淺談凍土爆破

王猛

【摘要】?jī)鐾帘茝V泛應(yīng)用于嚴(yán)寒地區(qū)交通工程建設(shè)、采礦、城市擴(kuò)建中。在我國青藏高原交通基礎(chǔ)建設(shè)和黑龍江省大興安嶺北部采礦過程中，遇到了大量?jī)鐾粒⒃趦鐾林虚_挖爆破。結(jié)合工程實(shí)例和國內(nèi)外文獻(xiàn)，介紹凍土爆破的特性和施工方法，加深工程人員對(duì)凍土爆破的認(rèn)識(shí)和了解。

【關(guān)鍵詞】?jī)鐾撂匦裕粌鐾帘疲槐平Y(jié)果和凍土特性關(guān)系；總結(jié)

隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，青藏高原、東北大興安嶺等嚴(yán)寒地區(qū)的工程建設(shè)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(shù)，工程經(jīng)驗(yàn)較少，對(duì)其鉆爆參數(shù)的確定和機(jī)具都缺乏研究 。本文對(duì)凍土的特性及施工方法簡(jiǎn)單介紹以供參考。

1.凍土特性

凍土是復(fù)雜的多成份體，一般認(rèn)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(gòu)造特性，物理力學(xué)特性。凍土由于冰的膠結(jié)作用，所表現(xiàn)出來的力學(xué)性質(zhì)與未凍結(jié)土是不一樣的。凍土的強(qiáng)度與溫度有關(guān)，隨著溫度的降低強(qiáng)度增大，最后趨于穩(wěn)定；凍土強(qiáng)度還與含水量有關(guān)，隨含水量的增加，強(qiáng)度增大，增大到一定數(shù)值后，隨含水量增大而強(qiáng)度減小，并趨于純冰的強(qiáng)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(xué)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(jié)土層堅(jiān)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(jié)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(dǎo)熱性很低的凍土層在噴射點(diǎn)產(chǎn)生溫差應(yīng)力和氣流動(dòng)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(dá)3～4 m，成孔速度快，操作簡(jiǎn)單，但成本高，只能在機(jī)械設(shè)備不易操作的特殊條件少量使用。經(jīng)驗(yàn)表明凍土中鉆鑿炮孔的直徑應(yīng)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(huì)使炮孔卡堵，最好鉆孔后立即裝藥，若不能立即裝藥，應(yīng)將孔口封堵嚴(yán)實(shí)。

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(yīng)低。因此初次平地凍土爆破開挖應(yīng)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(yīng)達(dá)到0.5-0.8 kg/m?，爆破性質(zhì)為拋擲爆破； 當(dāng)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(dòng)爆破。凍土并不是一樣的，它的成分和凍結(jié)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(duì)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(jìn)行裝藥。如果上面已有開口，可以把水平管子敲進(jìn)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(gè)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(dāng)凍土層厚度不足1 m 時(shí)，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(gè)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(shí)，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(shí)，炮眼不要打通凍土層，而應(yīng)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(huì)削弱爆破效果。當(dāng)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(dāng)單孔裝藥量不超過2 kg時(shí)，每孔作一個(gè)延時(shí)段起爆，當(dāng)單孔裝藥量超過2 kg時(shí)，孔內(nèi)分上下二層裝藥，每孔分二個(gè)延時(shí)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(yīng)為抗凍型，一般的乳化炸藥、水膠炸藥在溫度低于0℃時(shí)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(jié)果與凍土特性之間關(guān)系的研究

以前加拿大對(duì)凍土爆破研究大多數(shù)局限于礦山，并且沒有詳細(xì)研究爆破漏斗和凍土特性之間的關(guān)系，于是James K.Simpson and Peter M.Jarrett做了爆破漏斗試驗(yàn) ，目標(biāo)是建立凍土特性和爆破漏斗結(jié)果之間的關(guān)系。4個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)分別為：細(xì)顆粒冰磧土.粘土頁巖，富冰砂巖，低含冰砂巖。測(cè)量每個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)的地溫和波速，鉆孔樣品送到實(shí)驗(yàn)室，測(cè)量含冰量、密度、強(qiáng)度和波速。在每一個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)，利用5 kg藥包在不同深度做7個(gè)爆破漏斗試驗(yàn)。對(duì)爆破漏斗進(jìn)行測(cè)量，可得到最佳深度，可見漏斗和實(shí)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(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度）來描述凍土爆破特性，通過分析4個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)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(jié)論和今后的研究方向

人工凍土方面，國內(nèi)許多學(xué)者在實(shí)驗(yàn)室對(duì)人工凍土的爆破效果與凍土特性之間的關(guān)系做了一些研究。上世紀(jì)70年代，原鐵道部科學(xué)研究院等單位在青藏高原高含冰量?jī)鐾恋囟巫隽舜罅吭囼?yàn)，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(shí)驗(yàn)室（CRREL），在寒區(qū)凍土地段做了一些爆破漏斗試驗(yàn)，以便在戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)，能更好地在寒區(qū)凍土地段進(jìn)行爆破，阻止坦克、裝甲車等的前進(jìn)，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(guān)系，但是沒有進(jìn)一步研究爆破效果與凍土特性之間的關(guān)系。加拿大的James K.Simpson and Peter M.Jarrett，1983年對(duì)凍土爆破效果與凍土特性之間的關(guān)系做了一些初步研究，取得了一些定性結(jié)果，但缺乏定量結(jié)果。今后需在以下幾個(gè)方面進(jìn)一步研究：

（1）通過實(shí)驗(yàn)，研究?jī)鐾帘茩C(jī)理，建立凍土爆破模型。

（2）凍土光面爆破、預(yù)裂爆破機(jī)理研究，為凍土隧道、路塹開挖作技術(shù)儲(chǔ)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(yù)裂爆破可能不太實(shí)用，需進(jìn)一部研究利用垂直孔控制邊坡的技術(shù)。

（4）研究?jī)鐾帘破茐姆秶土严栋l(fā)展情況，對(duì)多年凍土和凍土路塹邊坡的影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊年華. 凍土爆破的實(shí)踐和認(rèn)識(shí)[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào)，2000

[2] 傅洪賢，馮叔瑜，張志毅 .凍土爆破研究的最新進(jìn)展 [J]. 鐵道學(xué)報(bào) ，2002

[3] 曹忠清，馬富廷 .多年凍土區(qū)露天煤礦爆破技術(shù)實(shí)踐總結(jié) [J]. 露天采礦技術(shù) ，2007