應力集中原理在堅硬巖石地鐵車站基坑爆破開挖中的應用研究

何等生 孫磊

摘 要 地鐵車站通常設置在人流、車流及周邊建（構）筑物密集的城市主干道下方。巖石基坑爆破開挖的重難點在于控制爆破震速、減少炸藥用量、形成光滑斷面、杜絕爆破飛石、減少對環境的污染及對市民生活工作的影響。應力集中控制爆破的核心思想是，爆破施工前在炮孔兩側沿設計斷裂面開鑿一條應力集中縫，在炮孔內裝入少量炸藥，利用炸藥引爆后產生的高壓氣體將巖石沿著設計斷裂面脹裂的一種爆破施工方法。經試驗研究，采用該施工方法爆破震速、裝藥量及炮孔數量均是常規爆破方法的1/3，斷面的平整度非常好，爆破過程中超挖和欠挖得到有效控制，施工質量得到很大的提高。

關鍵詞 應力集中;地下車站;巖石基坑;爆破開挖

1應力集中原理

應力集中原理是指結構或構件局部區域的最大應力值比平均應力值高的現象。孔口的應力集中不是簡單地由于減少了截面尺寸，而是由于開孔后發生的應力擾動所引起的。孔口應力集中與孔口的形狀有關，圓孔的應力集中程度最低。應力集中模型及圓孔周圍應力如圖1所示：

根據彈性力學平面應力計算方法，對一塊平面薄板，在板中部開一個半徑為r的圓孔，薄板兩端作用均布荷載q，圓孔環向正應力為：，豎向正應力為： ，式中，q為薄板邊緣的均布正應力，r為開孔半徑，為測點距孔邊的距離。重要的計算數值見表1。

從計算結果可以看出，孔邊應力為均勻拉力的3倍，但隨著孔邊距離的增大，薄板內正應力急劇趨于q。如在孔邊開鑿一個劈尖裂縫，裂縫處的正應力遠大于3q。

利用應力集中這一特性，在炮孔兩側沿設計斷裂面開鑿一條應力集中縫，在炮孔內裝入炸藥，利用炸藥引爆后產生的高壓氣體將巖石沿設計斷裂面脹裂。這種爆破施工的方法理論上可以減少用藥量，減小爆破震速，控制爆破飛石的產生，從而減小對市民工作生活的影響，減小對環境的污染，提高施工質量，加快施工進度[1]。

2巖石爆裂研究

3應力集中控制爆破試驗研究

城市繁華地段地鐵車站基坑爆破開挖的目標是控制爆破震速、減少炸藥用量、提高爆破斷面平整度、杜絕爆破飛石、在保證安全的前提下盡量加快施工進度。

3.1 應力集中槽的開鑿

應力集中槽開鑿的質量和深度直接關系到爆破施工面的平整度，爆破指標完成的關鍵技術在于應力集中槽的開鑿方式及質量。應力集中槽的開鑿工序為：①打主炮眼，將主炮眼打至設計深度;②在主炮眼旁邊打兩個較小直徑的輔助炮眼，深度同主炮眼深度;③用鑿巖機裝載楔形鉆頭，從主炮眼沖擊鉆進，使主炮眼與輔助炮眼連線上漲裂出預期的連通應力集中縫;④用風鎬將主炮眼和輔助炮眼內縫內的巖渣清理干凈。

3.2 布孔及裝藥

基坑開挖至基巖面，先在車站中部進行拉槽，形成臨空面后，分層分段對巖石進行爆破。爆破采用毫秒非電導爆雷管激發起爆。根據詳勘報告對巖石強度的描述和類似爆破工程經驗，拉槽孔間距為1.0x0.8x1.0m，爆破孔間距為1.0x1.0x1.0m，梅花形布置。

常規的巖石基坑爆破開挖方式為打圓孔、裝藥、封孔、爆破、碎渣、出渣等工序，本文稱為試驗一。試驗二將試驗一炮孔切割出應力集中縫，其余同試驗一;試驗三將試驗二中裝藥位置放在炮孔中部。三種試驗對比情況見表2：

3.3 試驗結果及改進措施

通過三個試驗的爆破試驗，分別從爆破震速，爆破面光滑程度和渣土粒徑及超欠挖四個方面進行對比，試驗結果見表3：

從試驗結果可以看出，圓形炮孔用藥量和爆破震速最大，施工質量最差，渣土粒徑不均勻，超挖和欠挖現象最大。同等條件下，帶應力集中縫的炮孔炸藥用量約為圓形炮孔的1/3，超欠挖情況較小，施工質量可以保證。炮孔中裝藥位置對渣土粒徑的影響較大，將炸藥置于炮孔中部渣土粒徑較均勻。

試驗二和試驗三為每個炮孔均切割應力集中縫，割縫的工程量巨大。為了解決這個問題，結合試驗一和試驗三的試驗結果，對墻邊炮孔按照設計要求切割一條應力集中縫，其余孔均為圓孔。根據爆破原理，使炮孔內的炸藥受力面積加大，采用較細的炸藥包，在炮孔底部先裝填水袋，爆破后水袋破裂膨脹切割巖石，增大膨脹氣體與巖石接觸面積。試驗結果顯示，爆破震速為0.8cm/s?，渣土粒徑非常均勻，幾乎沒有超欠挖情況。

4結束語

本文從應力集中原理的概念中得到啟發，將應力集中原理應用到巖石基坑開挖中，并通過實驗研究，得到以下結論：

（1）應力集中控制爆破裝藥量及爆破震速均是常規爆破方法的1/3，斷面的平整度非常好，爆破過程中超挖和欠挖得到有效控制，施工質量得到很大的提高。

（2）裝藥位置對爆破的影響較大，應設法加大炸藥爆炸后膨脹氣體與巖石的接觸面積。采用裝填水袋和較小直徑同等重量的炸藥在爆破開挖中較常規的裝藥位置和方法有很大的優勢。

（3）將帶應力集中縫的炮孔布置于基坑側邊，圓形炮孔布置于基坑中部，兩者相結合的布孔方式既能控制爆破震速，又能控制渣土粒徑，提高巖石爆破面的平整度，在基坑爆破開挖中有較好的應用和推廣價值。

參考文獻

[1] 羅祖春.應力集中控制爆破在采石中的應用研究[J].中國礦業，1993，（7）：32-35.

[2] 徐芝綸.彈性力學簡明教程[M].北京：高等教育出版社，2002：177.

作者簡介

何等生（1987-），男，2011年研究生畢業于蘭州交通大學結構工程系，現在中鐵第六勘察設計院集團有限公司，主要從事地下結構設計工作。