露天冻土爆破技术
张志毅 杨年华
(中国铁道科学研究院，北京，100081)
摘要：论文结合季节性冻土和青藏高原永久性冻土的爆破开挖实例，论述了冻土爆破的关键技术，包括冻土中炮孔钻凿和装药技术、钻爆参数、爆破器材选型和爆破施工中必须注意的问题。特别对季节性冻土的爆破振动问题及永久性冻土的爆破规模做了深入探讨，它是冻土爆破的特有技术。
关键词：冻土；爆破；边坡；路堑
1引言
天然冻土在我国北方和青藏高原普遍存在，如何实施高效、安全和环保的冻土爆破开挖，始终是国内爆破界关注的问题之一。中国铁道科学研究院结合青藏铁路的建设和其他工程需要较为全面地开展了相关爆破施工技术的试验研究。本文旨在系统地整理有关研究成果和工程实践经验，供爆破界同仁在进行露天冻土爆破开挖时参考。
所谓天然冻土是指由自然原因而形成的冻土，以青藏高原冻土为例，按冻土的粒度成分及总含水量可分为少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土和含冰层五类；而按冻土的施工年平均地温又可将其分为低温冻土、中温冻土和高温冻土三种类型。但是若仅从爆破开挖的角度看，目标就是破碎冻土，不涉及将其构造成型或维护保养，因而没有必要针对如此详细的分类探讨其爆破技术，只需根据施工目的加以工程爆破分类即可。为此本文将露天冻土分成季节性冻土和多年冻土(高原永久性冻土)，并针对两种类型的冻土分别给出其钻爆施工方法。
2季节性冻土爆破
一年之中的数个月里因气温低而使大地表面冻结形成的冻土称为季节性冻土，其最大特点是冻土层不厚，一般为0.5～3m，冬季施工，气温在-40～-10℃，施工条件相对恶劣。
2．1 钻孔
季节性冻土层虽然较薄，但由于冻结土层坚硬，韧性好，一般冲击钻钻凿过程产生的热量会使冻土热融形成塑冻状态或融化状态，黏性很大，钻头出气孔极易被融化冻土封闭，钻屑无法吹出，钻孔效益很低，甚至不能形成有效炮孔，为此，对这类冻土宜采用以下钻孔方法：
(1)麻花钻钻孔。适用于黏土和砂性土冻结层中钻孔，钻孔直径Ф=60～100mm，钻孔深度为1～3m，无需接杆，效率较高，且可满足设汁孔深的要求。
(2)高风压冲击钻钻孔。因冻土层不厚， 一般孔深都在3m以内，使用大直径(Ф=100～150mm)高风压冲击钻钻孔，也能快速形成所需孔深的炮孔。
(3)聚能弹穿孔。穿孔深度可达3～4m，成孔速度快，操作简单，但成本高，孔深精确控制难，只宜在机械设备不易操作的特殊条件下少量使用。
(4)热力钻孔。利用高速喷射的炽热气体，使导热性很低的冻土层在喷射点产生温差应力和气流动能而破碎或融解。该法适用于在砂土、黏性土的冻土中钻孔。
工程实践经验表明，冻土中钻孔的直径应是拟装药卷直径的2倍以上，否则会因热融回冻造成炮孔直径缩小，使药卷无法下装孔内。同理，冻土炮孔钻成后最好立即装药，避免回冻卡堵炮孔，若不能立即装药，则应将孔口封堵严实。
2．2装药
针对季节性冻土爆破孔深较浅、施工气温较低、孔内基本无水等特点，爆破器材均应选用抗冻型。由于普通的乳化炸药、水胶炸药在低于-10℃时感度很低或产生冻结而失效，使用雷管起爆率较低，故而不宜使用。2号岩石炸药可在较低温度下使用雷管引爆，并且无需进行防水处理，供货渠道广泛，对于季节性冻土爆破较为适宜。
季节性冻土爆破的装药结构根据冻土深度不同可分为两种。
(1)当冻土层厚度不足1m时，钻孔穿过冻层，在冻层以下放置药包(如图l所示)，这种浅孔下层装药爆破既能顶起破碎的冻土层，也无飞石产生，效果较好。但由于炸药放在不冻层内，所需药量较大。
(2)当冻土层厚度超过1m时，在冻层下面装药不易使冻土层鼓胀凸起，宜将药包放在冻层中爆破(如图2所示)。当单孔装药量较少时，每孔做一个延时段起爆，当单孔装药量较大时，孔内分上下2层装药，每孔分2个延时段起爆，以上层先爆、下层后爆为原则。
2．3爆破参数
季节性冻土爆破中最重要的是临空面，临空面条件越好，爆破效果越好，且有害效应低。因此初次平地冻土爆破开挖应采用掏槽爆破原理来开创临空面。开创临空面爆破可采用楔形掏槽法和空孔直眼掏槽法，无论哪种掏槽法，其爆破炸药单耗都较高，一般应达到0．5～0．8kg／m3，爆破性质为抛掷爆破。当良好的临空面开创后，季节性冻土爆破的炸药单耗只需0．3～0．4kg/m3，爆破性质为松动爆破，对于药包位于冻层之下的装药结构，炸药单耗相应提高到槽爆破的水平。
根据装药结构确定钻孔深度L，一般可用以下公式计算确定，即
薄冻土层爆破的装药结构 L=H+(2～3)d （1）
厚冻土层爆破的装药结构 L=H-(2～3)d （2）
式中 L——钻孔深度，m；
H——冻土厚度，m；
d——钻孔直径，m，
表l和表2分别列出了 d=80～100mm时，两种装药结构下的爆破参数经验数值表。
注：W一最小抵抗线；a，b—炮孔间距、排距；Q一单孔药量。
2．4爆破振动安全
对于季节性冻土来说，由于其整体性和内部的黏滞性较强，正常药量下爆破个别飞散物是很难出现的，但其爆破振动的影响却较一般岩石爆破的范围广，效应强。其原因在于其地质条件的特殊性，使其振动波传播较远，衰减较慢。季节性冻土呈薄壳状，其表面冻土完整性、坚硬性是地震波的良好传播体，由图3可知，当药包在冻土中爆炸，应力波主要由表层冻土传播，下部的非冻层波速低，波阻抗系数小，应力波能量较大部分折射到冻层中传播，因此，爆炸应力波在冻层中类似于二维板块中的传播模型。实际上与岩石爆破应力波相比，冻土中爆破振动波传播有两个不同特点：(1)岩石爆破应力波在半无限三维介质中传播，而冻土爆炸应力波主要在二维表层冻土中传播，所以冻土中爆破地震波衰减慢，传播较远；(2)岩体中或多或少地发育一些软弱结构面，特别是表层岩体风化严重，对地震波的传播有吸收阻隔作用，而表层冻土是一块非常完整的硬壳，几乎不存在破裂面，并且在冻胀力作用下内部存在一定挤压预应力，冻土层相当于中硬岩石，因此，冻土层中无结构面阻隔，地震波传播衰减慢，而且冻土层直接与建筑物基础连为一体，地震波通过冻土层直达建筑物基础上，造成基础结构强烈振动，危害性较大。为此，在实施季节性冻土爆破时要对其爆破振动的危害性给予高度重视，视工程环境条件采取严格控制单响药量、增加分段延时、单排孔爆破以降低夹制作用以及干扰降振等多种方法减轻爆破振动危害。
2．5施工注意事项
限于受爆体的特殊性和施工期的气温条件，在季节性冻土的钻爆施工中还应特别注意以下事项：
(1)一次爆破规模的确定。冻土爆破后应立即进行清挖，一次爆破量应控制在当天即可清挖完毕的规模，否则，一旦过夜，由于夜间气温很低，爆破的冻土块会有再次冻结在一起的可能，给清挖工作带来巨大困难，甚至需要重新爆破。
(2)钻孔与装药的工艺衔接。原则上钻孔完成后应立即装药，以避免因孔内再次回冻难于完成装药，确实无法立即装药时，在炮孔内插入竹筒，将孔口封闭严实，保证炮孔通顺。
(3)填塞。填塞材料应选用不易冻结成块的介质，如中粗沙，保证堵塞质量。
(4)爆破松散体应使用挖机一次性挖出，不宜使用推土机等进行二次倒运，防止因再冻结给清挖工作带来困难。
2．6工程实例
2000年4月在内蒙古呼伦贝尔盟牙克石市中心大市场改建工程中实施了季节性冻土的爆破开挖，开挖场地为杂填土(季节性冻土层)，其下为干砂层(非冻土层)，冻土层厚薄不均，一般为2．Om左右。爆破场地北侧13m为一年前新落成的六层居民楼，东侧20m为一座3层商用楼，当时的气温为一19～一14℃，工程要求冻土爆破开挖中必须确保周围建筑物的安全。
施工中采用简易麻花钻成孔，钻孔直径d=60mm，孔深l=1．5～3m，孔间距a=b=1．5～2．Om，使用2号岩石卷状炸药(Ф=25mm)，非电导爆管雷管起爆。工程前期当地施工单位曾实施过单响药量24kg的爆破，造成距爆破点80m处的公安局振感强烈，局部墙体裂缝扩展，而后将单响药量缩减至3kg。周边居民楼的振感仍然十分强烈。为此，我们在施工中将单响药量控制在1．5kg以内，采用接力式爆破网路，单排孔逐孔爆破，安全顺利地完成了约5000m3的季节性冻土爆破。
3多年冻土爆破
所谓多年冻土即指常年都不融化的冻土，在夏季气温较高时其表层虽然有一定的融化，但其下部仍呈冻结状态，因此也称永久性冻土。季节性冻土只有在天气寒冷的冬季在大地的表层呈硬壳状的存在，而多年冻土在冬季自表向内全部冻结，冻结深度达数十米，甚至上百米，作为工程开挖而言(深度有限)，其开挖和基底都是冻结状态，因而其爆破特性与季节性冻土有很大不同。
3．1 青藏铁路多年冻土区的地质结构特征
青藏高原多年冻土地带地势高，地质结构复杂，铁路沿线冻土区的冻土特性也各不相同，见表3。
青藏铁路格拉段要通过的连续多年冻土地段出露地层以中生代的灰岩、泥灰岩、页岩和砂岩等海相沉积为主。其中风火山地处多年冻土的腹部，其冻土地质结构具有典型的多年冻土特征，地表至5m深左右为第四纪覆盖层，一般为砂土、黏砂土夹碎石或块石，含量为5％～10％，5m以下为几乎不含冰的砂页岩风化层。季节融化层最大厚度为1．3m左右，称为上限，大约在每年5月初开始融化，到当年10月底又冻结。上限以下为永冻层，永冻层地下冰极其发育，即在砂土、黏砂土中不但含有碎石或块石，而且还含有“冰”，根据含冰量多少冻土分饱冰冻土、富冰冻土、多冰冻土和少冰冻土。这种地质结构(尤其是土中含石又含冰)给钻爆开挖带来很大困难。
3．2钻孔及机械选型
高原冻土钻孔还是以机械能钻机最常用，试验研究表明，高原冻土的钻孔应按不同的孔深选择钻孔机械，具体建议为：
(1)浅层开挖爆破可选择麻花钻，钻孔深度不超过2．0m。该钻机功率2kW左右，钻孔直径为40～60mm，钻孔效率为2～2．5m／h，在浅埋深(钻孔深度小于3m)不含硬夹石的均匀冻土施工中宜采用。
(2)中深层开挖爆破可选择高风压冲击钻，钻孔深度2～7m较合适，特别适合于含碎石的冻土中钻孔。如河北宣化产潜孔冲击钻机，钻孔直径为100mm，中铁三局在沱沱河地区(DKl210+310～DKl210+490段)进行了高含冰量冻土爆破开挖试验，冻土的含冰总量为22．1％～42％时，潜孔冲击钻钻孔速度为0．2～0．5m／min，钻6m深的孔需要40～50min(包括换钻杆时间)。生产试验表明该钻机可以在含碎石冻土中钻孔，适合于冻土爆破方量较小、炮孔深度不大的爆破区。
(3)开挖深度大于5m，且开挖方量比较集中的工点，可选择牙轮冲击回转式钻机。沙驮牌地质钻机(称沙漠钻车，如图4所示)即为冲击回转式钻机中的一种，如201SZ沙漠钻车在青藏线昆仑山地区的冻土爆破施工中使用情况良好，取得了较好的效果。中铁五局选用的沙驮牌地质钻机在其施工的DK984+183～DK984+660段高含冰量冻土路堑爆破中进行试验和应用，在钻孔直径为80mm时，钻孔速度可达1～2/min，孔深小于20m时，单日可钻进1000m以上。另外该机越野能力强，轮胎接地比压小，非常适合于高原冻土层施工。
3．3装药及爆破器材选型
高原冻土爆破的装药形式均为图2所示的第二种装药结构，且以连续满孔装药为主。在具体的装药和器材选型上可参照以下方法：
(1)高原冻土钻孔困难，回冻速度快，依据快速施工和减少人员劳动的原则在有条件的情况下尽可能采用机械化装药技术，它可节省人工，提高爆破效率，钻孔后立即装药可解决孔内回冻问题。若不能投资机械化装药设备，也尽可能采用高威力炸药，以便尽量减少炮孔数，降低钻孔成本，提高钻爆效率。
(2)暖季和寒季进行露天爆破施工时，炸药选型上应有所区别。暖季施工因地表水可能会流入炮孔而回冻，因此通常钻孔后应立即装药，对于存水炮孔需要装填防水炸药，此时其抗冻温度可适当提高，暖季爆破一般用普通乳化炸药就能满足要求，没水的炮孔可直接装填散装粉状硝铵炸药，尽可能提高线装药密度。而寒季施工，工地气温低、温差大，冻土中成孔困难，在饱冰冻土和富冰冻土中刚钻成的炮孔内会有少量水或泥浆，若不立即装药就会很快回冻，孔深变浅，因此深孔爆破的炸药必须防水抗冻。选用抗冻型乳化炸药或钝感水胶炸药爆破效益最佳。
(3)一般导爆索和导爆管在暖季施工时均可满足施工要求，但在寒季施工必须考虑抗冻要求。塑料管在极低温条件下会变硬变脆，所以寒季施工应选耐冻型强力导爆管。此外高原紫外线强，要注意防止导爆索和导爆管长时间暴晒，避免因强紫外线照射使炸药变质失效。
(4)由于青藏高原雷电频发，尤其以地滚雷较多。因此在露天爆破作业，禁止采用电起爆网路。一般孔内药包由导爆索引出，孔外使用非电导爆管雷管快速连成起爆网路，最后用激发笔引爆。
3．4爆破参数
多年冻土爆破布孔方法和爆破参数的选取仍需遵循一般岩土爆破的原则，但因回冻问题，炮孔一般以垂直布设为宜。路堑开挖爆破单孔装药量采用体积公式计算确定，不同之处如下：
(1)钻孔直径d的选择。因钻孔完成后回冻现场的普遍存在，d值一般应大于装药直径的1．5倍以上，故而d值应不低于60mm。由于冻土爆破挖深不大，一次爆破规模受到后续铲装工作的限制，同时应遵循快速钻孔、紧随装药和环境保护(干扰范围受控)的施工原则，炮孔直径也不宜过大，所以应根据挖深大小和爆破规模在Ф=60～140mm之间选取d值。试验经验表明，挖深小于5m，d取60～100mm为宜，挖深大于5m，d取80～100mm为佳，其中挖深愈浅，取小值。
(2)钻孔超深h。试验表明，要使地板平整不欠挖，多年冻土爆破也应设置超深，超深的大小与钻孔直径有关，对于富冰碎石冻土，在d=100时应为0．2～0．4m。一般情况而言，钻孔超深可按以下经验公式估算，并根据施工情况加以调整。
h=(3～5)d (3)
式中 d——钻孔直径，m；
h——钻孔超深，m富冰冻土取小值，少冰冻土取大值。
在底板需严格保护时，需于孔底设置空气缓冲垫，缓冲垫的高度h’应为：
h’ =(1～1．3)h (4)
其中，富冰冻土取大值，少冰冻土取小值。
(3)单位炸药消耗量k(简称炸药单耗)。青藏高原冻土爆破依据环保要求一般采用松动爆破和加强松动爆破。对于铁路路堑钻孔爆破而言，必须严格控制爆破对路堑边坡和底板的扰动，同时单位长度内的爆破量较小，加之有大功率的挖掘设备，因而一般采用减弱松动爆破形式。不同强度爆破的炸药单耗k可按表4选取。
至于其他爆破参数，如w、a、b、l’(堵塞长度)等可按一般钻孔爆破确定，而单孔装药量Q依据体积公式，按Q=kwaH或Q=kabH计算确定。
3．5爆破开挖施工原则
多年冻土爆破开挖的施工条件限制多，环境恶劣，因而在施工中必须遵循以下三大原则。
3．5．1 快速施工的原则
(1)合理确定一次爆破规模。对于路堑开挖来说，为防止爆后因开挖及后续作业衔接不紧而造成病害，应实施分段爆破开挖，并且做到开挖一段清运一段，清挖工作最好在当天完成，防止爆堆再次冻结而无法施工。铁路路堑爆破规模由爆破清碴和对基底及边坡的处理能力来确定，只有在对前次爆破、挖运、基底处理循环完成后，方可进行第二次爆破作业。
(2)努力提高钻孔和成孔效率。首先，为满足大规模施工的需要，应根据孔深的不同，选择钻进效率最高的钻机。若一个工地仅限一种钻机，则应考虑钻机具有钻孔深度可达10～12m、钻孔直径80～120mm、钻进效率可达0．5～1．Om／min的性能，并且要具有一定的爬坡能力，且行走以轮胎式为佳。其次，应尽量保持钻孔在装药时保持良好状态，防止回冻、回淤引起爆孔变浅、变细。
（3）优化爆破设计参数，做到路堑爆破一次成型。首先应因地制宜选择爆破方案，对开挖冻土方量较小、地形较复杂的工地，可采用浅孔爆破；对开挖冻土方量比较集中、开挖台阶高度大于5m的工地，可采用深孔爆破。其次应按表4选取合理炸药单耗。不同地质条件下的炸药单耗差别较大，且与地温有关，必要时应在现场进行标准爆破漏斗试验予以确定。另外，对于挖深不超过15m的冻土路堑，爆破设计应做到一次爆破成型。为防止钻孔深度因塌孔、回淤、回冻而造成的减少，在实际钻孔中，可考虑增加20～50cm的附加超钻量。
(4)做好施工组织设计，实现不间断高效作业。冻土爆破前，应将爆破后冻土的开挖设备、工具、路基隔热层施工材料及其他建筑材料准备就绪，并放置在爆破工地周围安全、使用方便的适当地点。冻土爆破后应立即开挖，对浅堑开挖，可先基底后边坡；对深堑开挖，宜先边坡后基底。开挖应注意在基面位置拉出一定宽度的排水槽，以防融化泥流淤积堑内。
3．5．2保护生态环境的原则
多年冻土地区的生态环境极其脆弱，一旦破坏难以恢复，有时甚至是不可逆的。因此，爆破开挖施工应尽量减少对多年冻土环境的破坏，认真贯彻“预防为主，保护优先，开发和保护并重”的原则。
(1)严格控制爆破开挖在设计界限内进行。为保护冻土生态环境，不留病害隐患，多年冻土爆破应严格控制超爆超挖。为提高边坡质量，使爆破后形成的边坡稳定、平整、光滑，对边坡上部的炮孔深度应严格控制，绝不允许炮孔伸入边坡，且爆破时孔底应设置空气缓冲段。地表为松软土质时，应沿开挖限界设置预裂沟。
(2)努力避免爆破开挖对工点周围生态环境的破坏。高原冻土地区施工中，原则上宜采用松动爆破。为降低爆破振动，提高爆破破碎效果，多排和多孔爆破宜采用毫秒间隔起爆。对爆破体的开挖清运，宜配备挖掘机和自卸汽车，不宜使用履带式推土机和铲运机。
(3)在施工中采取措施，减少冻土的热融。爆破开挖范围内的草皮在施爆前一般不宜破坏。即使表层无草皮，施爆前也应保持原有状态，
3．5．3安全作业的原则
(1)采用防水抗冻爆破器材，提高爆破的准爆率。
(2)确保高原雷电气象环境下爆破器材的安全。
(3)确保恶劣气象条件下施工人员的作业安全。
3．6工程实例
2002年7月在青藏线风火山路段实施了路堑冻土的爆破开挖。
待爆冻土表层为角砾冻土，厚度为0～2．1m，浅红～灰色，菱角状，属于季节融化层，中密Ⅱ级普通土。下部为碎石冻土，厚度大于5．3m，褐黄～褐灰色，菱角状，含冰丰富。爆破之前其上部3．O～3．2m的季节性冻土已清除，剩下坚硬的富冰碎石冻土挖机无法挖动，等待进行松动爆破。本段地温位于高温极不稳定区(Tcp-I区)，多年冻土上限3．0～3．2m。
根据经验确定炮孔布置形式为梅花形，由爆破漏斗试验确定冻土中2号岩石散装炸药的单耗量为O．3kg／m3。选用炮孔直径d=lOOmm；前排孔底盘抵抗线W=3．5m；孔深l=3．5～4．Om；排距b=3m，孔距a=4m；堵塞长度大于2m。单孔装药量按Q=qwal或Q=qabl计算，得Q=14～16kg。
青藏高原为多雷区，且天气变化无常，针对防雷安全，装药结构为孔内用导爆索捆绑2支150g的乳化炸药送入孔底作起爆药柱。孔内有水装乳化炸药、无水装散装2号岩石炸药，导爆索在孔外留20～30cm，等装药全部完成后再绑接雷管。本次爆破共三排孔，第一、二、三排分别用1、3、5段非电雷管引爆孔外导爆索，非电雷管簇联后有单发雷管引爆。
为防止成孔后因搁置时间过长而出现热融坍孔、回淤、回冻和炸药经历太大温度变化而降低威力，在每个钻孔完成后立即装药，爆破规模限制在当班或当天完成的炮孔数。
爆破后爆堆较分散，无大块，个别飞石距离基本控制在100m以内。爆堆清挖后测量结果为：炮孔深度为3．5m处，实际挖深3．2～3．3m；炮孔深度为4．Om处，实际挖深3．6～3．7m。完全达到预期目的。
本次爆破后，施工队基本按上述参数进行冻土爆破，只是在含冰量更大的地段将炸药单耗下调为0．25kg/m3，均取得了良好的效果。
4结语
通过试验研究和工程实践的总结，得到了季节性冻土和多年冻土(高原永久性冻土)露天钻爆施工方法，工程应用效果表明其可作为这两类冻土爆破的设计参考和施工指导。但是，由于我国冻土爆破的工程量有限，实际施工作业不够广泛，尚有许多问题需要进一步深入研究，主要包括：
(1)通过试验，研究冻土爆破机理，建立冻土爆破模型。
(2)冻土光面爆破、预裂爆破机理研究，为冻土隧道、路堑及基坑开挖作技术储备。
(3)冻土路堑边坡坡度很小，缓倾斜钻孔因热融、回冻等原因成孔率很低，沿坡面钻孔进行光面或预裂爆破不太实用，需进一步研究利用垂直孔控制边坡开挖的技术。
(4)深入研究零节性冻土的爆破振动传播规律，给出定量的计算方法。
(5)研究冻土爆破破坏范围和裂隙发展情况以及对冻土边坡的影响程度。
(6)通过大量实践总结分门别类地给出各种冻土爆破的参数选择范围，且其类型应与一般冻土的工程分类相一致。
参考文献
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摘自《中国爆破新进展》