采动区建筑物的保护措施研究

侯智超 李 玥

0 引言

随着我国国民经济的发展，煤炭需求量急剧增加，煤炭开采量随之加大，煤炭的开采范围也越来越广，造成大量的建筑物和构筑物处于矿山采空区之上。采空区上方的地表将产生移动和变形，地表的移动和变形会波及建筑物基础，使建筑物受到不同程度的影响，威胁建筑物的安全，给社会、企业及居民生命和财产造成了重大的损失。

采动区建筑物保护是一个涉及采矿工程、结构工程、防灾减灾工程等多学科的综合性、交叉性问题。由于地质条件、开采方式以及建筑物的基础、结构形式和地基条件的多样性和复杂性，使得建筑物保护的研究一直受到制约，进展不大。对此，我们需要加大研究建筑物受采动影响损害的机理，以便更好的保护采动区建筑物。

1 开采变形对建筑物的危害[1]

1.1 地表下沉对建筑物的影响

地表下沉包括均匀下沉和非均匀下沉，地表非均匀下沉就会形成地表倾斜。

地表均匀下沉时，建筑物或构筑物中产生附加应力很小或者没有。但当地表下沉量较大而地下水位又很浅时，会使潜水位上升，造成建筑物周围长期积水，改变建筑物基础所处环境，从而降低地基强度，影响建筑物使用。

1.2 倾斜对建筑物的影响

由于地表倾斜会使建筑物倾斜，重心偏移，因此对一些底面积小而高度大的建筑物如水塔、烟囱、高压输电线铁塔等影响较大。当倾斜较大使建筑物重心的投影会转移到基础底面时，可能造成建筑物倒塌。另外倾斜变形会使公路、铁路、管道、上下水系等的坡度产生变化，从而影响它们的正常工作状态。

1.3 地表曲率对建筑物的影响

地表曲率变形包括正(凸)曲率变形和负(凹)曲率变形两种。曲率变形一般对底面积小的建筑物影响小，对长度大的建筑物影响大。正曲率变形情况下，建筑物的两端处于“悬空”状态，成为中部有支点的双悬梁，当引起的附加内力超过其结构承载力时产生倒八字形断裂。负曲率变形情况下，建筑物中部处于“悬空”状态，成为两端支点的简支梁，引起的附加内力超过其结构的承载力时产生正八字形断裂。

1.4 地表水平移动变形对建筑物的影响

水平变形通过建筑物基础的底面和侧面，使基础受到土壤的摩擦力、粘着力和被动土压力的作用，在建筑物上产生附加的水平拉伸或压缩应力，通常对建筑物影响较大，因此水平变形是危害建筑物的一个重要因素。建筑物越长，其受到的附加水平应力越大。

1.5 扭曲和剪切变形对建筑物的影响

当建筑物处于下沉盆地主断面上，但其方位与开采边界或推进方向斜交时，或者建筑物处于下沉盆地非主断面时将受到地表剪切、扭转变形的影响。在地表剪切变形作用下，建筑物的纵横基础间将产生相对转动，使建筑物改变原有的平面形状。由于两个横墙处的地表倾斜值不同，导致地表沿建筑物的纵轴中心线产生扭曲变形，使建筑物出现扭转变形。当两个纵墙处的地表倾斜值不同时，将导致地表沿建筑物的横轴中心线产生了扭曲变形，使建筑物扭转。

2 采动区建筑物的保护

目前针对采动区建筑物的保护主要包括:减缓地表变形、建筑物加固和修复以及建造抗变形建筑物。

2.1 减缓地表变形

1)开采方法减缓地表变形。

利用开采方法减缓地表变形主要是根据井下煤层厚度、采深和地面建筑物的空间位置关系，科学合理地布置采煤工作面、工作面推进方向、回采时间、回采层数和采煤工艺，使产生的地表变形达到最小。

2)地表注浆减缓地表变形。

煤层上覆岩层力学性质差异较大，且下软上硬时，煤层采后覆岩在垂直方向上的移动呈现时间和空间上的不连续性和不同步性，于是产生离层。离层形成后，实时地由地面向离层间隙注入粉煤灰等充填材料，达到减小地表变形的目的。这一技术在20世纪 80年代提出，至今还有许多问题尚待进一步研究解决。

3)建筑结构吸收地表变形。

通过开采方法、地表注浆可减缓地表变形，但不可能完全消除地表变形。对建筑物结构采取适当措施，还能吸收消化一部分地表变形。如:在基础与基础圈梁之间设置水平滑动层(水平滑动层对吸收水平变形最为有效)，减少基础的水平变形向上部建筑物传递;将较长的建筑物人为设置变形缝，切割成几个单元的单体，使各单元均匀沉降，提高适应地表变形的能力;在建筑物基础外侧 1m左右，挖变形补偿沟，吸收地表压缩变形。

2.2 建筑物加固与修复

建筑物加固和修复按其施工时间可分为采前加固、开采影响期间的维护以及采后维修。采前加固是防患于未然，其主要措施有支护墙壁、梁端加支柱、门窗洞的支护、增设扶墙柱、局部拆除重砌加固等。采后维修主要有对已倾斜建筑物调平扶正(成本约占房屋造价的 40%)、基础圈梁下面加弹簧垫(德国采用成组的弹簧垫置于房屋基础之下以抵偿地表不均匀沉降变形，但成本较高，约占房屋造价的 60%)、给墙壁裂缝修补勾缝和喷浆等。建筑物加固和修复在低潜水位地区和地表变形较小情况下不失为有效和经济的方法。

2.3 建造抗变形建筑物

建造抗变形结构建筑主要措施有刚性保护措施和柔性保护措施。

1)刚性保护措施。提高建筑物整体或局部的强度和刚度，以抵抗地表变形影响的措施称为刚性保护措施。刚性保护措施不能从根本上消除和减缓地表变形，是一种被动保护措施。如果地表变形预计过大，抗变形设计过于保守，会导致经济上不合理;如果地表变形预计过小，抗变形结构设计不足以抵抗地表变形，仍会造成建筑物的损害。在准确的地表变形预计下，抗变形建筑的设计工作也是一个重要环节，其设计原则是以地表变形等级划分为基础，相应提出保护措施。

2)柔性保护措施。这一措施的实质是引导变形集中，吸收大部分地表变形能，提高建筑物抗变形能力。具体做法是人为的在建筑物上部结构或地基基础上形成弱面，用以吸收部分(甚至全部)采动引起的地表变形，或阻断地表变形的传递和扩展，使建筑具有足够的地表变形适应性，从而减小结构中的附加应力和可能的变形。

3 采动区建筑物保护的今后工作展望

1)通过现场实测、室内相似试验以及有限元模拟相结合，进一步加大地表变形对采动区各种结构形式建筑物影响机理的研究，为采动区建筑物保护提供更好的理论基础。

2)在充分预计地表移动变形基础上，结合不同结构形式建筑物的附加内力和变形特点，进行抗变形设计。目前对于砌体结构和混凝土框架结构的抗变形性能研究较为成熟，在采动区也得到了应用。而钢框架以及轻钢结构的抗变形性能更好、自重更轻，是一种更适合采动区上方地表变形的结构形式，今后应该在采动区推广应用。

3)从矿区建筑物保护角度出发，如果将地基与建筑物基础的协同工作作为一个系统来考虑，着眼于地基与建筑物基础的协调工作，采取措施吸收地表变形能，提高建筑物自身的抗变形能力，可能会有新的思路(滑动层就是一个很成功的措施)。

4)我国是一个多地震国家，而且矿区有 80%以上位于地震区。因此在采动区建筑物需要既抗震又抗变形的双重保护。目前采动区建筑物抗震抗变形双重保护机理还多是局限于理论研究和试验数值模拟阶段，在实际工程中还没有得到广泛的推广应用。因此，在今后的抗变形研究中，应该考虑地震瞬时荷载的影响，做到抗变形设计与抗震设计相结合，避免资金重复使用，同时能够提高建筑物的综合抗变形—抗震能力。

5)随着煤炭生产的发展，矿区的地面建筑物越来越多，而且部分建筑物需兴建在采动区影响范围之内。如果在采动区新建建筑物时，能根据开采后地表变形对建筑物影响的程度，对新建建筑物采取合理的抗变形技术措施，使建筑物能有效地抵抗地表变形的影响，就可以经济合理地解决地下开采与地面建筑物保护的矛盾。

[1] 周国铨，崔继宪.建筑物下采煤[M].北京:煤炭工业出版社，1983.

[2] 秦 杰.采动区砖混结构房屋双重保护的研究[D].徐州:中国矿业大学，1999.

[3] 夏军武.采动区地基—基础—钢框架结构共同作用机理及抗变形研究[D].徐州:中国矿业大学，2005.

[4] 付士根，李全明，王云海，等.采空区对地表建筑物的影响评价方法研究[J].中国安全科学学报，2007，17(8):144-147.

[5] 邹友峰.矿山开采沉陷工程[M].北京:中国矿业大学出版社，2003.

[6] 朱传礼，常鸿飞.采动区抗变形设计探讨[J].徐州建筑职业技术学院学报，2006，6(2):9-11.