小伙盘大桥采空区治理加固范围分析

张 京 王恩波 庞 磊

(1.陕西能源职业技术学院，陕西 咸阳 712000;2.陕西工业职业技术学院土木工程学院，陕西 咸阳 712000； 3.西北有色勘测工程公司，陕西 西安 710054)

小伙盘大桥采空区治理加固范围分析

张 京1王恩波2庞 磊3

(1.陕西能源职业技术学院，陕西 咸阳 712000;
2.陕西工业职业技术学院土木工程学院，陕西 咸阳 712000； 3.西北有色勘测工程公司，陕西 西安 710054)

介绍了小伙盘大桥工程的地质概况，对桥下采空区的情况进行了调查，根据荷载在土中的扩散规律，对小伙盘大桥的桥基影响范围进行了计算，确定了治理加固范围，对类似工程的治理具有一定的参考意义。

采空区，治理，荷载传递，加固范围

1 概述

1.1 工程概况

K31+485小伙盘大桥位于大(柳塔)至石(马川)一级公路K31+221.9～K31+740.1路段，桥梁全长518.2 m，桥梁结构为17 m×30 m预应力混凝土连续箱梁，最大桥高50 m；线路穿越处为黄土梁峁沟壑及黄土冲沟地貌，该里程段地形起伏变化较大。

通过对该区域进行钻孔勘探，在桥梁东侧K31+540～K31+760路段(11号～17号桩基)发现采空区，高度2.1 m，考虑到桥梁的安全性及正常使用，要对该区域进行采空区治理；桥梁西侧K31+240～K31+540路段(1号～10号桩基)未发现采空区，但经调查，周边煤层已被开采，考虑到周边采矿的影响，该区域会产生塑性变形，形成塑性区，对此应采取相应措施进行加固。

1.2 采矿情况调查

通过现场采空区调查，小伙盘大桥下伏煤矿采空区为2008年秦家沟煤矿整合后宝山煤矿开采形成的，开采时间为2008年—2011年，开采煤层为②-2煤层，厚度2.1 m～2.5 m，平均厚度为2.3 m，采空区埋深15 m～90 m(路基埋深约15 m～75 m)平硐开拓，房柱式开采，一般采4.5 m～5 m，预留7 m煤柱，回采率约40%左右，自由跨落法顶板管理方式。其中桥梁桩基底部距离采空区(煤层)顶部之间的顶板厚度0 m～40.3 m之间(具体详见表1)，顶板为微风化砂岩组成。

表1 桩基底部与煤层顶板距离

1.3 治理方案

针对小伙盘大桥的情况以及下部采空区的状况，综合考虑社会影响、工程造价、施工工期以及施工工艺等方面因素，本着“一次根治，不留后患”的设计原则，提出采用全充填式注浆治理+局部桩基加长方案。

在采空区影响桥梁的范围内采用注浆注砂全充填间歇式注浆，同时对8号、9号、10号桩基进行加长，使之穿过下部采空区，嵌入底板微风化砂岩，塑性区范围内注水泥浆。

2 采空区治理工程范围确定

2.1 治理设计标准

根据煤炭部1986年制定的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤规程》。

本设计选取标准如下：

工后最大下沉值为：W1=54.8 mm～109.6 mm(对于30 m跨径)。

工后最大水平位移值：U1=16.44 mm～32.88 mm(对于30 m跨径)。

工后允许的最大倾斜值：i≤±3.0 mm/m。

工后允许的最大竖曲率值：k≤±0.2 mm/m2。

工后允许的最大水平变形值：ε≤±2.0 mm/m。

2.2 治理加固范围

2.2.1 治理长度确定

根据采空区调查，K31+485小伙盘大桥位于在建大(柳塔)至石(马川)一级公路K31+221.9～K31+740.1路段，桥梁全长518.2 m，其中K31+240～K31+540段受周边采矿影响，产生塑性变形，形成塑性区；K31+540～K31+760段存在煤矿采空区。故塑性区加固段长度为300 m，采空区加固段长度为220 m。

2.2.2 塑性区加固段宽度

依据JTG D63—2007公路桥涵地基与基础设计规范，群桩作为整体基础计算，桩基可视为如图1中的acde范围内的实体基础，按式(1)计算：

(1)

对实体基础，基底处的附加应力(p0=p-γ0d)向下传递时按某一角度θ向外扩散分布于较大的面积上，θ按持力层与采空区所在煤层的压缩模量之比Es1/Es2确定，取θ=25°。根据基底与计算深度处扩散面积上的附加应力相等的条件，可得：

(2)

pc=γ0d。

其中，a，b分别为基础底面长度和宽度；γ0为基础埋深范围内土的加权平均重度；d为基础埋深；z为基底以下附加应力计算深度，取至0.1倍～0.2倍的原岩应力，pz≤0.1γm(d+z)；θ为地基压力扩散角；pk为基底平均压力设计值。

治理范围计算示意图见图2，塑性区治理宽度计算表如表2所示。

表2 塑性区治理宽度计算表

由表2可以看出，桥梁每跨桩底荷载在煤层底板扩散范围为16m×34m，确定塑性区加固段宽度34m。对8号、9号、10号桩底以下煤层进行局部注浆，每跨治理范围为16m×34m(同1号～7号桩基)。

2.2.3 采空区加固段宽度

根据《矿山开采沉陷学》保护煤柱预留方法，采空区对桥梁横向影响宽度是以桥梁桩基宽度20.6m，加每侧10m保护带为起点，向两侧第四系松散沉积层按移动角θ考虑，基岩走向方向移动角按δ考虑，由于沿线采空区地段的岩层产状近水平，走向与路线轴线方向近于垂直，因此，计算时按两者垂直情况考虑。根据路基设计规范中对采空区路基的相关规定，并参考已建的高速公路上对煤矿采空区设计和采空区治理经验，结合本工程的具体特点,对采空区治理宽度进行了综合确定。计算图如图3所示。

通过对采空区横向影响宽度的计算(式(3))，考虑浆液的扩散性，兼顾治理工程的经济性，采空区横向治理宽度见表3。

L=D+2B+2(hcotθ+Hcotδ)

(3)

式中：D——公路路基底面宽度；

B——路基围护带一侧宽度，取10m；

H——采空区上覆基岩厚度；

θ——松散层移动角；

δ——走向方向采空区上覆基岩移动角；

h——松散层厚度。

表3 采空区横向治理宽度计算表

3 结语

1)采空区治理长度根据采空区调查，在桥梁全长范围内，受周边采矿影响产生塑性变形加固段长度为300m，采空区加固段长度为220m。

2)对于1号桩基～7号桩基桥梁每跨桩底荷载在煤层底板扩散范围为16m×34m，确定塑性区加固段宽度34m。

3)对于11号桩基～13号桩基桥梁，确定采空区横向治理宽度75m，每跨治理范围为16m×75m；对于14号桩基确定采空区横向治理宽度82m；对于15号桩基确定采空区横向治理宽度90m；对于16号桩基～17号桩基桥梁,确定采空区横向治理宽度110m，每跨治理范围为16m×110m。

4)对8号、9号、10号桩基进行加长，使之穿过下部采空区，嵌入底板微风化砂岩。

[1] 中煤科工集团西安研究院.大(柳塔)至石(马川)一级公路下伏煤层采空区工程地质勘察报告(详细勘察阶段)[R].2011.

[2] 榆林市荣岩地质勘探有限公司.敏(盖兔)至石(马川)一级公路采空区调查报告[R].2010.

[3] 交通部.公路上(下)采空区勘察、设计与施工技术规范[S].2002.

[4] 山西省交通厅.高速公路采空区(空洞)勘察设计与施工治理手册[M].北京：人民交通出版社，2005.

[5] JTG D63—2007，公路桥涵地基与基础设计规范[S].

[6] JTJ 013—95，公路路基设计规范[S].

The analysis of Xiaohuopan bridge reinforcement scope of goaf treatment

Zhang Jing1Wang Enbo2Pang Lei3

(1.ShannxiVocationalCollegeofEnergyResources,Xianyang712000,China; 2.CivilEngineeringInstitute,ShannxiVocationalCollegeofIndustry,Xianyang712000,China; 3.NorthwestNon-ferrousSurveyEngineeringCo.,Ltd,Xi’an710054，China)

The paper introduces geological conditions of Xiaohuopan bridge engineering, surveys mined-out area conditions, calculates influential scope of Xiaohuopan bridge foundation according to load expansion law in the soil, and finally determines processing reinforcement scope, which has certain guiding meaning for similar engineering treatment.

mined-out area, treatment, load transmission, reinforcement scope

2015-04-06

张 京(1987- )，男，硕士，助教； 王恩波(1987- )，男,硕士，助教； 庞 磊(1987- )，男，硕士，助理工程师

1009-6825(2015)17-0055-03

U445.72

A