压复煤炭的公路桥梁建筑

压复煤炭的公路桥梁建筑 邱立舒 辽宁省调兵山市交通局 摘要：公路建设选线在必须通过深层（井采）采煤区，而且有桥梁建筑,一 直是难以解决的问题。通过我市的省道二级公路新梨线,在建设中初步解决了这 个难题。 关键词：煤矿采沉区地下采煤；地上建筑公路桥梁；抗采动变形 新梨公路（沈阳新城子至吉林梨树）系经辽宁省交通厅规划的省道二级公 路，公路南北走向贯穿辽宁省调兵山市。 调兵山市是铁法煤业集团所在地，铁法煤田是年产量 1,800 万吨的大型煤 田，每年地销（汽运）煤量近 800 万吨，新梨公路的建成对调兵山市煤炭运输 及市经济发展会产生很大的社会、经济效应。 但公路在我山市北部经过时，跨越铁法煤业集团大明一矿井田区。由于我 市北部基本都是煤田且许多煤田延展到境外。公路设计选线不是从采沉区穿过， 就是得绕出境外。绕出境外违背了省厅规划的线路。线路最短选在跨大明一矿 井田区三公里，线路经过王河，应设中桥一座。该桥采用 3*20m 跨、宽 15m、 斜交左 55，桩基、予应力空心板，全桥长 66.06m。由于桥位下方是大明一矿 4 煤层 W2W14（4-2）工作面于 2003 年 5 月 15 日采完，当时尚处于地表移动变 形阶段，并且其下方的 15-1 煤、15-2 煤及 16 煤在 2010 还要开采，这就造成 了采煤与建桥之间的矛盾。如果公路改线，一是无地可选，因为再向西（煤田 之外） ，已跨出调兵山市地界，如果桥下留设保安煤柱，将损失煤炭约 99.2 万 吨，煤矿损失巨大，并且造成煤矿采掘工作面接续问题。 为了解决这个问题，我们与铁法煤业集团探讨解决的办法，铁法煤业集团 对新梨公路的建设非常支持，介绍了王河下游铁路桥（也是大明一矿井田区） 是利用我国“三下”采煤新技术，由中国煤炭科学研究院唐山分院设计，1990 年建成抗采动变形桥梁。1994 开始采煤，至 2003 年先后两次（两层）采煤 74 万吨。现在正在安全使用。 根据铁法煤业集团所介绍的情况，我们认为在设计原址建王河抗采动变形 桥梁，花少量抗变形技术措施的费用，避免公路改线，同时，在不影响或少影 响煤矿正常采煤的情况下，与铁法煤业集团协调尽可能根抗变形方案适当调整 桥下采煤工作面的布置，最大限度地减小地表移动变形，减小对桥梁的不利影 响，以便达到桥梁建成后公路正常通车，从而收到双重的经济效益。 这个方案经请铁岭市交通局、公路处同意后，我们邀请了中国煤炭科学研 究院唐山分院进行设计研究。铁法煤业集、大明一矿给予很大支持，提供了井 田布置、采掘及地质资料。 中国煤炭科学研究院唐山分院根据铁法煤业集、大明一矿提供田采掘及地 质资料，根据新梨公路王河桥施工图设计，经过精心研究、测算，认为该桥位 可以建筑抗采动变形桥梁。主要情况分析如下： 1、煤层开采对地表影响的特点 地下煤层的采出，使岩体的原始力学平衡受到破坏，开采煤层的上覆盖岩 层将产生移动、变形与破坏（冒落） ，当开采面积达到一定范围后，移动与破坏 将扩展到地表，使地表产生大面积沉降，地表的下沉量一般可达到开采煤层厚 度的 80以上。 2 我国煤矿井采所采用的采煤方法, 一般都是大面积、连续回采的采煤方法， 顶板管理绝大多数为自由垮落式。例如,缓倾斜煤层的采煤方法一般为走向长壁 式。每个工作面的倾斜长度在 100200m 左右, 工作面走向长度, 根据煤层贮 存情况而定,回采方式是沿走向方向连续推进。随着回采工作面的推进,采空区 的顶板逐渐冒落,在开采煤层上覆盖岩层内自下而上形成“三带” （冒落带、裂 缝带、弯曲带） ，同时开采影响将逐渐波及到地表,引起地表的移动（沉降） 。地 表的移动与变形，在时间上是渐变、连续发生的，空间上呈现出大面积、连续、 平缓的移动、沉陷特征。 我国广大的煤矿科技工作者，在充分研究采矿引起地表移动的特点的同时， 进行了铁路下、建筑物下、水体下的采煤（简称“三下”采煤）工作，并取得 非常成功的经验。 2、桥下采煤的特点和技术关键 2.1 桥梁下采煤的特点 桥梁是公路的重要构筑物，除永久荷载（恒载）之外，以承受可变汽车活 载为主，另外还有偶然荷载。数十吨重的汽车以数十公里的速度通过，对桥梁 产生巨大的冲击力。 采煤引起的地表移动和变形，使桥梁随地表一起产生空间位移与变形。地 表移动和变形主要由五个要素组成：下沉、倾斜、扭曲、水平移动、水平变形。 使桥梁产生空间位置变化最大的是下沉，其次是水平移动。为了使分析方便、 直观，往往将水平移动、倾斜和水平变形分解成顺桥方向（沿桥梁中心线方向） 和垂直桥的方向，即所谓纵向和横向。桥梁下沉的主要危害是破坏了整个线路 的原设计标高，使桥下渲泄洪水的断面减少；纵向倾斜使原来坡度发生变化， 往往形不成一个统一的坡度，各墩台的标高连线，形成一个竖直平面内的折线； 横向倾斜因一般公路桥横向尺寸较小，影响不很大，但各墩台的横向倾斜不一 致时，将产生“三条腿”现象，使梁（板）体受到扭曲，对梁（板）十分不利。 王河桥为预应力空心板，宽度只有 1.29m，扭曲对梁不会造成损坏；纵向水平 移动可使墩台相对位置发生变化，从而改变了墩台之间距离，使梁的间隙产生 变化，假若它们的移动量相等或基本相等，则不会产生较大的拉压变形，一般 说问题不是很大；横向水平位移将会使桥梁纵向中心线在水平平面内由直线变 为折线（直线桥时） ；水平变形则以纵向影响为主，它可使桥梁各跨和全长范围 内伸长（受拉）或缩短（受压） ；曲率对桥梁影响不大，因为墩台为彼此独立的 单个实体，面积不大但刚度很大，特别是扩大基础，弧形支座更是如此。 综上所述，桥下采煤与一般的工业与民用建（构）筑物下采煤有较大的差 异，有其自身的特点。首先是使用特点不同，多种组合的活荷载和偶然荷载， 不断经常地作用于桥上，平时只有结构的自重，从荷载的特点上讲可以称“反 复瞬时动载” ，一般地数分钟车辆就从桥上通过，所以桥下采煤难度较大，安全 问题突出，维修要求严格，这是与常规的建筑物下采煤所不同的；其次是对采 煤方面的要求较严格，一般来说采煤应当服从保桥。这是由于桥梁的构造特点 所决定的。现行设计 20m 以上跨度的桥梁采用的平板橡胶支座或弧形支座，只 有很小的活动量，桥台与梁端、梁与梁的间隙，规范规定只有 2050mm，所以 它对地表移动与变形比较敏感，这些都必须通过事先的详细预计、计算，并在 采煤方面应采取一系列措施加以控制；第三，由于在使用上、构造上的特点， 应采取与其它建筑物不同的维护措施。例如：限速行驶；采动活跃期可以安排 在枯水季节；可以不考虑地下水的影响等等。 3 “三下”采煤的理论与实践表明，煤层开采引起的桥梁移动与变形同地表 一样是一个连续、缓慢、有规律的渐变过程，开采过程中只要及时维修、措施 得当，实现正常开采和安全运输是完全可能的。王河下游铁路桥就是典型先例。 2.2 桥下采煤的技术关键 从地表移动变形的要素与桥梁的特点来看，下沉、倾斜、曲率、水平移动 与水平变形对桥梁的影响与破坏表现形式各不相同，程度不等，而桥梁下采煤 必须确保两条：一是不影响正常排洪，二是保证安全通车。如果桥下采煤仅限 于桥梁附近的小范围，那么桥梁下沉后梁体就成了挡水坝一样，这个问题必须 加以解决。当然自桥址的下游向上游大面积回采，桥梁下沉可能对泄洪影响不 大，但此时，桥面标高与两侧线路又产生了矛盾，影响行车，所以解决下沉问 题就成了桥下采煤的关键之一。解决这个问题必须采取综合措施，不仅要考虑 下沉量与桥下“净空” 、还要考虑下沉后公路纵断面的变化情况。总之， “下沉” 往往是桥下采煤首先关注的问题，它常常对桥下采煤的方案有关键性影响。 再就是桥梁的水平移动和水平变形，即墩、台位置的相对变化情况，这是 安全运输的必要而充分的条件。 如果桥梁所有墩台的位置在矢量方向上的位移，其大小、方向一致即没有 变形或变形很小时，仅仅是桥的位置发生了少量的移动，对桥梁的使用不受影 响。但采动影响使桥梁各墩台的矢量位移不可能完全一样，即使是在移动盆地 的“盆底”位置上，虽然其最终变形不会太大，但在采动过程中，地表受动态 变形（拉、压交替）的影响，桥梁各墩台的矢量位移也不可能完全一样。在正 常的桥梁设计中，梁与台、梁与梁的间隙以及墩台中心的水平坐标和支承垫石 的高程都有严格要求，活动余地很小，因此，如何解决桥梁水平移动量的不等 即水平变形问题，特别是纵向水平变形问题，就成了解决桥下采煤的又一个技 术关键。 一般地说，如能妥善解决下沉及水平变形对桥的影响，上建桥梁下采煤就 可以基本实现。 3、开采影响移动变形预计 由于采煤的影响，在煤层采空区上方的地表形成的凹地（称移动盆地） 。一 般来说（按水平煤层，矩形工作面） ，当采空区的长和宽都超过平均采深的 0.20.3 倍时，才形成地表移动盆地。随着井下采空区面积的扩大，移动盆地 的面积及其最大下沉值也随之增大。 利用“概率积分法”可以进行移动盆地内任意点的地表移动变形预计。进 行地表移动变形预计的目的是为了预测井下煤层开采以后，地表移动与变形的 结果，以及它对公路、桥梁、构筑物等带来什么样的不利影响，并为如何减少 或消除这些影响的技术设计提供科学依据。 4、技术安全保证措施 实现抗变形公路桥下采煤，必须方方面面特别是路矿双方的密切配合与协 作，及时互通信息，建立严格完善的安全保证措施，确保万无一失。 包括：采煤措施、观测措施、维修措施。 5、抗变形王河桥设计要点 5.1 设计高度的确定 根据实际要求按百年一遇的确洪水高程，应满足梁底高出设计水位 0.5 米 （非通航河流）的要求。依据测算的地表移动（沉降量）预计值，确定桥梁高 4 程。 5.2 增加伸缩缝的宽度 依照计算水平位移矢量留设足够的变形伸缩缝宽度，在桥梁与地表共同受 到压缩变形时，梁与梁或梁与背墙不会“顶死”而形成水平力的不利影响。 5.3 增设低承台 采动地表的移动和变形，拉伸和压缩交替出现，对桩基础的影响相对较大， 这种附加力产生是土壤的拉压变形与桩的接触面的摩擦力。磨檫桩桩基的磨檫 力远大于不均匀沉降的影响，但为了增加桩基础的整体刚度，增强抗变形能力， 增设低承台。 5.4 采用等直径桩 基于上述理由将桩径由变直径改为等直径。即桥墩的桩径为 1.40m，桥台 的桩径为 1.20m。 5.5 建议换用弧形支座 为了适应梁在采动影响下有少量位移， 又因各墩台的下沉量不完全相等， 所以拟采用适应性更好的弧形支座，这对梁也比较有利。同时适当加大支承垫 石的配筋尺寸。若换用弧形支座有困难时，应最大限度地加高支座高度 H 值， 减小支座位移的摩擦系数。 5.6 加宽盖梁 地表拉伸区采取防“落梁”措施，适当加宽盖梁的宽度。主要为了在采动 影响下发生地震时，防止造成“落梁”事故。另在采煤影响下，如支座一旦发 生问题时，采取补救措施比较有利。 6、桥梁引道方案 如前所述，采煤引起地表移动变形，是大范围、连续渐变的过程，王河桥 下的工作面回采后，不仅影响桥梁，也必然会影响桥梁引道，本着当前与长远 相结合的原则，根据预计结果，根据公路设计技术规范对桥引道优选纵断线形 方案。 7、方案比较与经济技术分析 考虑到建桥与井下煤层开采的矛盾，根据现状，王河桥有四种方案可以选 择。一是公路部分路段改线，使桥梁位置西移，移至井田之外的无煤区；二是 在桥下方留设保安煤柱；三是推迟建桥时间，待采煤地表移动稳定后再建桥； 四是建设抗变形桥梁。现就上述的四个方案分别加以初步的分析比较。 7.1 改线方案 调兵山市交通局于 2002 年，曾拟出两个具体的改线方案。但改线方案主 要存在以下几个问题：首先大明一矿西翼井田之外已属法库地界，桥梁向西移 至开采影响区外，必须将桥梁建在法库县境内，这样除在调兵山市境内多占 4050 亩耕地之外，同时还需占用法库县土地约 270 亩；其次，改线后虽然桥 梁不受采煤影响，但路线较原来增加 500 米长，仍须建同跨径桥梁，初步估算 改线方案共需增加投资 500 万元。 7.2 留设保安煤柱方案 依据国家煤炭工业局 2000 年制定的建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱 留设与压煤开采规程有关规定，经计算仅桥下所压煤量达 99.2 万吨。另外， 如果留设王河桥保护煤柱，这将使大明一矿整个矿井西翼的采掘工程布局遭到 破坏，造成矿井生产接续极为紧张，并缩短矿井服务年限。以 2002 年原煤售价 109.53/吨计，大明一矿将减少产值 10，865 万元，因此，留设保安煤柱将使煤 5 矿造受巨大损失，这是十分不合理的。 7.3 推迟建桥方案 推迟建桥方案：该方案就是待桥下被压煤炭开采结束（2009 年） 、并因开 采引起的地表移动变形趋于稳定后，再进行建桥工程。但此时因地表下沉、地 面标高降低，为保持桥梁原设计的高程，仍需加高路基和桥梁，只是省下了少 量的桥梁抗变形技术措施费用。按大明一矿的开采计划，待桥下被压煤炭开采 结束，需要等待 67 年后才能正式通车（因最后一个工作面 2009 年 3 月底才 采完，地表移动稳定又需 612 个月） 。该方案因需等待时间太长公路不能通车 而不宜采用。 7.4 建抗变形桥梁方案 该方案的要点是：在现有的路线、桥位均不变动的情况下，采用抗变形技 术，对原桥梁的设计做必要的修改，加入抗变形技术措施，建设抗变形桥梁。 同时铁法煤业集团大明一矿调整部分工作面，以减少桥梁横向变形，该方案使 大明一矿约少采 12.8 万吨煤炭。抗变形公路桥建成后，公路、桥梁均可正常通 车，桥下采煤工作面正常开采，以达到通车采煤两不误的双重效果。