淺談凍土爆破

王猛

【摘要】凍土爆破廣泛應用于嚴寒地區(qū)交通工程建設、采礦、城市擴建中。在我國青藏高原交通基礎建設和黑龍江省大興安嶺北部采礦過程中，遇到了大量凍土，并在凍土中開挖爆破。結合工程實例和國內(nèi)外文獻，介紹凍土爆破的特性和施工方法，加深工程人員對凍土爆破的認識和了解。

【關鍵詞】凍土特性；凍土爆破；爆破結果和凍土特性關系；總結

隨著國家經(jīng)濟建設的迅速發(fā)展，青藏高原、東北大興安嶺等嚴寒地區(qū)的工程建設如火如荼，凍土的開挖必不可少。鉆孔爆破是開挖凍土的有效方法之一，但凍土爆破作為一種特殊爆破技術，工程經(jīng)驗較少，對其鉆爆參數(shù)的確定和機具都缺乏研究 。本文對凍土的特性及施工方法簡單介紹以供參考。

1.凍土特性

凍土是復雜的多成份體，一般認為凍土是礦物顆粒、冰、未凍水和氣體的四相體，這些基本成份決定了凍土的構造特性，物理力學特性。凍土由于冰的膠結作用，所表現(xiàn)出來的力學性質(zhì)與未凍結土是不一樣的。凍土的強度與溫度有關，隨著溫度的降低強度增大，最后趨于穩(wěn)定；凍土強度還與含水量有關，隨含水量的增加，強度增大，增大到一定數(shù)值后，隨含水量增大而強度減小，并趨于純冰的強度。凍土中含有一定量的水，并隨著季融層的剝離和凍融交替，夏季大氣降水融入巖體，凍土的性質(zhì)又在發(fā)生改變，呈現(xiàn)出較大的塑性。凍土特殊的物理力學性質(zhì)給凍土爆破和施工帶來了諸多困難。如按普通巖石確定爆破參數(shù)，爆破后易產(chǎn)生根底、孔間未破碎的隔墻、大塊率高。

2.凍土爆破

2.1 凍土中成孔

盡管一般凍土深度在1～3 m，但由于凍結土層堅硬，且韌性好，孔內(nèi)熱融后成塑凍狀態(tài)或融化狀態(tài)，粘性較大。若采用沖擊鉆無法將孔內(nèi)碎屑吹出，鉆鑿效率很低，一般在凍土中成孔可采用如下幾種方法：

（1）麻花鉆。適用于粘土和砂性土凍結層中鉆孔，鉆孔直徑φ60～100mm，鉆孔深度2.0m 以內(nèi)無需接鉆桿。

（2）熱力鉆孔。其原理是利用高速噴射的熾熱氣體作用，使導熱性很低的凍土層在噴射點產(chǎn)生溫差應力和氣流動能而破碎或融解。熱力鉆適用于在砂土、粘性土和含有大量礫石的凍土中鉆鑿深孔。

（3）聚能彈穿孔。穿孔深度可達3～4 m，成孔速度快，操作簡單，但成本高，只能在機械設備不易操作的特殊條件少量使用。經(jīng)驗表明凍土中鉆鑿炮孔的直徑應比藥卷直徑大一倍以上，以方便裝藥。因凍土中炮孔內(nèi)再融凍會使炮孔卡堵，最好鉆孔后立即裝藥，若不能立即裝藥，應將孔口封堵嚴實。

2.2 凍土爆破參數(shù)

凍土爆破中最重要的是臨空面，臨空面條件越好，爆破效果好，有害效應低。因此初次平地凍土爆破開挖應采用掏槽爆破原理來開刨臨空面。開刨臨空面爆破可采用楔形掏槽法和空孔直眼掏槽法。無論哪種掏槽法，其爆破炸藥單耗都較高，一般應達到0.5-0.8 kg/m?，爆破性質(zhì)為拋擲爆破； 當良好的臨空面開創(chuàng)后，凍土爆破的炸藥單耗只需0.3-0.4 kg/m?，爆破性質(zhì)為松動爆破。凍土并不是一樣的，它的成分和凍結的程度都可能有很大的變化。凍土爆破可分成兩種方法 ，在凍土層之下的裝藥爆破和在凍土層中的裝藥爆破。

（1）在凍土層下爆破

在凍土層之下裝藥爆破，對不太深的凍土層效果較好。炸藥放在凍土層之下，所產(chǎn)生的壓力可以向上作用于凍土。在凍土層之下可以采用不同的方式進行裝藥。如果上面已有開口，可以把水平管子敲進凍土層之下；如果上面沒有可利用的開口，那就必須鉆通凍土，然后用藥壺爆破在凍土層之下取得一個藥室。所用的裝藥要盡可能小，以免藥室挖得太大；藥室過大，則后續(xù)爆破的效果就有限了。當凍土層厚度不足1 m 時，在凍層以下放置藥包（見圖1），鉆孔深穿過凍層，這種淺孔下層裝藥爆破既能頂起破碎了凍土層，也沒飛石產(chǎn)生，效果較好，但由于炸藥放在不凍層內(nèi)，所需藥量較大。本次爆破這種淺孔較少，個別淺層凍土爆破的裝藥和爆破參數(shù)如下：炮孔直徑d=φ60mm，孔深 H=1.1m，凍土厚度h=0.95m，炮孔間距 a=1.2m，每孔裝藥量q=1.0kg，爆后表面凸起破裂，易開挖。

圖1

（2） 在凍土層中爆破

凍土層深度超過1m時，在凍土層之下裝藥就變得越來越困難。凍土層越深，就越便于用差不多和普通巖石爆破相同的方法，在凍土層中鉆眼爆破。這時，炮眼不要打通凍土層，而應在多年凍土層底邊界以上0.2m處為止。炮眼如打通了多年凍土層，就會削弱爆破效果。當凍土層厚度超過1 m，在凍層下面裝藥不易使凍土層鼓脹凸起，宜將藥包放在凍層中爆破（見圖2）。當單孔裝藥量不超過2 kg時，每孔作一個延時段起爆，當單孔裝藥量超過2 kg時，孔內(nèi)分上下二層裝藥，每孔分二個延時段起爆.以上層先爆、下層后爆為原則。

凍土爆破的炸藥和雷管選擇應為抗凍型，一般的乳化炸藥、水膠炸藥在溫度低于0℃時感度很低，不易引爆，因此凍土爆破中不宜使用。

圖2

3.凍土爆破結果與凍土特性之間關系的研究

以前加拿大對凍土爆破研究大多數(shù)局限于礦山，并且沒有詳細研究爆破漏斗和凍土特性之間的關系，于是James K.Simpson and Peter M.Jarrett做了爆破漏斗試驗 ，目標是建立凍土特性和爆破漏斗結果之間的關系。4個試驗地點分別為：細顆粒冰磧土.粘土頁巖，富冰砂巖，低含冰砂巖。測量每個試驗地點的地溫和波速，鉆孔樣品送到實驗室，測量含冰量、密度、強度和波速。在每一個試驗地點，利用5 kg藥包在不同深度做7個爆破漏斗試驗。對爆破漏斗進行測量，可得到最佳深度，可見漏斗和實際漏斗的最大尺寸。開始試圖用凍土的某一特性（如密度、含冰量、抗拉強度、抗壓強度）來描述凍土爆破特性，通過分析4個試驗地點的試驗結果，發(fā)現(xiàn)不可行，但發(fā)現(xiàn)了基于波速c和密度P的參數(shù)pc2 能較好地描述凍土爆破特性，即pc2值越大，凍土越難爆。

4.結論和今后的研究方向

人工凍土方面，國內(nèi)許多學者在實驗室對人工凍土的爆破效果與凍土特性之間的關系做了一些研究。上世紀70年代，原鐵道部科學研究院等單位在青藏高原高含冰量凍土地段做了大量試驗，得出了一些合理的爆破參數(shù)。美國陸軍工程寒區(qū)研究與工程實驗室（CRREL），在寒區(qū)凍土地段做了一些爆破漏斗試驗，以便在戰(zhàn)爭時，能更好地在寒區(qū)凍土地段進行爆破，阻止坦克、裝甲車等的前進，他們?nèi)〉昧艘恍﹥鐾令愋偷乃幇罴崖裆睢⑴R界埋深、最大可見漏斗體積和最大漏斗體積與炸藥重量的關系，但是沒有進一步研究爆破效果與凍土特性之間的關系。加拿大的James K.Simpson and Peter M.Jarrett，1983年對凍土爆破效果與凍土特性之間的關系做了一些初步研究，取得了一些定性結果，但缺乏定量結果。今后需在以下幾個方面進一步研究：

（1）通過實驗，研究凍土爆破機理，建立凍土爆破模型。

（2）凍土光面爆破、預裂爆破機理研究，為凍土隧道、路塹開挖作技術儲備。

（3）凍土路塹邊坡很緩，由于鉆孔條件的限制，光面爆破和預裂爆破可能不太實用，需進一部研究利用垂直孔控制邊坡的技術。

（4）研究凍土爆破破壞范圍和裂隙發(fā)展情況，對多年凍土和凍土路塹邊坡的影響。

參考文獻

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