鋼波紋管涵在采空區(qū)道路恢復(fù)工程中的應(yīng)用

白 寧

(長治公路分局長治公路管理段，山西 長治 047100)

鋼波紋管涵在采空區(qū)道路恢復(fù)工程中的應(yīng)用

白 寧

(長治公路分局長治公路管理段，山西 長治 047100)

為解決采空區(qū)道路塌陷恢復(fù)工程中涵洞易受沉降作用遭損毀破壞的問題，對(duì)采空區(qū)塌陷特點(diǎn)和鋼波紋管性質(zhì)進(jìn)行了分析，并通過工程實(shí)例闡述了鋼波紋管涵在采空區(qū)恢復(fù)工程中的施工工藝和應(yīng)用效果。

鋼波紋管涵，采空區(qū)，應(yīng)用

0 引言

地下煤層被回采過后，在不同的地質(zhì)構(gòu)造情形下，會(huì)發(fā)生或急或緩的地面塌陷，甚至造成小范圍地形地貌的顯著變化，即煤礦采空區(qū)。采空塌陷對(duì)人們的生產(chǎn)生活造成極大影響，對(duì)道路交通而言，則是帶來近似災(zāi)難性的后果。綿延數(shù)百米甚至數(shù)公里的道路因處于采空區(qū)而造成大面積損毀，縱斷高程完全改變，路面嚴(yán)重塌陷變形，構(gòu)造物功能喪失，通行能力急劇下降且嚴(yán)重威脅道路行車安全。由于采空塌陷達(dá)到沉穩(wěn)是一個(gè)緩慢和不規(guī)律的過程，因此未達(dá)到沉穩(wěn)前，要采取數(shù)年的養(yǎng)護(hù)保通措施，穩(wěn)定后方可進(jìn)行工程恢復(fù)。即使經(jīng)過數(shù)年達(dá)到穩(wěn)定(一般是3年左右)之后，也可能還會(huì)產(chǎn)生輕微的不均勻沉降等局部變形，構(gòu)造物特別是涵洞對(duì)這種輕微變化相對(duì)于路基路面更為敏感，因此在工程恢復(fù)中，要著重對(duì)涵洞進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，以期達(dá)到抵抗不均勻沉降的目的。

1 煤礦采空區(qū)的成因與地面塌陷特征

1)煤礦采空區(qū)形成機(jī)理。地下煤炭資源一般采用回采方式進(jìn)行開采，即先打通巷道，直到掘進(jìn)至計(jì)劃開采面的遠(yuǎn)端。巷道掘進(jìn)期間由于采取了錨桿固定、木樁支撐等安全防護(hù)措施不會(huì)造成坍塌。正式開采的工作面即回采工作面，回采開始后，支護(hù)將逐一撤除，退至井口位置即回采完畢。當(dāng)煤層采掘工作面采空以后，采空區(qū)上部的覆巖及采空形成的煤柱邊幫，均形成自由面。原來的應(yīng)力平衡被破壞，在上覆巖土層重力作用下，覆巖承受的壓力隨著采空區(qū)范圍的擴(kuò)大而增加，當(dāng)這種壓力超過煤層頂板巖石的承載力以后，頂板巖石就會(huì)破裂塌落形成冒落帶。冒落的巖塊大小不一，雜亂無章地充填到采空區(qū)。冒落的巖塊與上部巖層相接觸，但支撐力已不足以托住上部的巖層，于是上部巖層下沉，向下彎曲，并且破裂，產(chǎn)生裂隙，即形成裂隙帶。裂隙帶巖層上部的巖層，由于裂隙帶的巖層向下彎曲，在自身重力及上覆巖層的重壓下，發(fā)生整體向下彎曲，但既不破裂，也不脫落，故稱為彎曲帶。在彎曲帶影響下地面上造成塌陷，形成塌陷盆地、塌陷坑。

2)影響長治縣境內(nèi)省道長晉線的煤礦采空區(qū)道路塌陷過程及特征。長治縣境內(nèi)省道長晉線煤礦采空區(qū)路段為三級(jí)公路，2006年進(jìn)行路面改造，路面路基寬度8 m，油面寬度7 m，兩側(cè)各設(shè)50 cm寬片石混凝土矮墻。該煤炭開采工作面與路線法向夾角約為40°，回采面在線內(nèi)長度約為300 m，預(yù)計(jì)影響長度為650 m。

2011年年初巷道掘進(jìn)期間，路面未發(fā)現(xiàn)明顯變形破壞?；夭砷_始后，片石混凝土矮墻相對(duì)路面出現(xiàn)拱起破裂，經(jīng)實(shí)測(cè)，路面實(shí)際已發(fā)生輕微豎向向下位移，但還未產(chǎn)生明顯裂縫；年中至年底的發(fā)展過程中，路面破壞逐步顯現(xiàn)并快速加重，表現(xiàn)為影響范圍內(nèi)片石混凝土矮墻幾乎全部開裂拱起，路面出現(xiàn)寬窄深淺不一密集分布的橫向裂縫，最寬處約6 cm；路線縱斷發(fā)生顯著改變，原路單向縱坡變化呈凹狀不規(guī)則曲線，底部低洼處較原路標(biāo)高下沉約2 m。2012年路面破壞不斷加劇，路側(cè)田地低于地下水位，地下水露出并形成積水洼地，路面瀝青面層完全破損，水穩(wěn)基層大面積開裂，需要進(jìn)行日常維護(hù)保通；2013年5月中下旬連日大雨致使地下水位急劇升高，導(dǎo)致道路最低處路段被水淹沒，經(jīng)緊急填筑搶通，保證了道路正常通行。之后經(jīng)數(shù)次填筑，路側(cè)水位基本保持在距路面0.8 m～1 m范圍內(nèi)，且經(jīng)四年左右自然沉降，采空塌陷已基本穩(wěn)定，經(jīng)實(shí)測(cè)未再發(fā)生明顯變化。

2 涵洞方案的確定

1)該塌陷路段K14+860處原有1 m～2.0 m石拱涵一道，是上游南呈村排水泄洪至陶清河的唯一通道，在采空塌陷過程中遭坍塌破壞，排水功能完全喪失。為滿足上游排水需求，需拆除原涵回填密實(shí)后重新修建涵洞。

2)采空區(qū)塌陷穩(wěn)定是一個(gè)相對(duì)的概念，由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的顛覆性破壞，地表不會(huì)在短時(shí)期內(nèi)達(dá)到塌陷前的穩(wěn)定狀態(tài)，一般認(rèn)為的三年穩(wěn)定期過后，還有可能發(fā)出輕微的局部沉降變形，但不至于產(chǎn)生大面積結(jié)構(gòu)性破壞。因此，抵抗塌陷段路基的不均勻沉降是確定涵洞形式的要點(diǎn)。在對(duì)采空區(qū)塌陷特征和一般采用的涵洞類型進(jìn)行分析論證后，確定了鋼波紋管涵設(shè)計(jì)方案。柔性、高強(qiáng)度的鋼波紋管,不僅具有優(yōu)良的適應(yīng)地基與基礎(chǔ)變形的能力，而且還可解決因地基、基礎(chǔ)不均勻沉降導(dǎo)致的涵洞破壞問題。

3 鋼波紋管涵的特性

1)從結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、力學(xué)性能等方面看，鋼波紋管涵與混凝土、圬工結(jié)構(gòu)的其他形式涵洞的特性截然不同。鋼波紋管具有補(bǔ)償橫向位移的性能，可充分發(fā)揮鋼材抗拉性能強(qiáng)、變形性能優(yōu)越的特點(diǎn)，能夠在一定程度上抵抗多年凍土、軟土、膨脹土、濕陷性黃土、采空區(qū)等因地基不均勻沉降對(duì)洞體的影響。

2)波紋管涵的優(yōu)點(diǎn)。

a.鋼波紋管涵結(jié)構(gòu)受力情況合理，荷載分布均勻，適應(yīng)地基變形能力強(qiáng)，對(duì)地基承載能力、平整度要求較低；b.施工工期短，土建工程與管體生產(chǎn)分開進(jìn)行；c.工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，可根據(jù)需要進(jìn)行定制，且不受自然環(huán)境影響，有利于質(zhì)量和成本控制；d.現(xiàn)場(chǎng)安裝方便，不需使用大型設(shè)備；e.管節(jié)采用套筒或法蘭方式連接，即使是非熟練工也可以操作，可在短時(shí)間內(nèi)完成，快捷方便；f.使用壽命長，鋼制波紋管采用鋼管熱浸鍍鋅工藝，可有效防止銹蝕，壽命可達(dá)80 年～100年，在腐蝕性較大的環(huán)境使用時(shí)，采用瀝青材料涂刷內(nèi)外表面，可在原使用壽命基礎(chǔ)上提高約20年以上。

4 施工工藝及技術(shù)要求

1)工藝流程。施工放樣→開挖基坑→基礎(chǔ)填筑→管身安裝(涂刷防腐層、緊固、管節(jié)密封)→涵背回填→端墻澆筑→洞口砌筑→帽石制作。

2)按照?qǐng)D紙?jiān)O(shè)計(jì)確定涵洞軸線位置和高程，由于該涵洞處在常年積水區(qū)，根據(jù)年枯水期和豐水期水位對(duì)涵洞高程進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整。

3)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，為保證涵洞前后路基的密實(shí)度，在填土不高的路段采用先填筑路基再開挖基坑的做法進(jìn)行施工；采用挖掘機(jī)開挖基坑，距基底30 cm左右進(jìn)行人工清底找平；由于該處地下水位淺水量豐沛，基礎(chǔ)處于水位以下，采用疏堵兼用的做法，即事先進(jìn)行粘土圍堰的修筑，開挖作業(yè)時(shí)采用兩臺(tái)6寸泥漿泵對(duì)基坑內(nèi)積水進(jìn)行疏排，從而保證了基坑作業(yè)的順利進(jìn)行。

4)一般鋼波紋管涵采用柔性基礎(chǔ)，但考慮到該處采空區(qū)路基的特殊性，其不均勻沉降較濕陷性黃土更甚且更具不確定性，于是對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行了不同以往的特殊設(shè)計(jì)，即采用低標(biāo)號(hào)(C15)水泥混凝土進(jìn)行澆筑。

5)波紋管涵的組裝簡單易操作。考慮到該處涵洞常年浸泡于水中，采用瀝青材料對(duì)其鍍鋅表面進(jìn)行了涂刷，增強(qiáng)耐腐蝕性能；然后逐節(jié)對(duì)接，管節(jié)間填充盤根后進(jìn)行緊固，緊固完成后，采用硅酮結(jié)構(gòu)膠對(duì)管節(jié)進(jìn)行進(jìn)一步密封。

6)涵背回填采用透水性差的石灰土填筑，涵管兩側(cè)應(yīng)對(duì)稱均衡分層回填，逐層壓實(shí)，每層壓實(shí)厚度控制在15 cm～20 cm為宜，與路基銜接部位則進(jìn)行錯(cuò)臺(tái)填筑，距波紋管30 cm范圍內(nèi)使用小型夯實(shí)機(jī)械夯實(shí)，以避免壓路機(jī)等大型機(jī)械設(shè)備對(duì)涵管撞擊造成損壞。

7)端墻、洞口、帽石的澆筑(砌筑)與其他類型涵洞基本一致，按設(shè)計(jì)要求施工即可。

5 施工要點(diǎn)及注意事項(xiàng)

1)圍堰宜采用透水性差的粘土進(jìn)行填筑，阻水效果更好。

2)事先對(duì)地下水水情進(jìn)行預(yù)判，確定水泵型號(hào)，并合理設(shè)置水泵安置位置和深度，減少頻繁挪移水泵對(duì)施工造成的影響。

3)安裝作業(yè)前，應(yīng)檢查涵管底部基礎(chǔ)平整度和水平標(biāo)高；安裝作業(yè)時(shí)，應(yīng)避免硬物對(duì)管體的磕碰、撞擊、拖拽和剮蹭，以免破壞鍍鋅層造成管體早期銹蝕。

6 結(jié)語

山西煤炭儲(chǔ)量豐富，隨著開采面積的不斷擴(kuò)大，近年來采空區(qū)遍布。由于煤礦采空區(qū)的特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)，采空區(qū)塌陷路段進(jìn)行工程恢復(fù)有別于一般道路工程施工，尤其是橋涵構(gòu)造物的設(shè)計(jì)與施工，更要有針對(duì)性地進(jìn)行合理優(yōu)化。此次將波紋管涵應(yīng)用于采空區(qū)道路恢復(fù)工程并采取了有別于一般地質(zhì)構(gòu)造的特殊做法，是結(jié)合工程實(shí)際和尊重客觀事實(shí)的一次有益嘗試，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用取得了良好的效果。相信隨著對(duì)煤礦采空區(qū)道路恢復(fù)工程研究的不斷深入，鋼波紋管涵在采空區(qū)塌陷恢復(fù)工程中將具有更為廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 來平義.對(duì)煤礦采空區(qū)塌陷進(jìn)行的分析[J].山西建筑，2009，35(15)：102-103.

Application of steel-corrugated pipe culvert in mined-out region road restoration engineering

Bai Ning

(ChangzhiHighwayAdministrationSection,ChangzhiHighwayBranchBureau,Changzhi047100,China)

In order to solve culvert damage problems owing to subsidence action in mine-out region road collapsible restoration engineering, the paper analyzes mined-out region collapsible features and steel-corrugated pipe culvert properties, and describes its construction technology and application effect in mined-out region restoration engineering through engineering examples.

steel-corrugated pipe culvert, mined-out region, application

2015-04-03

白 寧(1974- )，男，工程師

1009-6825(2015)17-0123-02

U415

A