采空区铁路桥梁地基加固及强化设计

浑铁链　张莲娜

摘要:文章根据采空区地质条件分布特点,以某桥为例,对采空区的地基加固方法进行了研究,并对加固后的地基残余变形进行了计算和分析。提出了针对多种采空区条件下对桥梁结构进行强化的方法,为采空区内桥梁设计提供参考。

关键词:采空区;注浆技术;桩基础;加固及强化

中图分类号:TD325

文献标识码:A

文章编号:1009-2374(2009)19-0019-03

一、概况

(一)工程概况

太中银铁路为新建客货共线铁路,线路全长942.2km,预留时速200公里,柳林三川河特大桥是众多桥梁中一座,位于山西省柳林县城南侧,桥梁采用孔跨为:8-24m+ 88-32m预应力混凝土梁+2-(32+48+32)m+1-(75+120+75)m预应力混凝土连续梁,采用双线T形桥台,圆端形实体桥墩,采空区影响范围全部采用桩基础,采空区具体情况探明时,部分桥墩基础或墩身已经施工完毕。

(二)地质情况介绍

桥址区为黄土低山丘陵、冲沟地貌,桥址大部分位于三川河河道内,河道地形平坦,地势总体由东向西倾斜。桥址位于柳林单斜区,区内岩层倾角小,均向黄河倾斜,地层平缓,断层、褶皱少而简单。桥址区表覆第四系全新统冲洪积层粗圆砾土及卵石土,下伏二叠系下统砂岩、砂质泥岩、泥质砂岩及石炭系上统砂岩、石灰岩、砂质泥岩、泥质砂岩,岩层基本承载力600～800kpa,20号墩以前较浅层下伏弱风化石灰岩,基本承载力为1000kpa,之后石灰岩埋藏较深。关于煤矿采空分段叙述如下:

第一部分15～19号墩,钻孔深度分布有4层煤层,煤层厚度在1～5.5m,桩基穿过上部两层煤层,桩尖至下层煤层约32m,根据钻探结果,采空部分分布在上面两层煤层,采空区埋深8.3～20.4m,第二部分34、35号墩,钻孔深度分布有三层煤层,煤层厚度在0.5～4.8m,根据钻探结果,采空区埋深31～34.1m。第三部分60号墩,钻孔深度分布有二层煤层,煤层厚度在4.2～4.9m,根据钻探结果,采空区埋深71.2～73.5m。

(三)桥下采空区稳定性及采空简介

14～20号墩顶板厚度3～44m,属于顶板及地基不稳定段,29～40号墩顶板厚度27～38.5m,属于顶板及地基不稳定段,58～64号墩顶板厚度44～60m,属于顶板及地基稳定性差段。各墩台采空情况见表1:

(四)采空区的特点

从调查、钻探结果分析研究后,该桥下分布的采空区定性为古小窑采空区,分散不规则、无规律,埋藏深度不等,为巷道式开采,未形成大面积采空。铁路桥梁经过采空区时,对铁路桥梁的安全性、稳定性存在较大的安全隐患,采空顶板的荷载增加、岩层进一步风化、火车行车时的震动影响等诸多因素都有可能造成采空区坍陷、沉降,致使铁路桥墩产生下沉、倾斜,严重危及铁路行车安全。

(五)采空区处理的对策

线路通过采空区通常采取的处理措施主要有:埋藏较浅的采空区,宜采用明挖回填处理;埋藏较深、坑道通畅的采空区,宜采用片石回填、支顶、注土浆等措施处理;埋藏较深、多层重叠交错、无法进入的采空区,宜采用注浆或灌砂处理。采空区处理应在安全煤柱范围内,以处理采空区、冒落带和裂隙带为主,采取探灌结合的方式进行。

二、采空区桥梁地基加固

(一)地基加固宽度的确定

地基加固宽度为桥梁承台影响范围内的采空区。全桥受影响的三段范围分别为14～20号墩、29～40号墩、58～64号墩,采空区地基加固宽度的计算原则:

地基加固宽度为受护对象外留围护带向两侧按岩层移动角考虑所确定的边界宽度,即B=受护对象+围护带宽度+受护带宽度+H左*ctgβ左+ H右*ctgβ右。

式中:

B——地基加固宽度;

围护带宽度——按《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中国家一级铁路围护带宽度,取20m;

H左——线路左侧围护带边界至采空区底板的垂直距离;

H右——线路右侧围护带边界至采空区底板的垂直距离;

β左、β右——采空区上覆岩(土)移动角。

对桥梁工程的处理宽度设计如图1所示:

(二)地基加固长度的确定

根据地质物探异常,结合钻探采空确定地基加固的基本范围,保护边界和外围区的计算原则同上。需地基加固的三部分的基本范围里程分别如下:第一部分,改DIIK202+098～改DIIK202+353;第二部分,改DIIK202+598～改DIIK202+976;第三部分,改DIK203+479～改DIIK203+751。

(三)地基加固深度的确定

注浆孔钻至采空区冒落带底板或煤层底板以下3.0m终孔,但是当终孔位置接近下一层煤层时,应穿过煤层至底板以下3.0m终孔。

(四)注浆平面范围及注浆孔间距的确定

浆液扩散范围的大小除了与注浆压力、充填材料种类、浆液浓度和注浆方法有关外,更主要的是受岩层裂隙、岩体空洞及其联系程度的影响。本次设计借鉴了多条公路和铁路采空区注浆地基加固经验,参照冶金部《注浆技术规程》中土层、岩层注浆扩散半径,经专家论证会确定,围护带总宽度确定为40m,其中保护边界宽度20m,维护带宽度20m。注浆孔间距确定桥梁承台本体范围内3m×3m,保护边界范围内采用5m×5m,维护带范围及外围影响范围内注浆孔间距为12m×12m,最外一排孔(帷幕孔)间距为3m,注浆孔的布置围护带及以内采用梅花形布置。实际布置主体范围内的注浆孔间距略大于3m,以确保注浆孔与主体桩基不冲突,围护带范围内当注浆孔与桩基冲突时,适当移动注浆孔位置。

(五)桥墩不同施工进度的注浆孔布置方案

1.未进行基础施工的墩台(含桩基已施工,承台未施工者)。注浆孔间距确定桥梁承台本体范围内3m×3m,围护带范围内采用5m×5m,受护带范围及外围影响范围内注浆孔间距为12m×12m,最外一排孔(帷幕孔)间距为3m。注浆孔的布置:围护带及以内采用梅花形布置。承台本体范围内当注浆孔与桩基冲突时,适当移动注浆孔位置。

2.已进行基础施工的墩台,采用斜孔注浆方式。用于采空区埋藏较深,桩尖在采空区之上,并已进行承台施工的墩台,在桥梁承台本体范围以外1.0m按3.0m间距布垂直注浆孔,桥梁承台本体两侧以外3.0m各布一排斜孔,间距视桩基位置确定,注浆孔布于桩基纵向投影之间,以尽量减轻注浆对结构的影响,注浆孔斜度按采空区深度及注浆孔孔口与采空区交点投影距离进行反算。注浆孔布置如图2所示。

(六)浆液配合比及注浆压力

根据以上采空区地基加固经验和当地材料供应情况,确定注浆浆液采用水泥粉煤灰浆或水泥黄土浆,桥梁工程水泥粉煤灰浆水泥与粉煤灰的重量比为4∶6。鉴于采空区地段地基加固工程在国内尚无规范可参照执行以及小煤窑开采的无规律性,因此在采空区处治工程开始前,应先做注浆孔布置及注浆工艺试验,对设计中的参数做必要的优化和完善。若采空区堆积物松散或存在空洞,注浆过程中可采用较稠的浆液或利用砂浆灌注。采空区地基加固范围内最外一排孔为帷幕孔,并且先注帷幕孔,帷幕孔须在浆液中掺加水泥重量2%的速凝剂(水玻璃),使注入采空区的浆液尽快凝固,以形成帷幕,防止浆液流失。

孔口压力及单孔结束标准检测:在灌注中按技术规定要求按时观测记录孔口压力,当灌注孔的注浆末期,桥梁工程当泵量小于70L/min时,孔口压力在2.0～3.0MPa,稳定 10～15分钟,可结束该孔的注浆施工。

(七)采空区处理监控量测

在施工期间及完工后需对地基加固范围内进行沉降观测,沉降观测布置点:桥梁纵向沿轴线按墩台中心布设,横向以墩台为中心,桥墩顶左右两侧各布置1个测点,同时向两侧布设测点,距中轴线点距依次为10m、20m、30m、40m、50m、70m、100m。在施工期半年内每周观测一次;半年后至一年半内每月观测一次;一年半后至三年内每两个月观测一次。绘制沉降曲线,对采空区变形作出评价,发现问题及时处理,确保铁路安全运营。作出评价后,能确认铁路桥梁结构是安全的,可停止监测,否则,需继续采取工程措施和进行监测。

(八)采空区注浆处理后残余变形的计算方法及结果分析

从小型采空区和巷道的长期破坏作进一步推断,分别采用洞顶坍塌堵塞法、沉陷系数法进行了计算。

计算结果表明,采空宽度较小时,采空空洞破坏形式一般表现为洞顶坍塌,顶板破碎会产生胀余现象,塌落一定程度即被堵塞而不再坍塌,因此,按坍塌堵塞法计算,对于小型空洞在75%及90%的充填率时,不会塌至地表,但塌落范围内会对附近的桩基产生一定的影响。

对于古采空中所采用的树枝式、巷柱式、房柱状及残柱式,当顶板条件较好时,采空宽度也会相对较大,根据柳林地区煤层顶板及当地古窑开采特点,局部方块式采空宽度及长度按5m及50m计算,当空洞充填率为75%时,地表沉陷量为0.10～0.21m;当空洞充填率为90%时,地表沉陷量为0.04～0.09m;若有遗留采空空洞未被充填,则地表沉陷量可能要达到0.37～0.85m。

三、桥梁结构的强化设计

(一)对于采空区埋藏较浅的采空区范围内桥梁的处理

1.未施工桥墩的基础采用桩基穿透采空区。(1)14～19号墩处理方案:14～19号墩在原施工图的基础上按采空区以上岩层塌陷时产生负摩阻进行检算,负摩阻力大小按照-150kpa,取值深度自煤层至承台底。由于采空区以上覆盖层较浅,按照塌陷至地面考虑,14～19号墩桩基根据以上原则进行桩基础设计。(2)29～40号墩处理方案:原则上结合探灌注浆孔是否发现墩下有采空现象决定桩基是否穿透采空区,目前34、35号墩承台下钻探有采空现象,桩基必须穿透采空区,考虑岩层较厚,塌陷时会影响到附近墩,33、36号墩也采取穿透采空区的加强措施; 33～36号墩桩基长度考虑采空区上土层坍陷计算负摩阻按穿透采空区设计。该段剩余桥墩如果注浆过程中发现墩下有采空时再进行桩基穿透采空区加强处理,如未发现采空现象,则不再进行桩基穿透采空区。穿透采空区的桩基检算时负摩阻取值厚度按照采空区顶板以上紧邻的泥质砂岩层或泥岩层一次塌陷产生负摩阻计取,负摩阻力大小按150kpa。

2.已施工的桥墩采用承台外围补桩的处理方案。对于受采空区坍陷范围影响到的20号墩,由于墩身已施工完毕,如果注浆过程中未发现墩下有采空现象,则采空的同层煤以上岩层不考虑负摩阻的影响;如果注浆时发现有采空现象,则再对20号墩已施工基础进行检算、加固设计。考虑到墩身已经施工,应采用原施工承台外围补桩设计,桩基穿透采空区的处理方案。

(二)对于采空区埋藏较深的采空区范围内桥梁的处理

58～64号墩处理方案:在原桥梁施工图设计的基础上对采空区注浆处理后可能发生的沉降、塌落拱高度等进行了检算,检算结果表明按90%充填率计算得出的塌落拱高度为2.3m、地表沉降为0.0298m。鉴于采空区埋藏较深,地表残余沉降量小于桥梁沉降控制标准,且目前仅发现一处采空,分布局限,且进行了注浆处理,同时考虑到有效的节省了大量工程投资,经研究认为可短桩的设计方案,桩基不穿透采空区。

(三)对于位于采空区影响范围之内的连续梁的处理

同时针对该段原设计的32+48+32m连续梁,考虑到连续梁受力特点,对主墩及联间墩的不均匀沉降的要求高,无法适应相邻墩较大的不均匀沉降,故改为(32+14.7+32+32)m简支梁设计方案。

(四)桥墩、支座等采取的其它附加措施

1.以上三段桥梁的支座均改为可调高支座。

2.合理设计桥墩顶帽尺寸,防止桥墩倾斜后,墩顶截面尺寸仍能够满足桥梁养护等的需求。

3.采空区桩基受力复杂,桩基配筋、混凝土强度有所提高,桩身混凝土由原设计的C30混凝土改为C40混凝土。

四、结论

1.铁路桥梁穿越采空区地段设计时,应特别重视采空区的地基注浆加固,加强注浆过程中探灌结合,加强对注浆质量的检测,是铁路桥梁结构安全的重要保证。

2.针对采空区不同的地质条件,不同的桥跨结构应合理采用相应的桥梁加固措施,需要注意的是桥梁结构加固仅是解决采空区方案设计的辅助措施,不能依靠桩基穿透采空区作为解决采空区桥梁安全的主要措施。

参考文献

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作者简介:浑铁链(1974-),男,河北泊头人,铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处工程师,研究方向:桥梁工程;张莲娜(1978-),女,天津人,铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处助理工程师,研究方向:桥梁工程。