采煤沉陷区桥梁加固补强方案研究综述

宋蒙恩 王玮 张庆太 何容

(1.华北水利水电大学 土木与交通学院，河南 郑州 450045；2.中国电建集团港航建设有限公司，天津 300467)

我国煤炭开采量连年居世界第一，煤炭的大量开采形成了许多采空区，采空区周围的围岩和上部覆盖岩层原始应力状态和完整性被破坏。建在沉陷区上的桥梁基础会产生较大的不均匀沉降，以及较大的变形和附加内力，致使桥梁结构出现裂缝、变形甚至倒塌。目前国内外对于采煤沉陷区桥梁的沉陷治理方式主要有：对原有桥梁结构进行顶升加固、对沉陷区地基进行处理和改进桥梁的结构形式。

本文综述了目前国内外关于采煤沉陷区桥梁加固补强相关研究成果，并说明了各种方案的适用条件和不足之处。

1 采煤沉陷区桥型选择研究现状

在采煤沉陷区，选用刚度较大的框架结构桥梁，可以采用更小厚度的顶板和底板以减小结构整体自重和基础底部的应力值，而且在施工过程中对既有桥梁进行加固不影响线路的正常运营。

周鹏程提出了一种采煤沉陷区框架桥交替加高技术。这种技术可以应对较大的沉降量，对铁路线路的生产运营影响较小。由于框架桥交替加高施工是在原有基础上进行续建，增大了结构整体的自重，所以该技术仅适用于已经沉降的区域。

张清峰等以谢桥煤矿济河铁路运煤专线为例，提出采用高压旋喷注浆对箱涵地基进行加固的方法。这种方法在加固的同时不影响桥梁的运输能力，每个箱涵结构都可以独立发生变形。但这种方法需要在箱涵结构底板上钻孔，会降低结构整体强度。

夏军武等对某矿区专用铁路桥进行研究，提出了在原有桥梁上分两个阶段加高，最终满足沉降要求。该方法确保了桥梁在地基大幅度沉降后的结构安全。

陈倩倩提出了采煤沉陷区箱梁桥采用框架结构，分析了基底附加应力和位移变化规律。结果显示，采用箱型框架结构可以有效减少基底最大附加应力和位移。该方法适用于地基承载力不高的区域，但空心的结构形式提高了箱梁的建造成本和建造难度。

孙银荣提出了一种带有扶壁的箱型结构。研究显示，带有扶壁的箱型结构承载力明显提升；随着续建高度增加，带扶壁的箱型结构底板和腹板的承载能力更高。

崔灿提出了一种可续建的U型框架结构桥梁。这种结构可以抵抗较大的变形和应对较大的沉降量，但在续建施工期间铁路线路无法正常使用。

沈英男开展了采煤沉陷区框架桥的模型试验。结果显示，当桥梁上部荷载较小时，荷载的增加对于结构的承载能力是有利的。当在箱涵上部续建箱涵时，上下层箱体之间采用湿接缝连接有利于提高框架结构的承载能力。

根据文献，目前对于采煤沉陷区建筑物的研究主要为建筑物的沉降规律、基底附加应力和变形以及对建筑物的加固措施，对于采煤沉陷区桥梁承载能力特性的研究较少，尤其是抗变形组合框架桥的研究。因此未来可以研究地表的曲率、水平变形以及水平移动对箱梁承载能力的影响规律，研究箱梁的组合形式、数量以及对地基承载能力的影响规律。

2 桥涵顶升加固研究现状

采煤沉陷区桥梁处于不均匀沉降的基础上，破坏形式主要有：桥梁整体发生明显的倾斜；箱式框架结构的腹板扭曲、开裂甚至损坏；顶板的开裂。根据桥梁的结构形式和所处位置地表沉降的特点，可采用不同的方法对原有桥涵结构进行加固和改良。近年来，桥梁顶升技术逐渐在国内广泛应用，顶升是通过千斤顶及其他辅助设备，在保持桥梁原有受力状态下将桥梁上部结构移动至设计高度的桥梁防护技术。这种方法施工速度快、投资少，且不中断交通，也适用于采煤沉陷区桥梁的治理。

我国最先应用顶升技术对桥梁进行加固改造的是天津市狮子林桥。这种技术最大限度地保留了狮子林桥的原貌和使用功能，与拆除重建相比，缩短了工期并节约了62%的资金。

袁鑫等以成都某高架桥为例，研究了桥梁在大行程顶升过程中的力学行为，改进了弹性地基梁假设不能反映出基础和承台的真实力学特性，并且考虑了结构非线性，为类似的大行程桥梁顶升工程提供了参考。

杨洋以北江大桥连续梁顶升改造工程为背景，总结了桥梁解联过程和操作要点，提出应该以解联后桥梁的应力、变形和桥型为关键要素，判断解联方案的可行性以及解联过程的安全性，对原桥进行加固处理。

刘长卿以某立交引桥整体顶升工程为例，阐明了施工过程关键技术，提出了交替顶升的方案。

张洪善对南浦大桥顶升工程进行研究，监测顶升过程中桥梁的内力。实时监测盖梁的变形和位移，有助于了解顶升过程中桥梁的应力和变形的变化规律。

徐汉江分析了不同桥型整体顶升的安全性，认为梁式结构体系和无水平推力的拱式结构可采取合理的措施进行安全顶升，并对平旺运河整体顶升进行了经济性分析。结果显示：相对于整体拆除重建，桥梁结构整体顶升的造价可节约90%。

洪宜峰以某特大桥为例，介绍了长联桥梁大行程顶升施工中的关键技术和施工方法，分析了不同荷载组合情况下支撑体系的强度和稳定性，并验算了最不利荷载情况下支撑体系的应力状态。

目前国内桥梁顶升加固技术有着从简支梁桥到连续梁桥和钢构桥、从小跨径桥梁到大跨径桥梁、从竖向顶升到水平移动的发展趋势。顶升方案考虑的因素逐渐增多，顶升技术逐渐成熟，由各部分分别顶升到桥梁整体同步顶升，由人工控制液压系统到PLC智能液压控制。随着相关规范的制定与完善，以及智能化设备的研制，桥梁顶升技术的应用会更加广泛。

3 采空区地基加固研究现状

长期大规模的地下煤炭开采，采空区逐渐扩大，上部的岩层逐渐失去支撑，产生沉降甚至坍塌，对生产桥产生严重的威胁]。因此对于采空区的治理具有重要的现实意义。

根据文献，目前采空区地基处理措施主要有如下4种：

（1）将采空部分进行充填，可以彻底消除地基不均匀沉降对上部桥梁的危害。充填方法有注浆、水力和风力充填，其中注浆充填因其效果好而运用广泛。但若遇到溶洞、暗河等会浪费大量注浆材料且充填效果差，因此该方法适用于地下情况已探明的采空区。

（2）在采空区设置墩柱、注浆柱或大直径的钻孔桩对采空区顶部覆岩进行支撑，减小其空间跨度，防止上部岩体垮塌。该方法需要评估采空区顶部覆岩的承载力情况，通过合理设置支撑的位置和数量达到加固效果，同时兼顾经济效益。

（3）加固采空区各方位的围岩结构，对断裂带进行充填，提高围岩结构整体性和刚度，使采空区只产生相对均匀的沉降。该方法并不能彻底治理采空区的沉降，只适用于沉降缓慢的区域。

（4）对于地表尚未开发利用的采空区，可以采取措施加快沉降速度，待沉降稳定后再建造桥梁。常用方法有堆载预压和水诱导沉降法。

开采沉陷区地质条件复杂，采空区的危害性难以预估，因此需要采取合理的预测和评估方法。采空区治理后的效果评价虽有众多手段，但是没有成熟的规范或规程可依，评估标准的合理性有待进一步研究。

4 结语

本文从采煤沉陷区抗变形框架桥、桥梁顶升加固技术和采空区地基加固3个方面综述了采煤沉陷区桥梁加固补强治理相关研究。抗变形框架桥方面的研究主要集中在地表沉降引起地上建筑产生变形、附加应力以及相应的加固措施。现阶段的抗变形框架桥可应对的沉陷高度较小，桥梁虽可以逐渐加高，但在施工过程中线路无法正常运行，经济价值不高。可以进一步研究出可抵抗更大沉降量的框架结构，或采用轻质高强的材料减轻地基的负载。桥梁整体顶升技术已逐渐智能化方向发展。作为施工速度快且经济效益高的技术，以后将会得到广泛应用。目前关于简支梁桥和简单连续梁桥的整体顶升技术研究较多，可以进一步研究钢构桥和拱式桥的整体顶升技术。采空区地基加固措施相对单一且尚无系统成熟的规范可遵循，未来有关学者可加强研究。