應(yīng)力集中原理在堅硬巖石地鐵車站基坑爆破開挖中的應(yīng)用研究

何等生 孫磊

摘 要 地鐵車站通常設(shè)置在人流、車流及周邊建（構(gòu)）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(huán)境的污染及對市民生活工作的影響。應(yīng)力集中控制爆破的核心思想是，爆破施工前在炮孔兩側(cè)沿設(shè)計斷裂面開鑿一條應(yīng)力集中縫，在炮孔內(nèi)裝入少量炸藥，利用炸藥引爆后產(chǎn)生的高壓氣體將巖石沿著設(shè)計斷裂面脹裂的一種爆破施工方法。經(jīng)試驗研究，采用該施工方法爆破震速、裝藥量及炮孔數(shù)量均是常規(guī)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(zhì)量得到很大的提高。

關(guān)鍵詞 應(yīng)力集中;地下車站;巖石基坑;爆破開挖

1應(yīng)力集中原理

應(yīng)力集中原理是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件局部區(qū)域的最大應(yīng)力值比平均應(yīng)力值高的現(xiàn)象?？卓诘膽?yīng)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(fā)生的應(yīng)力擾動所引起的?？卓趹?yīng)力集中與孔口的形狀有關(guān)，圓孔的應(yīng)力集中程度最低。應(yīng)力集中模型及圓孔周圍應(yīng)力如圖1所示：

根據(jù)彈性力學平面應(yīng)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(huán)向正應(yīng)力為：，豎向正應(yīng)力為： ，式中，q為薄板邊緣的均布正應(yīng)力，r為開孔半徑，為測點距孔邊的距離。重要的計算數(shù)值見表1。

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

利用應(yīng)力集中這一特性，在炮孔兩側(cè)沿設(shè)計斷裂面開鑿一條應(yīng)力集中縫，在炮孔內(nèi)裝入炸藥，利用炸藥引爆后產(chǎn)生的高壓氣體將巖石沿設(shè)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(chǎn)生，從而減小對市民工作生活的影響，減小對環(huán)境的污染，提高施工質(zhì)量，加快施工進度[1]。

2巖石爆裂研究

3應(yīng)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(yīng)力集中槽的開鑿

應(yīng)力集中槽開鑿的質(zhì)量和深度直接關(guān)系到爆破施工面的平整度，爆破指標完成的關(guān)鍵技術(shù)在于應(yīng)力集中槽的開鑿方式及質(zhì)量。應(yīng)力集中槽的開鑿工序為：①打主炮眼，將主炮眼打至設(shè)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(yīng)力集中縫;④用風鎬將主炮眼和輔助炮眼內(nèi)縫內(nèi)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(fā)起爆。根據(jù)詳勘報告對巖石強度的描述和類似爆破工程經(jīng)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(guī)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(yīng)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(jié)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(jié)果見表3：

從試驗結(jié)果可以看出，圓形炮孔用藥量和爆破震速最大，施工質(zhì)量最差，渣土粒徑不均勻，超挖和欠挖現(xiàn)象最大。同等條件下，帶應(yīng)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(zhì)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(yīng)力集中縫，割縫的工程量巨大。為了解決這個問題，結(jié)合試驗一和試驗三的試驗結(jié)果，對墻邊炮孔按照設(shè)計要求切割一條應(yīng)力集中縫，其余孔均為圓孔。根據(jù)爆破原理，使炮孔內(nèi)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(jié)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(jié)束語

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

（1）應(yīng)力集中控制爆破裝藥量及爆破震速均是常規(guī)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(zhì)量得到很大的提高。

（2）裝藥位置對爆破的影響較大，應(yīng)設(shè)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(guī)的裝藥位置和方法有很大的優(yōu)勢。

（3）將帶應(yīng)力集中縫的炮孔布置于基坑側(cè)邊，圓形炮孔布置于基坑中部，兩者相結(jié)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(yīng)用和推廣價值。

參考文獻

[1] 羅祖春.應(yīng)力集中控制爆破在采石中的應(yīng)用研究[J].中國礦業(yè)，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(yè)于蘭州交通大學結(jié)構(gòu)工程系，現(xiàn)在中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司，主要從事地下結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。