应力集中原理在坚硬岩石地铁车站基坑爆破开挖中的应用研究

何等生 孙磊

摘 要 地铁车站通常设置在人流、车流及周边建（构）筑物密集的城市主干道下方。岩石基坑爆破开挖的重难点在于控制爆破震速、减少炸药用量、形成光滑断面、杜绝爆破飞石、减少对环境的污染及对市民生活工作的影响。应力集中控制爆破的核心思想是，爆破施工前在炮孔两侧沿设计断裂面开凿一条应力集中缝，在炮孔内装入少量炸药，利用炸药引爆后产生的高压气体将岩石沿着设计断裂面胀裂的一种爆破施工方法。经试验研究，采用该施工方法爆破震速、装药量及炮孔数量均是常规爆破方法的1/3，断面的平整度非常好，爆破过程中超挖和欠挖得到有效控制，施工质量得到很大的提高。

关键词 应力集中;地下车站;岩石基坑;爆破开挖

1应力集中原理

应力集中原理是指结构或构件局部区域的最大应力值比平均应力值高的现象。孔口的应力集中不是简单地由于减少了截面尺寸，而是由于开孔后发生的应力扰动所引起的。孔口应力集中与孔口的形状有关，圆孔的应力集中程度最低。应力集中模型及圆孔周围应力如图1所示：

根据弹性力学平面应力计算方法，对一块平面薄板，在板中部开一个半径为r的圆孔，薄板两端作用均布荷载q，圆孔环向正应力为：，竖向正应力为： ，式中，q为薄板边缘的均布正应力，r为开孔半径，为测点距孔边的距离。重要的计算数值见表1。

从计算结果可以看出，孔边应力为均匀拉力的3倍，但随着孔边距离的增大，薄板内正应力急剧趋于q。如在孔边开凿一个劈尖裂缝，裂缝处的正应力远大于3q。

利用应力集中这一特性，在炮孔两侧沿设计断裂面开凿一条应力集中缝，在炮孔内装入炸药，利用炸药引爆后产生的高压气体将岩石沿设计断裂面胀裂。这种爆破施工的方法理论上可以减少用药量，减小爆破震速，控制爆破飞石的产生，从而减小对市民工作生活的影响，减小对环境的污染，提高施工质量，加快施工进度[1]。

2岩石爆裂研究

3应力集中控制爆破试验研究

城市繁华地段地铁车站基坑爆破开挖的目标是控制爆破震速、减少炸药用量、提高爆破断面平整度、杜绝爆破飞石、在保证安全的前提下尽量加快施工进度。

3.1 应力集中槽的开凿

应力集中槽开凿的质量和深度直接关系到爆破施工面的平整度，爆破指标完成的关键技术在于应力集中槽的开凿方式及质量。应力集中槽的开凿工序为：①打主炮眼，将主炮眼打至设计深度;②在主炮眼旁边打两个较小直径的辅助炮眼，深度同主炮眼深度;③用凿岩机装载楔形钻头，从主炮眼冲击钻进，使主炮眼与辅助炮眼连线上涨裂出预期的连通应力集中缝;④用风镐将主炮眼和辅助炮眼内缝内的岩渣清理干净。

3.2 布孔及装药

基坑开挖至基岩面，先在车站中部进行拉槽，形成临空面后，分层分段对岩石进行爆破。爆破采用毫秒非电导爆雷管激发起爆。根据详勘报告对岩石强度的描述和类似爆破工程经验，拉槽孔间距为1.0x0.8x1.0m，爆破孔間距为1.0x1.0x1.0m，梅花形布置。

常规的岩石基坑爆破开挖方式为打圆孔、装药、封孔、爆破、碎渣、出渣等工序，本文称为试验一。试验二将试验一炮孔切割出应力集中缝，其余同试验一;试验三将试验二中装药位置放在炮孔中部。三种试验对比情况见表2：

3.3 试验结果及改进措施

通过三个试验的爆破试验，分别从爆破震速，爆破面光滑程度和渣土粒径及超欠挖四个方面进行对比，试验结果见表3：

从试验结果可以看出，圆形炮孔用药量和爆破震速最大，施工质量最差，渣土粒径不均匀，超挖和欠挖现象最大。同等条件下，带应力集中缝的炮孔炸药用量约为圆形炮孔的1/3，超欠挖情况较小，施工质量可以保证。炮孔中装药位置对渣土粒径的影响较大，将炸药置于炮孔中部渣土粒径较均匀。

试验二和试验三为每个炮孔均切割应力集中缝，割缝的工程量巨大。为了解决这个问题，结合试验一和试验三的试验结果，对墙边炮孔按照设计要求切割一条应力集中缝，其余孔均为圆孔。根据爆破原理，使炮孔内的炸药受力面积加大，采用较细的炸药包，在炮孔底部先装填水袋，爆破后水袋破裂膨胀切割岩石，增大膨胀气体与岩石接触面积。试验结果显示，爆破震速为0.8cm/s?，渣土粒径非常均匀，几乎没有超欠挖情况。

4结束语

本文从应力集中原理的概念中得到启发，将应力集中原理应用到岩石基坑开挖中，并通过实验研究，得到以下结论：

（1）应力集中控制爆破装药量及爆破震速均是常规爆破方法的1/3，断面的平整度非常好，爆破过程中超挖和欠挖得到有效控制，施工质量得到很大的提高。

（2）装药位置对爆破的影响较大，应设法加大炸药爆炸后膨胀气体与岩石的接触面积。采用装填水袋和较小直径同等重量的炸药在爆破开挖中较常规的装药位置和方法有很大的优势。

（3）将带应力集中缝的炮孔布置于基坑侧边，圆形炮孔布置于基坑中部，两者相结合的布孔方式既能控制爆破震速，又能控制渣土粒径，提高岩石爆破面的平整度，在基坑爆破开挖中有较好的应用和推广价值。

参考文献

[1] 罗祖春.应力集中控制爆破在采石中的应用研究[J].中国矿业，1993，（7）：32-35.

[2] 徐芝纶.弹性力学简明教程[M].北京：高等教育出版社，2002：177.

作者简介

何等生（1987-），男，2011年研究生毕业于兰州交通大学结构工程系，现在中铁第六勘察设计院集团有限公司，主要从事地下结构设计工作。