采煤沉陷區橋梁加固補強方案研究綜述

宋蒙恩 王瑋 張慶太 何容

(1.華北水利水電大學 土木與交通學院，河南 鄭州 450045；2.中國電建集團港航建設有限公司，天津 300467)

我國煤炭開采量連年居世界第一，煤炭的大量開采形成了許多采空區，采空區周圍的圍巖和上部覆蓋巖層原始應力狀態和完整性被破壞。建在沉陷區上的橋梁基礎會產生較大的不均勻沉降，以及較大的變形和附加內力，致使橋梁結構出現裂縫、變形甚至倒塌。目前國內外對于采煤沉陷區橋梁的沉陷治理方式主要有：對原有橋梁結構進行頂升加固、對沉陷區地基進行處理和改進橋梁的結構形式。

本文綜述了目前國內外關于采煤沉陷區橋梁加固補強相關研究成果，并說明了各種方案的適用條件和不足之處。

1 采煤沉陷區橋型選擇研究現狀

在采煤沉陷區，選用剛度較大的框架結構橋梁，可以采用更小厚度的頂板和底板以減小結構整體自重和基礎底部的應力值，而且在施工過程中對既有橋梁進行加固不影響線路的正常運營。

周鵬程提出了一種采煤沉陷區框架橋交替加高技術。這種技術可以應對較大的沉降量，對鐵路線路的生產運營影響較小。由于框架橋交替加高施工是在原有基礎上進行續建，增大了結構整體的自重，所以該技術僅適用于已經沉降的區域。

張清峰等以謝橋煤礦濟河鐵路運煤專線為例，提出采用高壓旋噴注漿對箱涵地基進行加固的方法。這種方法在加固的同時不影響橋梁的運輸能力，每個箱涵結構都可以獨立發生變形。但這種方法需要在箱涵結構底板上鉆孔，會降低結構整體強度。

夏軍武等對某礦區專用鐵路橋進行研究，提出了在原有橋梁上分兩個階段加高，最終滿足沉降要求。該方法確保了橋梁在地基大幅度沉降后的結構安全。

陳倩倩提出了采煤沉陷區箱梁橋采用框架結構，分析了基底附加應力和位移變化規律。結果顯示，采用箱型框架結構可以有效減少基底最大附加應力和位移。該方法適用于地基承載力不高的區域，但空心的結構形式提高了箱梁的建造成本和建造難度。

孫銀榮提出了一種帶有扶壁的箱型結構。研究顯示，帶有扶壁的箱型結構承載力明顯提升；隨著續建高度增加，帶扶壁的箱型結構底板和腹板的承載能力更高。

崔燦提出了一種可續建的U型框架結構橋梁。這種結構可以抵抗較大的變形和應對較大的沉降量，但在續建施工期間鐵路線路無法正常使用。

沈英男開展了采煤沉陷區框架橋的模型試驗。結果顯示，當橋梁上部荷載較小時，荷載的增加對于結構的承載能力是有利的。當在箱涵上部續建箱涵時，上下層箱體之間采用濕接縫連接有利于提高框架結構的承載能力。

根據文獻，目前對于采煤沉陷區建筑物的研究主要為建筑物的沉降規律、基底附加應力和變形以及對建筑物的加固措施，對于采煤沉陷區橋梁承載能力特性的研究較少，尤其是抗變形組合框架橋的研究。因此未來可以研究地表的曲率、水平變形以及水平移動對箱梁承載能力的影響規律，研究箱梁的組合形式、數量以及對地基承載能力的影響規律。

2 橋涵頂升加固研究現狀

采煤沉陷區橋梁處于不均勻沉降的基礎上，破壞形式主要有：橋梁整體發生明顯的傾斜；箱式框架結構的腹板扭曲、開裂甚至損壞；頂板的開裂。根據橋梁的結構形式和所處位置地表沉降的特點，可采用不同的方法對原有橋涵結構進行加固和改良。近年來，橋梁頂升技術逐漸在國內廣泛應用，頂升是通過千斤頂及其他輔助設備，在保持橋梁原有受力狀態下將橋梁上部結構移動至設計高度的橋梁防護技術。這種方法施工速度快、投資少，且不中斷交通，也適用于采煤沉陷區橋梁的治理。

我國最先應用頂升技術對橋梁進行加固改造的是天津市獅子林橋。這種技術最大限度地保留了獅子林橋的原貌和使用功能，與拆除重建相比，縮短了工期并節約了62%的資金。

袁鑫等以成都某高架橋為例，研究了橋梁在大行程頂升過程中的力學行為，改進了彈性地基梁假設不能反映出基礎和承臺的真實力學特性，并且考慮了結構非線性，為類似的大行程橋梁頂升工程提供了參考。

楊洋以北江大橋連續梁頂升改造工程為背景，總結了橋梁解聯過程和操作要點，提出應該以解聯后橋梁的應力、變形和橋型為關鍵要素，判斷解聯方案的可行性以及解聯過程的安全性，對原橋進行加固處理。

劉長卿以某立交引橋整體頂升工程為例，闡明了施工過程關鍵技術，提出了交替頂升的方案。

張洪善對南浦大橋頂升工程進行研究，監測頂升過程中橋梁的內力。實時監測蓋梁的變形和位移，有助于了解頂升過程中橋梁的應力和變形的變化規律。

徐漢江分析了不同橋型整體頂升的安全性，認為梁式結構體系和無水平推力的拱式結構可采取合理的措施進行安全頂升，并對平旺運河整體頂升進行了經濟性分析。結果顯示：相對于整體拆除重建，橋梁結構整體頂升的造價可節約90%。

洪宜峰以某特大橋為例，介紹了長聯橋梁大行程頂升施工中的關鍵技術和施工方法，分析了不同荷載組合情況下支撐體系的強度和穩定性，并驗算了最不利荷載情況下支撐體系的應力狀態。

目前國內橋梁頂升加固技術有著從簡支梁橋到連續梁橋和鋼構橋、從小跨徑橋梁到大跨徑橋梁、從豎向頂升到水平移動的發展趨勢。頂升方案考慮的因素逐漸增多，頂升技術逐漸成熟，由各部分分別頂升到橋梁整體同步頂升，由人工控制液壓系統到PLC智能液壓控制。隨著相關規范的制定與完善，以及智能化設備的研制，橋梁頂升技術的應用會更加廣泛。

3 采空區地基加固研究現狀

長期大規模的地下煤炭開采，采空區逐漸擴大，上部的巖層逐漸失去支撐，產生沉降甚至坍塌，對生產橋產生嚴重的威脅]。因此對于采空區的治理具有重要的現實意義。

根據文獻，目前采空區地基處理措施主要有如下4種：

（1）將采空部分進行充填，可以徹底消除地基不均勻沉降對上部橋梁的危害。充填方法有注漿、水力和風力充填，其中注漿充填因其效果好而運用廣泛。但若遇到溶洞、暗河等會浪費大量注漿材料且充填效果差，因此該方法適用于地下情況已探明的采空區。

（2）在采空區設置墩柱、注漿柱或大直徑的鉆孔樁對采空區頂部覆巖進行支撐，減小其空間跨度，防止上部巖體垮塌。該方法需要評估采空區頂部覆巖的承載力情況，通過合理設置支撐的位置和數量達到加固效果，同時兼顧經濟效益。

（3）加固采空區各方位的圍巖結構，對斷裂帶進行充填，提高圍巖結構整體性和剛度，使采空區只產生相對均勻的沉降。該方法并不能徹底治理采空區的沉降，只適用于沉降緩慢的區域。

（4）對于地表尚未開發利用的采空區，可以采取措施加快沉降速度，待沉降穩定后再建造橋梁。常用方法有堆載預壓和水誘導沉降法。

開采沉陷區地質條件復雜，采空區的危害性難以預估，因此需要采取合理的預測和評估方法。采空區治理后的效果評價雖有眾多手段，但是沒有成熟的規范或規程可依，評估標準的合理性有待進一步研究。

4 結語

本文從采煤沉陷區抗變形框架橋、橋梁頂升加固技術和采空區地基加固3個方面綜述了采煤沉陷區橋梁加固補強治理相關研究?？棺冃慰蚣軜蚍矫娴难芯恐饕性诘乇沓两狄鸬厣辖ㄖa生變形、附加應力以及相應的加固措施?，F階段的抗變形框架橋可應對的沉陷高度較小，橋梁雖可以逐漸加高，但在施工過程中線路無法正常運行，經濟價值不高?？梢赃M一步研究出可抵抗更大沉降量的框架結構，或采用輕質高強的材料減輕地基的負載。橋梁整體頂升技術已逐漸智能化方向發展。作為施工速度快且經濟效益高的技術，以后將會得到廣泛應用。目前關于簡支梁橋和簡單連續梁橋的整體頂升技術研究較多，可以進一步研究鋼構橋和拱式橋的整體頂升技術。采空區地基加固措施相對單一且尚無系統成熟的規范可遵循，未來有關學者可加強研究。