裂、魯里橋進(jìn)行不間斷的觀測和監(jiān)測，從而對可能出現(xiàn)的斑裂和魯里橋可能出現(xiàn)的損害做出準(zhǔn)確的判斷。與此同時(shí)，對魯里橋進(jìn)行不斷加固以增強(qiáng)其抗損害能力，盡量保護(hù)橋梁不受破壞。

魯里橋的監(jiān)測應(yīng)采用常規(guī)監(jiān)測和緊急監(jiān)測結(jié)合的方法進(jìn)行。當(dāng)?shù)乇碜冃芜B續(xù)監(jiān)測的結(jié)果顯示水平壓縮小于1.0mm/m，水平拉伸小于1.2mm/m時(shí)采用常規(guī)監(jiān)測，而當(dāng)連續(xù)變形監(jiān)測顯示水平位移大于上述數(shù)值時(shí)，啟動(dòng)緊急監(jiān)測，加大監(jiān)測頻率，密切注意橋梁上部結(jié)構(gòu)變化。當(dāng)水平變形達(dá)到±1.5mm/m時(shí)，應(yīng)該立即封閉橋梁、阻斷交通。非連續(xù)變形即地表出現(xiàn)宏觀較大裂縫，對華豐礦區(qū)來講，地表斑裂非常嚴(yán)重，裂縫寬度極大，斑裂一旦發(fā)展到橋位處，魯里橋?qū)⒊霈F(xiàn)橋板墜落的情況。因此，針對斑裂的出現(xiàn)，魯里橋的監(jiān)測需特別強(qiáng)調(diào)隱伏斑裂的探測工作，當(dāng)隱伏斑裂發(fā)展較為活躍時(shí)即啟動(dòng)緊急監(jiān)測，重點(diǎn)監(jiān)測板縫寬度指標(biāo)，在斑裂或者隱伏斑裂發(fā)展到魯里橋區(qū)域前采取封橋措施。

目前，魯里橋仍能保持正常使用。在加強(qiáng)離層帶注漿的條件下，預(yù)計(jì)1410工作面采后魯里橋最大下沉500mm，而實(shí)測最大下沉221mm(位于魯里橋南150m引橋觀測點(diǎn)處)，減沉率達(dá)到56％。

5 結(jié)論

1) 根據(jù)華豐煤礦地表移動(dòng)、斑裂發(fā)育規(guī)律，分析了地表斑裂對橋梁的影響的特點(diǎn)：三維空間有限性、災(zāi)害過程的突變性、致災(zāi)作用的時(shí)間性，同時(shí)分析了斑裂對橋梁影響的表現(xiàn)形式，為控制橋梁變形的技術(shù)措施的實(shí)施提供了基礎(chǔ)。

2) 魯里橋?yàn)殇摻罨炷令A(yù)制拼裝板橋，根據(jù)橋梁的實(shí)際情況，對其加固保護(hù)技術(shù)措施主要包括橋梁上部結(jié)構(gòu)加固、下部結(jié)構(gòu)加固、橋梁基礎(chǔ)(鉆孔灌注樁基)加固、橋梁地基(巖體淺層斑裂線)加固、加強(qiáng)注漿控制地表變形。

3) 對魯里橋的監(jiān)測采用常規(guī)監(jiān)測和緊急監(jiān)測結(jié)合的方法進(jìn)行。尤其是針對斑裂的出現(xiàn)，魯里橋的監(jiān)測需特別強(qiáng)調(diào)隱伏斑裂的探測工作，當(dāng)隱伏斑裂發(fā)展較為活躍時(shí)即啟動(dòng)緊急監(jiān)測，重點(diǎn)監(jiān)測板縫寬度指標(biāo)，在斑裂或者隱伏斑裂發(fā)展到魯里橋區(qū)域前采取封橋措施。

[1]徐平,郭文兵,張敏霞.控制采動(dòng)區(qū)橋梁移動(dòng)變形方法研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2011,28(3):425-429.

[2]李白英,郭惟嘉.開采損害與環(huán)境保護(hù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2004.

[3]騰秀元,李厚海,楊晉,等.某鋼筋混凝土空心板橋的檢測及加固建議[J].工程抗震與加固改造,2011,33(1):89-93.

[4]郭惟嘉,孔令海,陳紹杰,等.巖層及地表移動(dòng)與沖擊地壓相關(guān)性研究[J].巖土力學(xué),2009,30(2):447-451.

[5]郭惟嘉,常西坤,閻衛(wèi)璽.深部礦井采場上覆巖層內(nèi)結(jié)構(gòu)形變特征分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2009,37(12):1-4.

[6]王利,張修峰.巨厚覆巖下開采地表沉陷特征及其與采礦災(zāi)害的相關(guān)性[J].煤炭學(xué)報(bào),2009,34(8):1048-1051.

[7]楊洪波.體外預(yù)應(yīng)力法在連續(xù)梁橋加固中的應(yīng)用研究[D].大連:大連理工大學(xué),2006.

[8]白洪濤.在役橋梁改造方案決策體系研究[D].重慶:重慶交通大學(xué),2008.

[9]李新樂,竇慧娟,等.鋼筋混凝土橋墩頂帽豎向開裂原因分析及加固對策[J].鐵道建筑,2007,(8):16-19.

[10]彭紅美.幾種橋梁加固方法的總結(jié)[J].城市道橋與防洪,2011,5:156-158.