采動區(qū)建筑物的保護措施研究

侯智超 李 玥

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，煤炭需求量急劇增加，煤炭開采量隨之加大，煤炭的開采范圍也越來越廣，造成大量的建筑物和構筑物處于礦山采空區(qū)之上。采空區(qū)上方的地表將產(chǎn)生移動和變形，地表的移動和變形會波及建筑物基礎，使建筑物受到不同程度的影響，威脅建筑物的安全，給社會、企業(yè)及居民生命和財產(chǎn)造成了重大的損失。

采動區(qū)建筑物保護是一個涉及采礦工程、結構工程、防災減災工程等多學科的綜合性、交叉性問題。由于地質(zhì)條件、開采方式以及建筑物的基礎、結構形式和地基條件的多樣性和復雜性，使得建筑物保護的研究一直受到制約，進展不大。對此，我們需要加大研究建筑物受采動影響損害的機理，以便更好的保護采動區(qū)建筑物。

1 開采變形對建筑物的危害[1]

1.1 地表下沉對建筑物的影響

地表下沉包括均勻下沉和非均勻下沉，地表非均勻下沉就會形成地表傾斜。

地表均勻下沉時，建筑物或構筑物中產(chǎn)生附加應力很小或者沒有。但當?shù)乇硐鲁亮枯^大而地下水位又很淺時，會使?jié)撍簧仙斐山ㄖ镏車L期積水，改變建筑物基礎所處環(huán)境，從而降低地基強度，影響建筑物使用。

1.2 傾斜對建筑物的影響

由于地表傾斜會使建筑物傾斜，重心偏移，因此對一些底面積小而高度大的建筑物如水塔、煙囪、高壓輸電線鐵塔等影響較大。當傾斜較大使建筑物重心的投影會轉(zhuǎn)移到基礎底面時，可能造成建筑物倒塌。另外傾斜變形會使公路、鐵路、管道、上下水系等的坡度產(chǎn)生變化，從而影響它們的正常工作狀態(tài)。

1.3 地表曲率對建筑物的影響

地表曲率變形包括正(凸)曲率變形和負(凹)曲率變形兩種。曲率變形一般對底面積小的建筑物影響小，對長度大的建筑物影響大。正曲率變形情況下，建筑物的兩端處于“懸空”狀態(tài)，成為中部有支點的雙懸梁，當引起的附加內(nèi)力超過其結構承載力時產(chǎn)生倒八字形斷裂。負曲率變形情況下，建筑物中部處于“懸空”狀態(tài)，成為兩端支點的簡支梁，引起的附加內(nèi)力超過其結構的承載力時產(chǎn)生正八字形斷裂。

1.4 地表水平移動變形對建筑物的影響

水平變形通過建筑物基礎的底面和側(cè)面，使基礎受到土壤的摩擦力、粘著力和被動土壓力的作用，在建筑物上產(chǎn)生附加的水平拉伸或壓縮應力，通常對建筑物影響較大，因此水平變形是危害建筑物的一個重要因素。建筑物越長，其受到的附加水平應力越大。

1.5 扭曲和剪切變形對建筑物的影響

當建筑物處于下沉盆地主斷面上，但其方位與開采邊界或推進方向斜交時，或者建筑物處于下沉盆地非主斷面時將受到地表剪切、扭轉(zhuǎn)變形的影響。在地表剪切變形作用下，建筑物的縱橫基礎間將產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，使建筑物改變原有的平面形狀。由于兩個橫墻處的地表傾斜值不同，導致地表沿建筑物的縱軸中心線產(chǎn)生扭曲變形，使建筑物出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形。當兩個縱墻處的地表傾斜值不同時，將導致地表沿建筑物的橫軸中心線產(chǎn)生了扭曲變形，使建筑物扭轉(zhuǎn)。

2 采動區(qū)建筑物的保護

目前針對采動區(qū)建筑物的保護主要包括:減緩地表變形、建筑物加固和修復以及建造抗變形建筑物。

2.1 減緩地表變形

1)開采方法減緩地表變形。

利用開采方法減緩地表變形主要是根據(jù)井下煤層厚度、采深和地面建筑物的空間位置關系，科學合理地布置采煤工作面、工作面推進方向、回采時間、回采層數(shù)和采煤工藝，使產(chǎn)生的地表變形達到最小。

2)地表注漿減緩地表變形。

煤層上覆巖層力學性質(zhì)差異較大，且下軟上硬時，煤層采后覆巖在垂直方向上的移動呈現(xiàn)時間和空間上的不連續(xù)性和不同步性，于是產(chǎn)生離層。離層形成后，實時地由地面向離層間隙注入粉煤灰等充填材料，達到減小地表變形的目的。這一技術在20世紀 80年代提出，至今還有許多問題尚待進一步研究解決。

3)建筑結構吸收地表變形。

通過開采方法、地表注漿可減緩地表變形，但不可能完全消除地表變形。對建筑物結構采取適當措施，還能吸收消化一部分地表變形。如:在基礎與基礎圈梁之間設置水平滑動層(水平滑動層對吸收水平變形最為有效)，減少基礎的水平變形向上部建筑物傳遞;將較長的建筑物人為設置變形縫，切割成幾個單元的單體，使各單元均勻沉降，提高適應地表變形的能力;在建筑物基礎外側(cè) 1m左右，挖變形補償溝，吸收地表壓縮變形。

2.2 建筑物加固與修復

建筑物加固和修復按其施工時間可分為采前加固、開采影響期間的維護以及采后維修。采前加固是防患于未然，其主要措施有支護墻壁、梁端加支柱、門窗洞的支護、增設扶墻柱、局部拆除重砌加固等。采后維修主要有對已傾斜建筑物調(diào)平扶正(成本約占房屋造價的 40%)、基礎圈梁下面加彈簧墊(德國采用成組的彈簧墊置于房屋基礎之下以抵償?shù)乇聿痪鶆虺两底冃?，但成本較高，約占房屋造價的 60%)、給墻壁裂縫修補勾縫和噴漿等。建筑物加固和修復在低潛水位地區(qū)和地表變形較小情況下不失為有效和經(jīng)濟的方法。

2.3 建造抗變形建筑物

建造抗變形結構建筑主要措施有剛性保護措施和柔性保護措施。

1)剛性保護措施。提高建筑物整體或局部的強度和剛度，以抵抗地表變形影響的措施稱為剛性保護措施。剛性保護措施不能從根本上消除和減緩地表變形，是一種被動保護措施。如果地表變形預計過大，抗變形設計過于保守，會導致經(jīng)濟上不合理;如果地表變形預計過小，抗變形結構設計不足以抵抗地表變形，仍會造成建筑物的損害。在準確的地表變形預計下，抗變形建筑的設計工作也是一個重要環(huán)節(jié)，其設計原則是以地表變形等級劃分為基礎，相應提出保護措施。

2)柔性保護措施。這一措施的實質(zhì)是引導變形集中，吸收大部分地表變形能，提高建筑物抗變形能力。具體做法是人為的在建筑物上部結構或地基基礎上形成弱面，用以吸收部分(甚至全部)采動引起的地表變形，或阻斷地表變形的傳遞和擴展，使建筑具有足夠的地表變形適應性，從而減小結構中的附加應力和可能的變形。

3 采動區(qū)建筑物保護的今后工作展望

1)通過現(xiàn)場實測、室內(nèi)相似試驗以及有限元模擬相結合，進一步加大地表變形對采動區(qū)各種結構形式建筑物影響機理的研究，為采動區(qū)建筑物保護提供更好的理論基礎。

2)在充分預計地表移動變形基礎上，結合不同結構形式建筑物的附加內(nèi)力和變形特點，進行抗變形設計。目前對于砌體結構和混凝土框架結構的抗變形性能研究較為成熟，在采動區(qū)也得到了應用。而鋼框架以及輕鋼結構的抗變形性能更好、自重更輕，是一種更適合采動區(qū)上方地表變形的結構形式，今后應該在采動區(qū)推廣應用。

3)從礦區(qū)建筑物保護角度出發(fā)，如果將地基與建筑物基礎的協(xié)同工作作為一個系統(tǒng)來考慮，著眼于地基與建筑物基礎的協(xié)調(diào)工作，采取措施吸收地表變形能，提高建筑物自身的抗變形能力，可能會有新的思路(滑動層就是一個很成功的措施)。

4)我國是一個多地震國家，而且礦區(qū)有 80%以上位于地震區(qū)。因此在采動區(qū)建筑物需要既抗震又抗變形的雙重保護。目前采動區(qū)建筑物抗震抗變形雙重保護機理還多是局限于理論研究和試驗數(shù)值模擬階段，在實際工程中還沒有得到廣泛的推廣應用。因此，在今后的抗變形研究中，應該考慮地震瞬時荷載的影響，做到抗變形設計與抗震設計相結合，避免資金重復使用，同時能夠提高建筑物的綜合抗變形—抗震能力。

5)隨著煤炭生產(chǎn)的發(fā)展，礦區(qū)的地面建筑物越來越多，而且部分建筑物需興建在采動區(qū)影響范圍之內(nèi)。如果在采動區(qū)新建建筑物時，能根據(jù)開采后地表變形對建筑物影響的程度，對新建建筑物采取合理的抗變形技術措施，使建筑物能有效地抵抗地表變形的影響，就可以經(jīng)濟合理地解決地下開采與地面建筑物保護的矛盾。

[1] 周國銓，崔繼憲.建筑物下采煤[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1983.

[2] 秦 杰.采動區(qū)磚混結構房屋雙重保護的研究[D].徐州:中國礦業(yè)大學，1999.

[3] 夏軍武.采動區(qū)地基—基礎—鋼框架結構共同作用機理及抗變形研究[D].徐州:中國礦業(yè)大學，2005.

[4] 付士根，李全明，王云海，等.采空區(qū)對地表建筑物的影響評價方法研究[J].中國安全科學學報，2007，17(8):144-147.

[5] 鄒友峰.礦山開采沉陷工程[M].北京:中國礦業(yè)大學出版社，2003.

[6] 朱傳禮，常鴻飛.采動區(qū)抗變形設計探討[J].徐州建筑職業(yè)技術學院學報，2006，6(2):9-11.