康孝孔

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

近年來，為了解決原煤運(yùn)輸系統(tǒng)與剝離運(yùn)輸系統(tǒng)交叉問題布置了一些立交工程，但各個(gè)露天煤礦地質(zhì)條件、通行車輛、礦內(nèi)生產(chǎn)條件等方面差異較大，并未推廣使用。筆者通過對(duì)大跨徑鋼波紋管的研究，給西灣露天煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)立交工程提供一種選擇方式，供類似露天煤礦的建設(shè)以借鑒。

1 研究主要內(nèi)容

西灣露天煤礦的原煤運(yùn)輸系統(tǒng)布置在露天煤礦的東幫，內(nèi)排土場(chǎng)在南側(cè)，剝離物流向：剝離工作面→工作面移動(dòng)坑線→端幫運(yùn)輸?shù)缆贰鷥?nèi)/外排土場(chǎng)；煤炭流向：采煤工作面→非工作幫/工作幫移動(dòng)線路→地表運(yùn)煤道路→破碎站。生產(chǎn)中50～70 t級(jí)的運(yùn)煤車輛和剝離物運(yùn)輸車輛存在不可避免的交叉通行，車輛相互避讓，存在著安全隱患。隨著后期自營220 t級(jí)的運(yùn)煤自卸卡車投入使用，與50～70 t級(jí)的剝離運(yùn)輸車在噸位、視距、車型相差較大，平面交叉通行存在的安全隱患更加突出。如果剝離車輛需繞西幫單環(huán)運(yùn)輸，相對(duì)運(yùn)距增加約2.0 km，影響露天煤礦經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)西灣露天煤礦目前運(yùn)輸情況，采用立交工程解決2種不同噸位礦用大型車輛的交叉問題，提高運(yùn)輸效率和降低礦山交通安全事故率，使西灣露天煤礦的建設(shè)能夠取得更好的效益。

結(jié)合西灣露天煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)情況，提升露天煤礦區(qū)鋼波紋管使用的合理性，開展鋼波紋管在露天煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)中方案可行性研究。根據(jù)不同車輛交叉位置展開研究，確定最合理、經(jīng)濟(jì)的波紋管技術(shù)指標(biāo)。為了便于方案比較，將原煤運(yùn)輸?shù)缆飞贤ㄐ械?20 t級(jí)礦用卡車定義為大車，剝離運(yùn)輸?shù)缆飞贤ㄐ械?0 t級(jí)自卸車定義為小車。西灣露天煤礦原煤和剝離運(yùn)輸系統(tǒng)立交通道示意如圖1所示。

圖1 運(yùn)輸系統(tǒng)立交通道示意Fig.1 Interchange passage of transportation system

1.1 方案一

大車在下，小車在上，橋下單車道分離式。

1.1.1 總體布置

原煤運(yùn)輸?shù)缆废麓﹦冸x運(yùn)輸?shù)缆?，在開挖后的原煤運(yùn)輸?shù)缆飞掀叫性O(shè)置兩孔鋼波紋管，管內(nèi)通行220 t級(jí)運(yùn)煤自卸卡車，分離式單車道行駛，管頂上通行60 t級(jí)排土車輛。為保障兩管道之間回填壓實(shí)質(zhì)量，兩管之間凈距設(shè)置為5 m。

涵內(nèi)220 t級(jí)大型礦用卡車道路寬度布置，根據(jù)規(guī)范要求，單車道行車道寬度不小于14.0 m，兩側(cè)路緣帶寬度為0.75 m，涵內(nèi)道路總寬度不小于15.5 m。按照規(guī)范要求，涵內(nèi)道路凈空高度應(yīng)為車輛滿載物料后的最大高度另加0.5～1.0 m的安全高度。220 t級(jí)大型礦用卡車堆高按2∶1計(jì)算，堆高高度為2.15 m，涵內(nèi)道路凈空高度為6.4+2.15+1.0=9.55 m(取1 m安全高度)。

結(jié)合以上道路建筑限界要求，方案一采用2孔20 m×11.6 m鋼波紋管可滿足220 t級(jí)運(yùn)煤車輛通行要求?？紤]到波紋管位于地基較好的地面上，為提高跨徑和節(jié)約鋼材，波紋管采用開口馬蹄形結(jié)構(gòu)，分別由2個(gè)半徑為8 m和1個(gè)半徑為20 m的三心圓構(gòu)成。方案一單幅標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖2所示。

圖2 方案一單幅標(biāo)準(zhǔn)斷面(單位：cm)Fig.2 Single standard section of scheme I(unit：cm)

1.1.2 鋼波紋管長度

管道長度主要是由管道上路基寬度和洞口長度決定的，露天煤礦運(yùn)輸?shù)缆仿坊鶎挾扔?部分組成，即行車道寬度、路肩寬度和安全擋墻寬度，洞口長度主要取決于上路基高度和路基坡率。

管頂60 t級(jí)非公路自卸卡車雙車道路路面寬度為12.0 m，單側(cè)路肩寬度1.5 m。道路兩側(cè)應(yīng)設(shè)置安全擋墻，頂寬1 m，高度1.5 m，擋墻邊坡坡率1∶1，底寬4 m。涵頂60 t級(jí)非公路自卸卡車道路路基寬度為23 m。交叉道路高差為13.6 m，路基兩側(cè)邊坡坡率為1∶1.5，采用坡口削竹式洞口，洞口坡腳采用石籠防護(hù)，經(jīng)計(jì)算，所需鋼波紋管單孔長度為55 m。方案一立面如圖3所示。

圖3 方案一立面(單位：cm)Fig.3 Vertical section of scheme Ⅰ(unit：cm)

1.1.3 結(jié)構(gòu)形式

本立交方案采用2孔20 m×11.6 m鋼波紋管，拱圈采用雙層Q345熱軋鋼波紋板，拱圈內(nèi)采用C40混凝土澆筑，每層鋼板波高500 mm、波距200 mm，鋼板厚度10 mm，鋼混拱圈厚度0.5 m?？v向每榀拱肋寬度為1.5 m，每榀由3塊拱肋構(gòu)成，每榀之間設(shè)置橫隔板，采用高強(qiáng)螺栓對(duì)接安裝。

基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)，一級(jí)基礎(chǔ)寬度為2.5 m，二級(jí)基礎(chǔ)寬度為4.5 m，每級(jí)高度均為1 m，鋼波紋管與混凝土基礎(chǔ)采用螺栓連接。

管涵兩側(cè)均采用礦內(nèi)碎石土分層壓實(shí)回填，每層厚度不超過30 cm，壓實(shí)度不小于96%，拱頂填土高度為2 m。

1.2 方案二

大車在下，小車在上，橋下雙向兩車道式。

1.2.1 總體布置

在開挖后的原煤運(yùn)輸?shù)缆分行奶幵O(shè)置一孔大跨徑鋼波紋管，鋼波紋管內(nèi)通行220t級(jí)運(yùn)煤自卸卡車，雙向雙車道行駛，兩行車道中間設(shè)置安全土堤，管頂上通行60 t級(jí)排土車輛。

涵內(nèi)220 t級(jí)大型礦用卡車道路寬度布置，根據(jù)規(guī)范要求，雙車道行車道寬度不小于27 m，兩側(cè)路緣帶的寬度為0.75 m，涵內(nèi)道路總寬度不小于28.5 m。

涵內(nèi)道路凈空高度與方案一一致，要求凈高不小于9.55 m。

結(jié)合以上道路建筑限界要求，本方案采用1孔30 m×12.5 m鋼波紋管可滿足220 t級(jí)運(yùn)煤車輛通行要求。考慮到波紋管位于地基較好的地面上，為提高跨徑和節(jié)約鋼材，波紋管采用開口馬蹄形結(jié)構(gòu)，由2個(gè)半徑為8 m和1個(gè)半徑為50 m的三心圓構(gòu)成。方案二單幅標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖4所示。

圖4 方案二單幅標(biāo)準(zhǔn)斷面(單位：cm)Fig.4 Single standard section of scheme Ⅱ(unit：cm)

1.2.2 管道長度

管道長度確定方式與方案一相同，涵頂60 t級(jí)非公路自卸卡車道路路基寬度為23 m。道路高差為14.5 m，路基兩側(cè)邊坡坡率為1∶1.5，采用坡口削竹式洞口，洞口坡腳采用石籠防護(hù)，經(jīng)計(jì)算，所需鋼波紋管長度為55 m。方案二立面如圖5所示。

圖5 方案二立面(單位：cm)Fig.5 Vertical section of scheme Ⅱ(unit：cm)

1.2.3 結(jié)構(gòu)形式

本立交方案采用1孔30 m×12.5 m鋼波紋管，拱圈采用雙層Q345熱軋鋼波紋板，拱圈內(nèi)采用C40混凝土澆筑，每層鋼板波高500 mm、波距200 mm，鋼板厚度10 mm，鋼混拱圈厚度0.6 m?？v向每榀拱肋寬度為1.5 m，每榀由3塊拱肋構(gòu)成，每榀之間設(shè)置橫隔板，采用高強(qiáng)螺栓對(duì)接安裝。

基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)，一級(jí)基礎(chǔ)寬度為2.5 m，二級(jí)基礎(chǔ)寬度為4.5 m，每級(jí)高度均為1 m，鋼波紋管與混凝土基礎(chǔ)采用螺栓連接。

管涵兩側(cè)均采用礦內(nèi)碎石土分層壓實(shí)回填，每層厚度不超過30 cm，壓實(shí)度不小于96%，拱頂填土高度為2 m。

1.3 方案三

大車在上，小車在下，橋下單車道分離式。

1.3.1 總體布置

波紋管內(nèi)通行60 t級(jí)自卸卡車，管頂上通行220 t級(jí)運(yùn)煤自卸卡車，設(shè)置兩孔波紋管，兩孔之間凈距為5 m。管內(nèi)60 t級(jí)自卸卡車分離單車道行駛。方案三立交標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖6所示。

圖6 方案三立交標(biāo)準(zhǔn)斷面Fig.6 Standard interchange section of scheme Ⅲ

根據(jù)規(guī)范要求，涵內(nèi)60 t級(jí)自卸車單車道行車道寬度不小于6.0 m，兩側(cè)路緣帶寬度為0.75 m，涵內(nèi)道路總寬度不小于7.5 m。

涵內(nèi)道路凈空高度應(yīng)為車輛滿載物料后的最大高度另加(0.5～1.0 m)的安全高度。60 t級(jí)自卸車涵內(nèi)凈空高度要求不小于5.645 m。

結(jié)合以上道路建筑限界要求，本方案采用2孔10 m×9.2 m鋼波紋管可滿足60 t級(jí)排土車通行要求?？紤]到管頂為重型車輛，波紋管采用閉口馬蹄形結(jié)構(gòu)，由半徑分別為5 m、15 m的四心圓構(gòu)成。

1.3.2 管道長度

管道長度確定方式與前兩方案相同，涵頂220 t級(jí)大型礦用卡車雙車道路路面寬度為32.0 m，單側(cè)路肩寬度為2.0 m。道路兩側(cè)應(yīng)設(shè)置安全擋墻，路基總寬度為45 m，道路高差為15 m，路基兩側(cè)邊坡坡率為1∶1.5，采用延長式洞口，洞口坡腳采用石籠防護(hù)，經(jīng)計(jì)算，所需鋼波紋管單孔長度為80 m。

1.3.3 結(jié)構(gòu)形式

本立交方案采用2孔10 m×9.2 m鋼波紋管，拱圈采用雙層Q345熱軋鋼波紋板，每層鋼板波高380 mm、波距140 mm，鋼板厚度10 mm，鋼混拱圈厚度0.6 m。采用高強(qiáng)螺栓連接，波紋管斷面采用雙肋加強(qiáng)構(gòu)造。

鋼波紋管采用埋置式閉口形式。管涵兩側(cè)均采用礦內(nèi)碎石土分層壓實(shí)回填，每層厚度不超過30 cm，壓實(shí)度不小于96%，拱頂增設(shè)土工格柵分層回填，最佳填土高度為6 m。方案三立面如圖7所示。

圖7 方案三立面(單位：m)Fig.7 Vertical section of scheme Ⅲ(unit：m)

2 方案比選

本工程主要有鋼波紋管涵主體結(jié)構(gòu)、管道兩側(cè)碎石土回填、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其他附屬工程。3種方案主要工程量及投資估算見表1。

表1 3種方案主要工程量及投資估算Table 1 Main quantities and investment estimation of three schemes

從表1中可以看出：方案三跨度小，用鋼量少，投資最低，但管道長、回填工程量大，最關(guān)鍵考慮到小車在下、大車在上這種交叉形式目前不適用于西灣露天運(yùn)輸系統(tǒng)，故本次不推薦該方案。方案一相對(duì)孔徑較小，施工相對(duì)容易，車道分離設(shè)置行車安全性較好，因設(shè)置兩孔鋼波紋，用鋼量大，投資高，從經(jīng)濟(jì)方面考慮，推薦選用方案二(大車在下，雙車道)。

3 基礎(chǔ)適應(yīng)性

常規(guī)鋼波紋管是采用波紋狀弧形板通過連接、拼裝形成的一種閉口形式，是典型空間薄殼柔性結(jié)構(gòu)，與周圍填土發(fā)生土鋼相互作用，形成一個(gè)拱性和彈性的復(fù)合受力結(jié)構(gòu)，大大提高了變形能力和地基適應(yīng)能力。鋼波紋管軸向波紋的存在使鋼波紋管具有良好的受力特征，荷載的應(yīng)力集中可以分散更大，尤其在各類不良工程巖土地區(qū)如：軟土地區(qū)、回填區(qū)、膨脹土地區(qū)、濕陷性黃土地區(qū)發(fā)揮鋼材結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。埋置式鋼波紋管依靠土與結(jié)構(gòu)之間的相互作用發(fā)揮其承載力。作為大跨徑結(jié)構(gòu)作用在基礎(chǔ)上的壓力比作用在旁邊結(jié)構(gòu)回填材料上的壓力小，地基承載力的要求一般與支撐側(cè)面填料且不發(fā)生過度沉降的需要有關(guān)。鋼波紋管可選擇開口型或閉口型等形式以適應(yīng)各種地質(zhì)情況和功能要求。

結(jié)合西灣露天煤礦立交工程初步擬定位于開挖后地面上，鋼波紋管基礎(chǔ)位于1140平盤上，參照附近已剝離土層地質(zhì)情況，1140平盤以下為巖石層，因此，鋼波紋基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)是合理的、可靠的。

4 拆除利用

結(jié)合西灣露天煤礦剝離面、排土面向前不斷推進(jìn)，立交工程應(yīng)多次拆裝搬運(yùn)，盡量做到快速拆除、運(yùn)輸和安裝，降低對(duì)露天煤礦生產(chǎn)組織的影響，節(jié)約投資。

在方案研究過程中充分考慮了后期拆除和安裝，每榀寬1.5 m，端頭設(shè)置橫隔板，橫隔板之間采用高強(qiáng)螺栓連接，每榀最大拱肋為拱頂肋，其重量不超過33 t，符合常用吊機(jī)機(jī)械化施工條件，但重載大跨徑鋼波紋管國內(nèi)可借鑒工程甚少，目前仍在研究階段，在重載運(yùn)行下鋼波紋板拱圈會(huì)產(chǎn)生一定的變形。經(jīng)過理論模型計(jì)算，最大變形量在拱頂處為71.3 mm，其它斷面也出現(xiàn)小范圍內(nèi)變形，給鋼波紋管拆除和重新安裝帶來了困難。因此，重載大跨徑鋼波紋管的拆除和利用仍然需要通過工程實(shí)施總結(jié)，從理論和實(shí)踐工程中探索如何提高鋼波紋管涵在煤礦應(yīng)用中的二次回收利用率，以降低后期工程建設(shè)投資。

5 結(jié)論

采用波紋管涵解決了原煤運(yùn)輸系統(tǒng)和剝離運(yùn)輸系統(tǒng)交叉問題，一定程度上杜絕了原露天煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)平面交叉帶來的安全隱患，采用鋼波紋管解決礦用車輛立交問題技術(shù)上是可行的。另外，因礦用卡車尺寸大，車道寬、荷載重，所需鋼波紋管跨徑較大，通道長，用鋼量大，投資較高。根據(jù)西灣露天煤礦目前生產(chǎn)現(xiàn)狀以及擬建在地質(zhì)條件較好的地基上的情況，通過比較后發(fā)現(xiàn)，重載大跨徑鋼波紋管在經(jīng)濟(jì)方面優(yōu)勢(shì)不明顯。后期可從理論研究和實(shí)踐工程中探索如何提高鋼波紋管涵在煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)應(yīng)用中的二次回收利用率，降低后期工程建設(shè)投資。