爆破荷載對地鐵車站基坑錨索錨固力的影響分析

葉承敏　戴圣蘭

摘要：地鐵樁錨圍護結構下深基坑爆破施工時，爆破動力作用會對錨索錨固力較大產生影響。本文基于某基坑工程，采用數值模擬方法，建立樁錨圍護結構下的基坑爆破開挖模型，分析了不同爆破炸藥量和不同起爆點至錨索錨頭距離下爆破作用對錨索錨固力的影響。得到了錨固力出現損失時起爆點至錨索錨頭最大距離與炸藥量之間的關系擬合公式，并與已有爆破破壞分區理論進行比較。結果表明：在起爆點距錨索錨頭較近區域，錨索錨固力都是減小的，所得的擬合公式能較好反映藥量與距離對錨固力的影響，可為類似工程提供借鑒。

關鍵詞：爆破作用;基坑;長錨索;錨固力

引言

隨著城市化的發展，越來越多的城市在進行地鐵建設，由于場地普遍狹小，深基坑支護開挖則是常用開挖模式，錨索的使用對巖體有良好的加固效果，因此在深基坑支護工程中被廣泛使用。目前，國內外學者對錨索（桿）支護在爆破動載下的動力響應特征進行了許多研究，主要以試驗研究、數值模擬和理論分析為主。

本文以某深基坑爆破開挖為工程背景，運用數值模擬研究基坑樁錨圍護結構錨索考慮炸藥量與起爆點距錨索錨頭距離不同的工況下的錨索錨固力的變化規律，以期得到錨索錨固力開始產生損失時炸藥量和起爆點距錨索錨頭距離的關系，達到炸藥量優化的目的。

1 工程概況

本工程為某地鐵車站基坑，主體標準段基坑開挖深度約24.0m，基坑寬度為24.0m。主體圍護結構采用φ1000@1300鉆孔灌注樁，車站主體圍護結構止水帷幕采用850@600三軸攪拌樁，支撐體系為一道砼支撐+兩道錨索。車站所處土層由人工雜填土、粘性土，第四系全新統、晚更新統黃褐色～棕黃色，可～硬塑黏土層構成，下伏基巖以灰巖為主。

2 計算模型

為研究爆破荷載對巖溶地層長錨索錨固效果的影響分析，在完成距基坑地面前10m土層開挖后，建立考慮爆破炸藥量和起爆點距錨索錨頭水平距離兩種因素影響的爆破開挖模型。

2.1爆破荷載的確定

通常認為炸藥爆炸瞬間釋放大量的能量，同時產生的巨大沖擊波作用在炮孔壁上。沖擊波的波陣面上能量密度非常高，作用在炮孔壁上的應力突然上升到一個非常大的值，類似于作用一個集中力，由于巖石介質的阻尼作用，這個應力會迅速衰減，這種情形下可以將爆破荷載時程曲線簡化為三角形荷載模型。

2.2樁錨圍護結構連接形式

在模擬基坑樁錨支護時，圍護樁與錨索如何進行連接關系到整個樁錨結構的受力。在FLAC 3D中，采用sel link命令建立連接屬性樁和腰梁連接處、腰梁與錨索錨頭連接處均為剛結。

2.3計算模型及邊界

依據基坑開挖對周邊土體的影響范圍，所建基坑模型在豎向一般取基坑開挖深度的2～4倍，本模型最終模型尺寸取84m×40m×72m。圍護樁樁長16m，樁間距2.6m;第一道錨索自由段長6m，錨固段長9m，錨頭端距基坑地面6m;第二道錨索自由段長5m，錨固段長9m，錨頭端距基坑地面10m;兩道錨索的傾角均為20o。模型土體采用摩爾庫倫實體單元，模型所受的荷載為重力荷載和進行基坑爆破時的爆破荷載，約束條件為：四周施加水平方向約束，底部施加豎向約束。根據本基坑工程的實際地質情況，土體屬于松散介質，受力后顆粒之間的位置調整在卸載以后不能恢復，形成較大的塑性變形。因此，本計算采用理想彈塑性本構模型，土的強度特征采用摩爾-庫侖（Mohr-Coulomb）屈服準則。

3 計算結果分析

由于計算結果中第二道錨索所受錨固力較第一道錨索大，本文為得出一般規律，與具體第幾道錨索無關，故本節只分析第二道錨索錨固力的變化。經過模型計算得到爆破炸藥量與錨索錨固力剛出現損失時，錨頭距起爆點的距離關系散點的擬合公式為：

這與黃華東得到的爆破彈性振動區與裂隙區分界半徑相差不大。

根據爆破分區破壞理論，彈性振動區是在裂隙區巖體范圍以外，只能引起巖體質點的彈性振動。對于本工程所采用的端部錨索，當錨索錨頭受到爆破作用而使得與錨頭接觸的周圍巖土體產生塑性變形時，錨索錨頭的松動破壞使得錨固力損失。

相同的爆破炸藥量下，錨索錨固力出現損失時起爆點至錨索錨頭最大距離比爆破彈性振動區與裂隙區分界半徑稍小。這是因為：錨頭松動導致端部錨索錨固力的損失，而錨頭的松動是由于錨頭端周圍巖體產生了不可逆的變形。起爆點至錨索錨頭距離比爆破彈性振動區與裂隙區分界半徑小時，錨頭周圍巖體是處于裂隙區，與錨索錨頭接觸的周圍巖土體產生塑性變形，導致錨頭產生松動破壞，進而使錨固力產生損失;而當起爆點至錨索錨頭距離和爆破彈性振動區與裂隙區分界半徑相同時，錨頭周圍的巖體處于彈性變形與塑性變形的臨界狀態，錨頭周圍的巖體不產生塑性變形，故錨頭也就不會產生松動，錨固力也就不會有損失。

參考文獻：

[1]劉少虹，潘俊峰，毛德兵等.爆破動載下強沖擊危險巷道錨桿軸力定量損失規律的試驗研究.煤炭學報，2016，41 （5）：1120-1128.

[2]薛亞東，張世平，康天合.回采巷道錨桿動載響應的數值分析[J].巖石力學與工程學報，2003（11）：1903-1906.

[3]夏祥，李俊如，李海波，等.爆破荷載作用下巖體振動特征的數值模擬[ J].巖土力學，2005，26（1）：50-56.

[4]黃華東.隧道爆破地震波對圍巖及鄰近建筑物的影響分析[D].重慶交通大學，2015.