小煤窑采空区桥梁基础处理.doc

小煤窑采空区桥梁基础处理
一、小煤窑采空区桥梁处理现状
桥型选择受诸多因素的影响，是一个复杂的问题，桥梁设计工程师应根据已有的水文、地质、环境、施工技术、交通运输等资料，作出多种方案，进行反复比较，选出最佳方案。煤窑区桥梁的设计受到采空区特殊地形的影响，需要更好的把握整体设计方案，根据桥梁基础位于不同的采空部位来确定桥梁的基础形式。处理好桥梁与路线、路基、隧道、交叉工程、交通工程、环保工程、造价等的相互关系，对在煤矿采空区设计一条公路或者铁路成功与否尤为重要。而小煤窑除了有一般煤窑空洞塌陷的特点外，还具有密集性与不可操作性。我国采煤区分布较多集中在北方，除了国有煤矿，还有村办的小煤矿，长期以来不断的开采，造成小煤矿采空区分布众多，给公路和铁路建设造成很大不便，尤其对是路面桥梁建设造成较大困扰。目前急需对这一项内容进行全面研究，并给出解决方案，以便在更好的展开桥梁建设。
二、小煤窑采空区地形特点
1、采空区地表类型
一般煤窑比较集中的地方，除了国有的大煤窑之外，还有很多镇办、村办，或者个体的小煤窑，经过多年开采留下了大量的采煤巷道与采空区，给告诉公路或者铁路的修建埋下了很多隐患。在高速公路或者铁路的建设及运营过程中，地下巷道或采空区随着时间的推移必将塌陷，引起上覆岩土层下沉及变形，造成路面变形。如果采空区上面设计的恰好是桥梁，一旦引起地面变形，必将导致桥面扭损，甚至坍塌，后果不堪设想。因此，在采空区上方修筑高速公路，有必要深入研究沿线采空区地表塌陷机理，以便合理处治路基下伏的采空区并保证处理效果。
小煤窑一般为手工开挖，采空范围较窄，开挖深度较浅。研究区小井采深大都在20m深度范围内，平面延伸一般为100一200m，以巷道采掘为主，分布无规律。小煤窑集中地区由于多年开采，回采巷道遍布含煤区，成网格状，有单层开采或2一3层重叠交叉开采，巷道的高度、宽度一般为2一3m，大多不设支撑或在开挖时设有临时支撑，任其自由垮落，缺乏安全保障。因而采空区分布无规律，形成的塌陷坑常不规则。相比于大型煤矿采空区地表沉陷发展规律来说，部分小煤窑地表沉陷滞后于回采生产。特别是塌陷坑的发展明显滞后于煤层回采。这种现象与每个地区松散层厚度相关，且受地表水及地下水动力条件影响。
小煤窑采空区地表类型主要有一下几种： 1．1地裂缝
地裂缝主要分布在各小窑开采边界及冲沟边缘，常单独出现，也可成组出现，或与塌陷坑相伴出现。一般长度为5一lom，宽度为0.10一0.SOm，深0.30一2.60m。若地形高差大，则明显受地形控制，在地形变化大处，即坡度大的陡坎边缘常形成规模较大的拉裂缝。受地形、地貌复杂，冲沟发育，地形高差影响，变化较大，且某些地段第上部地层为黄土，垂直节理发育，则地表沉陷主要表现为地裂缝。
1.2塌陷坑
塌陷坑是煤窑集中地区比较普遍的塌陷类型。多由小煤窑采空形成，分布范围广，危害性大。其平面形态多样，常呈不规则的圆形、椭圆形、长条形等。规模大小不等，一般大者超过50m考，小者不足lmZ，平面上延展长度一般为0.50~6，oom，最长达20.0，宽0.30一4.om，可见深度0.4一4.om，推测其深度一直可以延至基岩顶面。受地下采空区的控制，塌陷坑在地表常呈串珠状分布，类似于黄土“喀斯特”现象，有时由多个塌陷坑一起可组成较大组合体，且各塌陷坑常由地裂缝相连。塌陷坑大多数由地裂缝进一步发展演化而成。采空区所见的塌陷坑出露点大都沿地裂缝发育，即先产生地裂缝，后在地表水流的作用下，裂缝两侧及底部的松散土层被淘蚀带至下伏空洞中，由此发育成塌陷坑。局部也可见孤立塌陷坑，这可能是采空区上覆松散层底部发生潜蚀塌落所致。
2、小煤窑采空区塌陷影响原因
采空区地表沉陷特征主要与采空区尺寸大小、采煤厚度、开采深度、重复采动、地形地貌、松散层的厚度和分布、松散层的组成、井型(小井或大矿)、井田地质构造等有关。一般小煤窑区地表塌陷分布主要受控于以下几个因素。第一，煤层厚度及开采深度，煤层的开采厚度(h)、采空区距地表的垂直深度(H)是决定地面塌陷的两个重要参数，一般以深厚比(H/h)来衡量图。采深越浅或采厚越大，越易形成地表塌陷。第二，重复开采，当上部煤层开采后，其下方煤层再次开采时会使上覆岩土体受扰动程度加剧，进而使之破坏失稳。在相同或相似的条件下，重复采动次数越多，采空区在空间叠置层数就越多，地面塌陷的危险性就越大。一般小煤窑开发集中的地方，地下采空区，空间叠置一般为2一3层，最大可达5层。许多塌陷严重地带都是因浅部古采空区或新近开采的小窑采空区，与其附近或下方深部国营大矿采空区共同作用形成的。另外，地形地势的影响也是主要原因之一。主要表现在陡坡地带常发育地裂缝，且其延伸方位受陡坡的延伸方位控制，而在地形平缓处则常形成塌陷盆地。当基岩之上有厚层松散盖层存在时，盖层松散物质将充填、减缓地层移动产生的裂隙和破坏程度，使地表呈平缓移动，并且使移动盆地的移动变形范围加大。松散层厚度大，常引起地表塌陷的滞后效应。若松散盖层厚度小，则地表塌陷严重，且塌陷常发生在采矿活动之后，滞后时间短。
三、小煤窑采空区桥梁设计方法
小煤窑采空区桥梁设计之前，需要对采空区进行治理，治理方法的选择直接关系到桥梁工程的造价、工期和安全等问题，是治理成功与否的关键。为做到有的放矢,在选择采空区治理方法时,一般采取在技术上可行、经济上合理，又能满足施工进度的要求。并应根据采空区所处的地基条件、道路条件及施工条件等进行选择。
由于小煤窑开采的盲目性, 致使新建桥梁工程基础不得不以钻孔桩通过小煤窑采空区，这些小煤窑煤层厚度一般为110～ 215m ，但由于采空区具体面积不一，大小各异，地下水位也存在差别，在桥梁设计方法上就有所不一样。
另外，桥型选择也需要注意其基本原则：.安全、经济、适用、美观。桥梁基础设计，首先要考虑其有足够的刚度、强度，稳定性和耐久性，保、保证在适用期间有足够的承载力，在特定地区，桥梁还应满足一定的特殊要求，如抗震、抗洪水、抗泥石流等。在满足适用需求后，还需要考虑节约成本，尽量因地制宜、就地取材，选择的桥型也要便于施工和建造，能够利用先进的施工技术和施工设备，以加快施工进度，保证施工质量和施工安全。
具体来说，有以下几种方法。
注浆设计桥墩
高度较矮( h ≤40 m) 的桥墩多采用柱式墩。柱式墩根据外形，可分为圆柱和方柱。圆柱施工中外观质量易控制，且与桩基衔接方便，实际较多采用。从受力上看，截面积相等的方柱和圆柱，方柱抗弯刚度大于圆柱，受力优于圆柱，当体系为连续刚构时，方柱可方便地通过调整两个方向尺寸来调整墩柱的刚度，从而达到调整墩柱受力的目的。方柱的缺点是墩柱与桩基之间需通过桩帽连接，,增加了工程数量，并且山区桥梁地面横坡都较陡，增加柱帽构造还会增加挖方工程量，引起边坡不稳，设计应综合考虑选用方柱或圆柱。另外柱式墩还根据墩多少,分为独柱、双柱、多柱。对于常见路基宽度24. 5 m、26 m，多采用双柱墩。由于地面横坡较陡,两个墩柱高度相差较大，线刚度EI/ L 差距大，导致一个墩两个墩柱受力差异较大，或者由于山区河流狭窄，桥梁与河流斜角角度较大时，避让特殊地物如旧路、光缆等均可采用独柱。对于斜度较大,，柱间距较大，这时应采用多柱。
设计桥墩之前的注浆治理首先要分析采空区长度、宽度、深度以及注浆范围。采空区治理的长度，即公路线走向上采空实际分布长度。当采空区煤层厚度较大，地表变形破坏严重时，采空区治理长度应考虑增加覆盖移动角影响范围内的治理长度。采空区治理的宽度，由公路路基宽度、围护宽度、采空区覆岩影响度三部分构成。采空区治理的深度，原则上为钻至矿层板以下3. 0 m 处。
在确定注浆治理的范围之后，还需要考虑注浆材料。注浆材料及其技术指标中主要对水、水泥、粉煤灰、粘土和水玻璃有一些要求。水:应符合拌制混凝土用水要求，其pH > 4。水泥:水泥标号不应低于32. 5 号，应优先选用矿渣水泥，其次普通硅酸盐水泥、其他类型水泥。如果是采空区中的水对浆液结石体有强至中等腐蚀性,应采用抗硫酸水泥。注浆用的水泥必须符合国家质量标准。粉煤灰：应符合国家质量标准的二级或三级。粘土: 塑性指数不宜小于14 ,粘粒(粒径小于0. 05 m) 含量不宜低于25 % ，有机物含量不低于3 %。石屑或矿渣最大料径与溶洞、空洞和裂隙的宽度有关，一般情况不宜大于1. 0cm ，有机物含量不大于3 %。水玻璃:模数宜为2. 4～3. 0 ，浓度宜为30 Be′～45 Be′。 注浆设备和机具主要有钻机、搅拌机、注浆泵等几项内容。钻机应根据采空区的岩层结构、岩性、注浆孔或帷幕孔的结构、注浆技术要求进行选择。冲击钻机或不取芯的钻具不宜使用,宜采用回转式钻机和带岩管的硬质合金钻头钻进。 搅拌机的转速和制浆能力与工程量、浆液类型和注浆泵的性能相适应。注浆泵每个浆站不少于2 台,其最大排浆量应满足采空区注浆和施工进度的需要,其最大泵压不宜小于4 MPa。 注浆管路及其连接部位, 必须能承受最大注浆压力的1. 5 倍～2 倍,注浆管路拐弯处可采用弧形弯管连接。注浆泵、注浆孔(或帷幕孔) 孔口处必须安装压力表。水泵宜选用潜水泵。泵的排水量和泵的数量应满足工程的需要。
　 以治理一个具体的煤层采空区为例，选用直径不小于50 mm 或127 mm 的钢管，需投入骨料
时，注浆治理一个煤层采空区注浆钻孔注浆可一次完成，宜采用似法兰盘简易注浆或注浆塞、套等方法注浆。通过已有的采空区治理工程实践，采用似法兰盘简易注浆法注浆较为合理。但是，此法亦不完善。当似法兰盘注浆完成后，注浆前发生塌孔或堵孔事故需进行扫孔时，施工难度相当大。即似法兰盘装置一般是起拔不上来的，因此扫孔钻进十分困难。似法兰盘简易注浆法宜采用直径不小于50 mm 钢管作为注浆管，将一端焊接一个大小与开孔孔径相接近的似法兰盘，下入注浆变径处，用少量碎石粘土将似法兰盘与孔壁之间的空隙封堵，然后采用1∶2 水泥浆或42. 5 号快硬水泥稠浆将注浆管与孔壁胶结在一起，水泥浆灌注高度不应小于8 m。
2、浆砌片石砌筑
这个方案主要针对地下水位接近小煤窑采空区底板且水流量较小的区域，采空区顶板岩层较完整，孔壁稳定，孔壁无渗漏水，通过仪器检测，瓦斯浓度含量小，能完全保证施工人员的安全。必须采用JL 6820 型用烷检测，报警仪检测瓦斯浓度，确保施工人员的绝对安全。砌筑前和砌筑过程中需要不断向孔内输送新鲜空气，并且施工人员在孔内的工作时间不宜超过1 h，在施工过程中必须严禁火种, 以防瓦斯爆炸，须清除采空区顶板及底板上的污泥和存碴, 以防渗漏水和浇筑砼时产生离析。
3、拼装钢护筒方案
在小煤窑采空区顶板基本稳定，孔壁基本稳定，有制作钢护筒(D= 6～ 8 mm ) 并能准确就位的条件下，地下水位超过小煤窑采空区顶板1～ 2 m以内，可采用拼装钢护筒方案。在钢护筒吊装前, 要准确量测钻孔孔径及倾斜度。钢护筒加工尺寸要比桩径略小2cm , 但不小于设计桩径。在钢护筒顶部夹塞软棉物, 以防止灌注砼时产生离析。在灌注桩底- 采空顶板上1 m 左右的砼时, 砼浇注速度要减慢, 防止由于侧压力过大, 致使钢护筒变形。钢护筒采用在岸上拼装制作, 严禁在巷道内焊接安装。
4、冲填
当采空区内孔壁岩层较破碎, 有大量裂隙水侵入孔内，地下水位较高, 采用降水等方法无法达到最佳要求时，并且单位工程工期不受限制，施工设备为钻孔中抓机的情况下，可采用填充方案。冲抓钻机钻至采空层时, 即向孔内抛填片石和碎石。其比例为片石∶碎石=8∶2, 同时抛填粘土。利用冲孔钻头将抛填物向采空区巷道四周挤压，按泥夹碎片石安息角形成护壁，反复进行两次左右，直至孔内水位上升。采用这种方法，若遇到一个墩基的四个桩，第一根桩难于形成泥夹碎片石护壁，这时可改变方法，即暂停第一根桩基的冲填，改为第二根桩基施钻，待第二根桩护壁形成, 并浇筑砼后, 再继续第一根的施工。
四、结束语
通过小煤窑采空区特点介绍，以及其形成原因的简单说明，做出了桥梁设计的处理方案分析, 说明只有在开工前, 认真复核采空区大小、以及水文地质、工程地质等情况, 再结合各个单位的施工具体情况, 选择合理的施工方法, 才可能达到既节约成本, 又保证工期之目的。
参考文献：
[1] 范力础.桩基工程设计与施工技术[M ]. 北京: 中国建材工业出版社, 1994.
[2]刘逸华，刘中奇.高速公路采空区治理范围与治理方案的确定[J]. 湖南交通科技，2001.
[3]童立元，等.高速公路下伏采空区间题国内外研究现状及进展口[J].岩石力学与工程学报，2004