侯智超 李 玥

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)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(gòu)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(dòng)和變形，地表的移動(dòng)和變形會波及建筑物基礎(chǔ)，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(cái)產(chǎn)造成了重大的損失。

采動(dòng)區(qū)建筑物保護(hù)是一個(gè)涉及采礦工程、結(jié)構(gòu)工程、防災(zāi)減災(zāi)工程等多學(xué)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(chǔ)、結(jié)構(gòu)形式和地基條件的多樣性和復(fù)雜性，使得建筑物保護(hù)的研究一直受到制約，進(jìn)展不大。對此，我們需要加大研究建筑物受采動(dòng)影響損害的機(jī)理，以便更好的保護(hù)采動(dòng)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?xí)r，建筑物或構(gòu)筑物中產(chǎn)生附加應(yīng)力很小或者沒有。但當(dāng)?shù)乇硐鲁亮枯^大而地下水位又很淺時(shí)，會使?jié)撍簧仙斐山ㄖ镏車L期積水，改變建筑物基礎(chǔ)所處環(huán)境，從而降低地基強(qiáng)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(dāng)傾斜較大使建筑物重心的投影會轉(zhuǎn)移到基礎(chǔ)底面時(shí)，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(fù)(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(diǎn)的雙懸梁，當(dāng)引起的附加內(nèi)力超過其結(jié)構(gòu)承載力時(shí)產(chǎn)生倒八字形斷裂。負(fù)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(diǎn)的簡支梁，引起的附加內(nèi)力超過其結(jié)構(gòu)的承載力時(shí)產(chǎn)生正八字形斷裂。

1.4 地表水平移動(dòng)變形對建筑物的影響

水平變形通過建筑物基礎(chǔ)的底面和側(cè)面，使基礎(chǔ)受到土壤的摩擦力、粘著力和被動(dòng)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(yīng)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(gè)重要因素。建筑物越長，其受到的附加水平應(yīng)力越大。

1.5 扭曲和剪切變形對建筑物的影響

當(dāng)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(jìn)方向斜交時(shí)，或者建筑物處于下沉盆地非主斷面時(shí)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(chǔ)間將產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)，使建筑物改變原有的平面形狀。由于兩個(gè)橫墻處的地表傾斜值不同，導(dǎo)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(dāng)兩個(gè)縱墻處的地表傾斜值不同時(shí)，將導(dǎo)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(dòng)區(qū)建筑物的保護(hù)

目前針對采動(dòng)區(qū)建筑物的保護(hù)主要包括:減緩地表變形、建筑物加固和修復(fù)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(guān)系，科學(xué)合理地布置采煤工作面、工作面推進(jìn)方向、回采時(shí)間、回采層數(shù)和采煤工藝，使產(chǎn)生的地表變形達(dá)到最小。

2)地表注漿減緩地表變形。

煤層上覆巖層力學(xué)性質(zhì)差異較大，且下軟上硬時(shí)，煤層采后覆巖在垂直方向上的移動(dòng)呈現(xiàn)時(shí)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(shí)時(shí)地由地面向離層間隙注入粉煤灰等充填材料，達(dá)到減小地表變形的目的。這一技術(shù)在20世紀(jì) 80年代提出，至今還有許多問題尚待進(jìn)一步研究解決。

3)建筑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)采取適當(dāng)措施，還能吸收消化一部分地表變形。如:在基礎(chǔ)與基礎(chǔ)圈梁之間設(shè)置水平滑動(dòng)層(水平滑動(dòng)層對吸收水平變形最為有效)，減少基礎(chǔ)的水平變形向上部建筑物傳遞;將較長的建筑物人為設(shè)置變形縫，切割成幾個(gè)單元的單體，使各單元均勻沉降，提高適應(yīng)地表變形的能力;在建筑物基礎(chǔ)外側(cè) 1m左右，挖變形補(bǔ)償溝，吸收地表壓縮變形。

2.2 建筑物加固與修復(fù)

建筑物加固和修復(fù)按其施工時(shí)間可分為采前加固、開采影響期間的維護(hù)以及采后維修。采前加固是防患于未然，其主要措施有支護(hù)墻壁、梁端加支柱、門窗洞的支護(hù)、增設(shè)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(jià)的 40%)、基礎(chǔ)圈梁下面加彈簧墊(德國采用成組的彈簧墊置于房屋基礎(chǔ)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(jià)的 60%)、給墻壁裂縫修補(bǔ)勾縫和噴漿等。建筑物加固和修復(fù)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(jì)的方法。

2.3 建造抗變形建筑物

建造抗變形結(jié)構(gòu)建筑主要措施有剛性保護(hù)措施和柔性保護(hù)措施。

1)剛性保護(hù)措施。提高建筑物整體或局部的強(qiáng)度和剛度，以抵抗地表變形影響的措施稱為剛性保護(hù)措施。剛性保護(hù)措施不能從根本上消除和減緩地表變形，是一種被動(dòng)保護(hù)措施。如果地表變形預(yù)計(jì)過大，抗變形設(shè)計(jì)過于保守，會導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)上不合理;如果地表變形預(yù)計(jì)過小，抗變形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不足以抵抗地表變形，仍會造成建筑物的損害。在準(zhǔn)確的地表變形預(yù)計(jì)下，抗變形建筑的設(shè)計(jì)工作也是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)原則是以地表變形等級劃分為基礎(chǔ)，相應(yīng)提出保護(hù)措施。

2)柔性保護(hù)措施。這一措施的實(shí)質(zhì)是引導(dǎo)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(jié)構(gòu)或地基基礎(chǔ)上形成弱面，用以吸收部分(甚至全部)采動(dòng)引起的地表變形，或阻斷地表變形的傳遞和擴(kuò)展，使建筑具有足夠的地表變形適應(yīng)性，從而減小結(jié)構(gòu)中的附加應(yīng)力和可能的變形。

3 采動(dòng)區(qū)建筑物保護(hù)的今后工作展望

1)通過現(xiàn)場實(shí)測、室內(nèi)相似試驗(yàn)以及有限元模擬相結(jié)合，進(jìn)一步加大地表變形對采動(dòng)區(qū)各種結(jié)構(gòu)形式建筑物影響機(jī)理的研究，為采動(dòng)區(qū)建筑物保護(hù)提供更好的理論基礎(chǔ)。

2)在充分預(yù)計(jì)地表移動(dòng)變形基礎(chǔ)上，結(jié)合不同結(jié)構(gòu)形式建筑物的附加內(nèi)力和變形特點(diǎn)，進(jìn)行抗變形設(shè)計(jì)。目前對于砌體結(jié)構(gòu)和混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗變形性能研究較為成熟，在采動(dòng)區(qū)也得到了應(yīng)用。而鋼框架以及輕鋼結(jié)構(gòu)的抗變形性能更好、自重更輕，是一種更適合采動(dòng)區(qū)上方地表變形的結(jié)構(gòu)形式，今后應(yīng)該在采動(dòng)區(qū)推廣應(yīng)用。

3)從礦區(qū)建筑物保護(hù)角度出發(fā)，如果將地基與建筑物基礎(chǔ)的協(xié)同工作作為一個(gè)系統(tǒng)來考慮，著眼于地基與建筑物基礎(chǔ)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(dòng)層就是一個(gè)很成功的措施)。

4)我國是一個(gè)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(dòng)區(qū)建筑物需要既抗震又抗變形的雙重保護(hù)。目前采動(dòng)區(qū)建筑物抗震抗變形雙重保護(hù)機(jī)理還多是局限于理論研究和試驗(yàn)數(shù)值模擬階段，在實(shí)際工程中還沒有得到廣泛的推廣應(yīng)用。因此，在今后的抗變形研究中，應(yīng)該考慮地震瞬時(shí)荷載的影響，做到抗變形設(shè)計(jì)與抗震設(shè)計(jì)相結(jié)合，避免資金重復(fù)使用，同時(shí)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(dòng)區(qū)影響范圍之內(nèi)。如果在采動(dòng)區(qū)新建建筑物時(shí)，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(shù)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(jì)合理地解決地下開采與地面建筑物保護(hù)的矛盾。

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