鋼波紋管涵在采空區道路恢復工程中的應用

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道路恢復工程中的應用

白 寧

(長治公路分局長治公路管理段，山西 長治 047100)

為解決采空區道路塌陷恢復工程中涵洞易受沉降作用遭損毀破壞的問題，對采空區塌陷特點和鋼波紋管性質進行了分析，并通過工程實例闡述了鋼波紋管涵在采空區恢復工程中的施工工藝和應用效果。

鋼波紋管涵，采空區，應用

0 引言

地下煤層被回采過后，在不同的地質構造情形下，會發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。采空塌陷對人們的生產生活造成極大影響，對道路交通而言，則是帶來近似災難性的后果。綿延數百米甚至數公里的道路因處于采空區而造成大面積損毀，縱斷高程完全改變，路面嚴重塌陷變形，構造物功能喪失，通行能力急劇下降且嚴重威脅道路行車安全。由于采空塌陷達到沉穩是一個緩慢和不規律的過程，因此未達到沉穩前，要采取數年的養護保通措施，穩定后方可進行工程恢復。即使經過數年達到穩定(一般是3年左右)之后，也可能還會產生輕微的不均勻沉降等局部變形，構造物特別是涵洞對這種輕微變化相對于路基路面更為敏感，因此在工程恢復中，要著重對涵洞進行特殊設計，以期達到抵抗不均勻沉降的目的。

1 煤礦采空區的成因與地面塌陷特征

1)煤礦采空區形成機理。地下煤炭資源一般采用回采方式進行開采，即先打通巷道，直到掘進至計劃開采面的遠端。巷道掘進期間由于采取了錨桿固定、木樁支撐等安全防護措施不會造成坍塌。正式開采的工作面即回采工作面，回采開始后，支護將逐一撤除，退至井口位置即回采完畢。當煤層采掘工作面采空以后，采空區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范圍的擴大而增加，當這種壓力超過煤層頂板巖石的承載力以后，頂板巖石就會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。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)影響長治縣境內省道長晉線的煤礦采空區道路塌陷過程及特征。長治縣境內省道長晉線煤礦采空區路段為三級公路，2006年進行路面改造，路面路基寬度8 m，油面寬度7 m，兩側各設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°，回采面在線內長度約為300 m，預計影響長度為650 m。

2011年年初巷道掘進期間，路面未發現明顯變形破壞。回采開始后，片石混凝土矮墻相對路面出現拱起破裂，經實測，路面實際已發生輕微豎向向下位移，但還未產生明顯裂縫；年中至年底的發展過程中，路面破壞逐步顯現并快速加重，表現為影響范圍內片石混凝土矮墻幾乎全部開裂拱起，路面出現寬窄深淺不一密集分布的橫向裂縫，最寬處約6 cm；路線縱斷發生顯著改變，原路單向縱坡變化呈凹狀不規則曲線，底部低洼處較原路標高下沉約2 m。2012年路面破壞不斷加劇，路側田地低于地下水位，地下水露出并形成積水洼地，路面瀝青面層完全破損，水穩基層大面積開裂，需要進行日常維護保通；2013年5月中下旬連日大雨致使地下水位急劇升高，導致道路最低處路段被水淹沒，經緊急填筑搶通，保證了道路正常通行。之后經數次填筑，路側水位基本保持在距路面0.8 m～1 m范圍內，且經四年左右自然沉降，采空塌陷已基本穩定，經實測未再發生明顯變化。

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后重新修建涵洞。

2)采空區塌陷穩定是一個相對的概念，由于地質結構的顛覆性破壞，地表不會在短時期內達到塌陷前的穩定狀態，一般認為的三年穩定期過后，還有可能發出輕微的局部沉降變形，但不至于產生大面積結構性破壞。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。在對采空區塌陷特征和一般采用的涵洞類型進行分析論證后，確定了鋼波紋管涵設計方案。柔性、高強度的鋼波紋管,不僅具有優良的適應地基與基礎變形的能力，而且還可解決因地基、基礎不均勻沉降導致的涵洞破壞問題。

3 鋼波紋管涵的特性

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

2)波紋管涵的優點。

a.鋼波紋管涵結構受力情況合理，荷載分布均勻，適應地基變形能力強，對地基承載能力、平整度要求較低；b.施工工期短，土建工程與管體生產分開進行；c.工廠標準化生產，可根據需要進行定制，且不受自然環境影響，有利于質量和成本控制；d.現場安裝方便，不需使用大型設備；e.管節采用套筒或法蘭方式連接，即使是非熟練工也可以操作，可在短時間內完成，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80 年～100年，在腐蝕性較大的環境使用時，采用瀝青材料涂刷內外表面，可在原使用壽命基礎上提高約20年以上。

4 施工工藝及技術要求

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

2)按照圖紙設計確定涵洞軸線位置和高程，由于該涵洞處在常年積水區，根據年枯水期和豐水期水位對涵洞高程進行了適當調整。

3)根據經驗，為保證涵洞前后路基的密實度，在填土不高的路段采用先填筑路基再開挖基坑的做法進行施工；采用挖掘機開挖基坑，距基底30 cm左右進行人工清底找平；由于該處地下水位淺水量豐沛，基礎處于水位以下，采用疏堵兼用的做法，即事先進行粘土圍堰的修筑，開挖作業時采用兩臺6寸泥漿泵對基坑內積水進行疏排，從而保證了基坑作業的順利進行。

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

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，采用瀝青材料對其鍍鋅表面進行了涂刷，增強耐腐蝕性能；然后逐節對接，管節間填充盤根后進行緊固，緊固完成后，采用硅酮結構膠對管節進行進一步密封。

6)涵背回填采用透水性差的石灰土填筑，涵管兩側應對稱均衡分層回填，逐層壓實，每層壓實厚度控制在15 cm～20 cm為宜，與路基銜接部位則進行錯臺填筑，距波紋管30 cm范圍內使用小型夯實機械夯實，以避免壓路機等大型機械設備對涵管撞擊造成損壞。

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

5 施工要點及注意事項

1)圍堰宜采用透水性差的粘土進行填筑，阻水效果更好。

2)事先對地下水水情進行預判，確定水泵型號，并合理設置水泵安置位置和深度，減少頻繁挪移水泵對施工造成的影響。

3)安裝作業前，應檢查涵管底部基礎平整度和水平標高；安裝作業時，應避免硬物對管體的磕碰、撞擊、拖拽和剮蹭，以免破壞鍍鋅層造成管體早期銹蝕。

6 結語

山西煤炭儲量豐富，隨著開采面積的不斷擴大，近年來采空區遍布。由于煤礦采空區的特殊地質結構，采空區塌陷路段進行工程恢復有別于一般道路工程施工，尤其是橋涵構造物的設計與施工，更要有針對性地進行合理優化。此次將波紋管涵應用于采空區道路恢復工程并采取了有別于一般地質構造的特殊做法，是結合工程實際和尊重客觀事實的一次有益嘗試，經實際應用取得了良好的效果。相信隨著對煤礦采空區道路恢復工程研究的不斷深入，鋼波紋管涵在采空區塌陷恢復工程中將具有更為廣闊的應用前景。

[1] 來平義.對煤礦采空區塌陷進行的分析[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