钢箱梁桥在露天矿立交工程中的应用研究

康孝孔，常建华，纪全有

(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)

运输系统组织管理的优化增效，一直是露天矿运营管理的核心问题[1，2]。通过优化调整运输组织方案，特别是在关键线路上增设立交工程，可以大大缩短运输路径，节省运费，降低露天矿运营成本，同时能够减少因平面交叉带来的安全隐患，并提高交通线路的通行能力[3-5]。

常见的露天矿立交工程结构包括钢筋混凝土、钢波纹管、钢结构三种形式。其中钢筋混凝土结构需要现场浇筑施工，对地基要求相对高，建设周期长，施工难度大，绝大多数拆除即废，更不可移动后继续使用，对既有交通影响大，影响露天矿正常生产。钢波纹管结构多为圆形结构，对地基和填料要求较高，由于波纹管为柔性结构，为满足大型车通行净空，需大跨度的波纹管，并且管顶重车通行，结构容易产生变形，二次利用率较低，且波纹管存在视线差、行车条件差的缺点。钢结构主梁采用工厂加工，现场模块化组装，结构拼装简单、施工便捷、施工周期短，对既有运输系统影响小，易安装易拆卸，重复利用率高。而钢结构中的钢箱梁桥结构具有抗拉强度高，弹性模量高，材料利用效率高，结构自重小，施工快速方便，出厂时已为大节段成型单元等优点，可用于应对露天矿立交工程中的排土场地基高填方及需快速安装移位的难题。

本文根据胜利西二号露天矿运输情况，合理规划剥离与采煤运输系统，解决了两种不同吨位矿用大型车辆的交叉问题，提高了运输效率和降低矿山交通安全事故率[6-14]，取得了良好的经济社会效益。

1 工程概况

1.1 胜利西二号露天矿

胜利西二号露天矿位于内蒙古自治区，距锡林浩特市区8km，设计生产能力10.0Mt/a，服务年限36.71a，年剥离总量9000万m3，其中土方和岩石约各占一半。采用工作面移动坑线、端帮半固定坑线的多出入沟汽车运输开拓方式。松散物由挖掘机直接采装，分台阶开采。岩石、煤经穿孔爆破后再进行采装，按台阶分层开采。

1.2 运输系统概况

1)原煤运输系统。原煤采用半连续开采工艺，即：原煤采掘后装车运输，运煤卡车经东侧工作帮移动坑线到达地表，然后经过地面运煤道路到设在首采区南面地表境界外的破碎站(2号破碎系统)，煤经过破碎后通过带式输送机运到产品仓，最后装车外运。

2)剥离运输系统。胜利西二号露天煤矿已经实现全内排，剥离物装车后通过中部搭土桥[15]到达内排土场排弃。

1.3 运输系统存在的问题

胜利西二号露天煤矿对采煤一区进行开采时，剥离物运输车辆和运煤车辆在南侧地表不可避免产生运输平面交叉，交叉位置正好位于剥离运输与运煤的咽喉处，车流密度大。平面交叉影响通过能力，同时给露天矿生产带来了极大的安全隐患。随着后期大型自卸卡车的投入使用，吨位、视距、车型均发生较大变化，平面交叉通行存在的安全问题将更加突出。

1.4 运输系统解决方案

针对以上问题，本文提出通过建设钢箱梁桥来解决剥离运输道路与原煤运输道路交叉的问题[16]，使原煤与剥离运输系统相对独立、互不影响，提高每个系统的可靠性，同时显著降低发生矿山交通安全事故的概率。按照胜利西二号露天矿2022年生产计划，在南部运煤道路交汇处设置立交工程，要求通过立交工程的剥离运量达到4500万m3/a。

2 钢箱梁桥

2.1 交通量计算

2.1.1 原煤运输道路汽车车流量

胜利西二号露天矿通过立交工程运输的原煤量约为410万m3/a，原煤拟采用110t级的 SF31904(C) 型自卸卡车，根据卡车参数，车斗容积取73m3，原煤松散系数取1.35。按照煤炭企业330d/a工作日，考虑1.20运输不均衡系数，计算110t级矿用卡车每小时单向交通量为12辆。考虑原煤运输道路还有其他车辆运行，如：洒水车、推土机等附属工程车辆，每小时单向交通量共计17辆。

2.1.2 剥离运输道路汽车车流量

胜利西二号露天煤矿通过立交工程排土量约为4500万m3/a，排土卡车采用110t级卡车运输，容量按73m3计算，土石平均松散系数取1.23，根据《胜利西二号露天矿初步设计》及我国露天煤矿的生产经验，并结合该矿自然条件和开采工艺等因素。剥离冬季停工3个月(翌年的12月末到第二年的3月末)，剥离年工作日270d，考虑1.20运输不均衡系数，计算剥离道路每小时单向交通量为155辆。考虑其他车辆运行，排土卡车道路每小时单向交通量为160辆。

2.1.3 露天矿山道路等级确定

根据《厂矿道路设计规范》(GBJ 22—87)第2.4.2条，露天矿山道路等级的采用，宜符合下列规定：①汽车的小时单向交通量在85辆以上的生产干线，可采用一级露天矿山道路；②汽车的小时单向交通量在85～25(15)辆的生产干线、支线，可采用二级露天矿山道路。根据交通量计算结果和规范要求，原煤运输道路每小时单向交通量为15辆，可采用二级露天矿山道路标准。剥离运输道路每小时单向交通量为160辆，采用一级露天矿山道路标准。

2.2 钢箱梁桥方案

2.2.1 钢箱梁桥设计要点

1)使用荷载大。即便采用矿用普通自卸载重车上跨结构，其实际满载时的总重量也远大于普通公路的荷载，所以其设计荷载标准远高于现行公路标准，因此方案采用实际车型重量指标。胜利西二号露天矿内道路立交桥上最大通行车辆为XDR90T自卸卡车，最大总重118t，另外剥离运输卡车已开始试运行110t级卡车。根据《煤炭工业露天矿矿山运输工程设计标准》(GB 51282—2018)附录A荷载计算规定，荷载选用110t级矿用卡车技术参数，外廓尺寸为10800mm×6000mm×5700mm，车辆自重80t，额定载重量110t，允许总质量190t。

2)方便移动。露天矿坑主要运输道路，都要随露天煤矿生产剥离—排土过程而不断变化，因此，交通组织的关键交叉点需要不断调整，立交结构物必须要适应这种情况，方便定期或不定期移动位置。钢箱梁桥全部采用钢结构便于拆卸桥段以增加使用场地条件的灵活性。

3)地基条件多变。矿坑运输道路所处地基环境复杂多变，有可能处于挖方土基础、岩石基础，也有可能位于大填方之上。所以结构设计要适应这种变化状态，桥台采用钢结构整体置于露天填(挖)方平台上，分散结构重力并适应地基压力变化。

2.2.2 钢箱梁桥总体布置

所选桥梁方案要点在于选择合适的桥位、桥型及孔跨布置，缩短施工工期，同时满足结构安全的要求。所选方案考虑具有成熟施工经验、所需设备少、工艺简单的要求，以减少施工难度，加快施工进度，节省投资，保证施工质量，同时注重选择后期易于养护并且养护费用低，便于移设的桥梁。

本文采用1孔40m可移式钢箱梁[17-22]，主梁全部为焊钢结构，桥梁全宽17.5m，由相互独立的左右幅组成，两幅间布置2m宽的分隔带，每幅桥梁全宽8.75m。下部结构采用钢结构桥台。桥梁计算跨径38.0m，桥梁总长度47.10m。桥下预留净高7.5m，桥下运煤道路宽18.0m，桥台两侧放坡坡率1∶1.5，坡脚采用石笼挡墙进行收坡，总体布置如图1所示。钢箱梁桥上部结构采用40m长钢箱梁，梁高1.6m，桥面铺装为30～50cm厚碎石土。

2.2.3 桥台沉降控制及处理措施

由于桥台基础位于露天矿回填区，即使严格控制桥台回填土的压实度，后期桥梁运营时仍会出现基础沉降，故需根据运营监测数据，当桥台基础沉降量达到一定值或影响通车安全时，结合桥梁运营状况，必要时可采取梁体顶升复位处理。

2.3 结构验算

采用Civil Designer有限元计算程序对结构进行验算[23]。采用有限元建立钢箱梁模型如图2所示，其中节点数量45个；单元数量44个；边界条件数量4个。

图2 钢箱梁模型

结构验算结果如图3所示。由图3(a)可以看出，拉/压弯构件腹板最小厚度为9.48mm，位于支座附近，设计厚度为12.0mm，满足设计要求。由图3(b)可知，拉/压弯构件翼缘板弯曲最大正应力为289.4MPa，位于跨中部位，满足设计材料Q420抗拉、抗压、抗弯335.0MPa要求。由如图3(c)可知，拉/压弯构件整体稳定安全系数最小为1.16，位于跨中部位，满足设计要求。

图3 结构验算结果

2.4 钢箱梁桥移位分析

露天矿矿坑运输道路的特点在于经常移动位置，因此立交设施也需要经常拆除、移位和安装。为了确保煤矿外运煤炭的连续性，原煤生产系统的缓冲和储备能力一般不会超过5d。因此，为了不影响露天矿正常生产作业，一套立交设施的拆除、移位、安装时间宜控制在3～5d。

钢箱梁桥结构采用模块化思路，主梁为两块部件，两端桥台各为一个整体部件，桥台搭板，总共分为4块部件。桥面两侧护栏，按照2.0m节段分割，防落物网也按2.0m节段分块制作。所有块件都采用工厂化(主梁需工地设置组焊台)制作，工地组装，工位快速吊装成型。估算立交桥每次拆移费用在180万元左右。

为便于安装和拆除，两块主梁部件将按照通行模式和荷载重量，采用型钢横联点焊或纵缝满焊两种组合方式，护栏及防落网等均采用承插式安装方式，桥台承台基础采用坐浆法找平或直接平铺砂砾即可，主梁与桥台、搭板与承台和主梁，均采用卯榫嵌入式安装法。桥面处理拟采用桥面钢板面铺设防水毯，其上直接铺碎石土碾压。桥面道路的日常维护与临近道路一样，可以全线路机械化洒水养护，不需要特殊作业。

当土方运输车流，通过既有位置交叉结构的绕行距离大于300～500m，就需要将钢箱梁桥移设于新桥位，这可以根据实际使用情况，以最经济为原则来调整。钢箱梁桥移动方面最主要的出发点是不能影响露天矿正常生产秩序，因而要能快速拆装。拆解、搬运、安装工作次序为：

1)先在拟搬运位置平整桥下场地，平整移位段道路，铺设移位钢轨，此过程中，既有钢箱梁桥仍然使用。

2)搬运前，暂停桥上运输车流，如果有几座立交时，只关闭需移位的桥梁，其他可以继续使用。

3)先将桥面护栏拆解，再将桥上部梁分幅吊装到钢轨上，同时将桥台吊装搬运，桥台先于主梁结构就位，但要求定位准确，避免错位影响主梁安装。

4)暂时封闭立交桥下道路，并将主结构运至新桥位，此过程要求平稳、缓慢，桥基地面要平整。主结构安装就位后，检查后开放桥下交通。

5)主结构就位后，再安装桥面防撞护栏，检查后开放立交上交通。

6)安装限高架，桥头道路交通标志等附属结构。

3 效益分析

3.1 节省运距

根据胜利西二号采煤一区、剥离区、排土场以及破碎站的位置关系，计算了原煤运输道路与剥离运输道路有交叉(剥离车走中部)和非交叉(剥离车走西帮)的运距，如图4所示。结合2022年剥离规划，推算出两种运输线路的运输距离。非交叉方案(剥离车走西帮)运输道路长度2600m；交叉方案(剥离车走中部)运输道路长度2000m，可节省运距600m。

图4 剥离运输方案

3.2 立交工程的年通过能力

钢箱梁桥上部横断面为17.5m宽双车道，安家岭露天矿立交桥为2×6.5m双车道，该方案立交工程通过能力与安家岭露天矿立交桥类似。安家岭立交桥现场调研表明，其外包车辆大多采用徐工90t级自卸卡车，平均每分钟单向通过立交桥的车辆为4辆，每小时单向平均交通量为240辆。参照该数据测算本立交桥年通过能力：

Q=n1×nd×na×W÷(p×K)

式中，n1为每小时通过车辆数量，取240辆；n2为每天工作小时数，取24h；(剥离年工作270d，每天3班，每班8h)；n3为每年工作天数，取270；W为汽车载重量，(暂采用目前剥离运输车辆，取70t)；p为外包剥离物的平均密度，取1.9t/m3；K为运输不均衡系数，取1.20。

计算得Q=4775万m3/a。

3.3 社会和经济效益

钢箱梁桥解决了胜利西二号露天矿不同吨位运输车辆因平交带来的安全问题，提高运输效率，其社会效益显著。根据钢箱梁桥投资、运量及节省运距的关系，可计算节约运费、投资回收期的关系。计算时按照运输土石平均单价1.2元/(m3km)，按照胜利西二号露天矿2022年外包及剥离量规划，年通过钢箱梁桥排土量按约为4500万m3。钢箱梁桥投资1527.96万元，每年节省运费约3240万元，经济效益可观。若多处设置钢箱梁桥，则相同的钢箱梁桥不再有重复的设计研究等其他费用，后续相同钢箱梁桥的成本为建安费1201.41万元左右。

4 结 语

钢箱梁桥结构在露天煤矿立交工程中是一种全新的工艺方案，可大大减少运输系统平面交叉带来的安全隐患。结构分析及效益测算表明，钢箱梁桥在胜利西二号露天煤矿立交工程中应用技术可行，经济和社会效益明显。由于目前在国内露天矿实施可移动立交工程甚少，尤其该结构立交桥尚属首例，因此必然会面临诸多问题，如安装、养护、移设工艺问题等，需要设计、制造、运营部门不断总结优化，以求安全、经济的钢箱梁方案。另外，因矿用卡车尺寸大，车道宽、荷载重，在钢箱梁桥移位中的回收利用率及经济性还需后期实践中不断研究与总结。