顾毅成  冯叔瑜

1．前    言

青藏铁路通过高原冻土地区约550 km，高原冻土爆破技术，是修建青藏铁路需要解决的技术问题之一。特别是对于路堑施工，必须要坚持高标准、严要求，保证工程质量，不留病害隐患，路堑爆破开挖施工，更应引起足够的重视。早在1974～1977年间，针对修建青藏铁路，我们在青藏高原风火山(海拔4700 m)和清水河(海拔4500 m)试验场进行了高原冻土爆破试验。本文在上述试验所取得的成果的基础上，结合20多年来爆破技术的发展，提出高原冻土地区路堑爆破开挖施工的基本原则，以及实现上述原则的主要技术对策。

2．高原冻土地区爆破开挖试验概况

    1975年及1976年5～9月，在风火山和清水河两个试验场进行了以下内容的冻土爆破试验。

    (1)在冻土中钻孔的试验。对71－05型小钻机、XJ－100型手把地质钻机、DPP－100型汽车钻，DG－1型电杆工程车及自制螺旋钻头在冻土中钻凿速度及其工作状况进行了考核。

    (2)聚－2号浆状炸药(以聚丙烯酰胺为胶结剂的浆状炸药)及其他有关爆破器材(硝铵炸药、雷管、导爆索等)的防水抗冻性能、爆轰性能、安全性能进行了试验，并在现场应用。

    (3)冻土爆破基本参数试验。包括标准爆破漏斗试验、爆扩药壶试验，并进行了药包布置形式、钻孔间距、排距与孔深的关系，以及爆破破坏半径、压缩圈半径的试验与测量。

    (4)在风火山试验场进行了40 m长铁路路堑深孔和深孔药壶爆破及开挖的试验。试验的拉槽路堑挖深5～7 m，地表开挖宽度15～20 m，边坡坡度1：1.5，并分别以挡墙或各种保温材料保护边坡，路堑基底以换填当地细颗粒土处理；爆破有效冻土方量1820 m³，总装药量1108 kg。

    (5)在清水河试验场进行了2个桥涵明挖基坑爆破与开挖试验，基坑分别为砌筑混凝土预制块基础和灌注冷混凝土基础，基础开挖冻土方量分别为100 m³和140 m³，做到当天爆破，当天基坑由W4－60型挖掘机开挖成型。

试验区山坡自然坡度为5°～l0°，原地表草皮覆盖度80％～90％，草皮厚0.15～0.20 m。1.55 m左右为多年冻土天然上限。1.55～2.0 m为含土冰层，体积含冰量80％～90％，骨架为紫红色砂粘土夹碎石。2．0～2.8 m为饱冰冻土，体积含冰量60％～70％。2.8～5.3 m为含土冰层，体积含冰量90％左右。5.3～7.0 m为少冰至多冰冻土，体积含冰量5％～10％，骨架为砂岩及页岩风化物。其下为砂页岩风化层。试验区地温为-1.5～-5℃。

    3．遵循快速施工的原则

    对于冻土爆破，一般都是按保持冻结的原则进行开挖施工。在青藏铁路高原冻土地区，高含冰量冻土路堑应在10、11月和3、4、5月进行开挖，在6月中前完成基底和边坡的换填和保温层施工。由于高寒缺氧，满足保持冻结原则施工的工期有限，因此，必然会有相当数量的低含冰量冻土和石质冻土路堑爆破开挖施工安排在暖季进行，并按允许融化的原则施工。这时，必须遵循爆破开挖快速施工的有关技术要求。

    现场观测试验表明，在暖季施工条件下，暴露的基坑迅速热融，对基底在48 h可热融16～18 cm深；对爆堆，其热融程度更为可观。路堑爆破后如不及时清运，并抓紧做好隔热层及路基后续工程的施工，或者施工处理不当，路堑极易形成融沉坍滑，给施工作业带来很大困难，乃至留下路基病害隐患。

    贯彻爆破开挖快速施工的原则，要从以下几个方面给予重视。

    (1)选择确定合理的一次爆破规模

    一般来讲，爆破技术人员希望一次爆破的规模较大。但对路堑冻土爆破，为防止爆后因开挖及后续作业衔接不紧而造成病害，应选择确定合理的一次爆破规模。路堑开挖应视长度分段施工，开挖一段，处理一段。以路堑冻土暴露时间最短为原则，一般不应超过7 d。对于一次爆破的规模，可根据高原冻土的工程地质条件和施工力量安排。由爆破清碴和对基底与边坡的处理能力来确定，只有在对前次爆破－开挖－基底处理循环完成后，方可进行第二次爆破作业。

    (2)努力提高爆破钻孔与成孔效率

    由于冻土的特殊地质条件，在暖季不宜采用风动冲击式潜孔凿岩台车或钻机。在试验期间，曾采用71－05型小钻机、XJ－100型地质钻机、：DDP－100型汽车地质钻机、DG－1型电杆工程车等螺旋式钻机，但由于高原地区空气稀薄，大气气压为560～600 mPa，使钻进效率降低，如回转次数设计指标为80 r／min，实际仅达到17～21 r／min，平均每个台班的进尺分别为4.0～10.1 m。即使采用自制设计的螺旋钻头，平均纯钻进效率也仅为0.11 m/min。冻土在钻进的热融作用下，使切削物结成粘泥团，挤压在螺旋叶片之间，不能自动排出，也是影响钻进效率的因素。因此，为满足大规模施工的需要，需进一步选择或研制高效率的冻土爆破用钻机，这种钻机的钻孔深度应达到10～12 m，钻孔孔径为100～200 mm，钻进效率应达到0.5 m/min和具有一定的爬坡能力。

    高原冻土地区，钻孔随时间的变迁，因回淤、回冻，孔深逐渐变浅，影响装药深度和爆破效果。在钻孔后1～15 d，钻孔的最大保存率为92％，最小为23％，平均为65％，而钻孔深度变化，主要发生在钻后第二天。观测分析表明，钻孔深度变浅的原因，主要是钻进过程中引起冻土热融形成泥浆未及时排出而回冻；地表水、上限以上融化层的层上水流入孔内回冻；局部地层中因流沙或不良地质造成孔壁坍塌。

    我们对避免钻孔深度变化采取的措施是：切断地表水流人钻孔中的途径；用小药包(100～300 g)爆破法在钻后立即清除钻孔中的积水和淤泥；在钻孔底部放置小药包(100～300 g)定期(1～3 d)爆破清底；对遇有局部流沙地层的钻孔，采取下套管或用粘性土护壁、挖导向坑和钻完一孔，立即装药的措施。通过这些措施，可以保证钻孔深度符合设计要求。

    为了提高单位延米钻孔的爆落冻土方量，对机械设备不足的工地，可以采用深孔药壶爆破。冻土层中的药壶爆扩宜采用“少药多扩”的方法，对于一个直径为60 cm的药壶，可装药150 kg，可大幅度地减少钻孔数量。在暖季采用爆扩药壶，对地表为砂土层等容易造成孔口坍塌地质条件的工地，孔口可采取挖导向坑等预防孔口坍塌的措施。

    (3)优化爆破设计参数，做到路堑一次爆破成型

    实现爆破开挖快速施工，科学、合理的爆破设计是前题。要因地制宜地选择爆破方案，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5 m的工地，可采用深孔爆破和深孔药壶爆破；在一个工地，可以采用综合爆破技术。

单位耗药量是最重要的爆破设计参数。不同地质条件下的单位耗药量值q、k列于表1。冻土爆破的单位耗药量，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。

表1  单位耗药量q、k值表

对挖深不超过15 m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20～50 cm的附加超钻量，在对基底破坏没有严格要求时，深孔台阶爆破的超钻量为40～50 cm；浅孔台阶爆破和深孔药壶爆破的超钻量为20～30 cm；在不允许对基底有破坏时，其超钻量应酌量减少。对深孔药壶爆破，为保护边坡不受破坏，临近边坡的深孔药壶位置，应用预留边坡保护半径r予以控制(r=AW，W为药包最小抵抗线值)，A值的选取可参考表2。

表2  预留边坡保护半径系数A值得选取

    (4)做好施工组织设计，实现不问断高效作业

要实现爆破开挖快速施工，做好施工组织设计，实现不问断高效作业是关键。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。

    4．遵循保护生态环境的原则

    多年冻土地区的生态环境极其脆弱，一经破坏，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，不留路基病害隐患，路堑冻土爆破应严格控制超爆超挖。为提高路堑边坡质量，使爆破后形成的边坡稳定，平整、光滑，便于隔热层和路堑支挡建筑物的施工，对边坡宜采用光面爆破或预裂爆破。地表为松软土质时，沿开挖限界，亦可以设置预裂沟。光面、预裂爆破应作好钻孔布置及爆破参数、装药结构设计。光面和预裂爆破所用钻孔，其方位角和倾角验收误差标准要控制在±1.5°。

    (2)努力避免爆破开挖对工点周围生态环境的破坏

    为避免爆破开挖对工点周围生态环境的破坏，高原冻土地区路基施工中，原则上不得采用洞室爆破。深孔及深孔药壶爆破，宜采用松动爆破，当必须采用扬弃爆破时，应具备爆破弃碴对开挖限界以外的生态环境(如地表植被等)不受破坏的条件，或采取相应的保护生态环境的技术措施。为降低爆破振动，提高爆破破碎效果，多排和多孔爆破，宜采用毫秒爆破。

    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

    20世纪70年代在风火山进行的试验工程中，由于缺乏经验，在钻爆作业前，试验路堑的地表草皮事先用推土机推除，造成了严重的融沉并形成泥流河(图1)，在坍滑位移和推挤作用下，部分地表鼓起成弹性波浪状，加上在大气降水(雨、雪、雹)的融、冻交替作用下，不仅施工困难，也破坏了原有生态环境。

图l  试验路堑因融沉坍滑形成的泥流河

图2  冻土爆堆上铺设了临时保温材料

经验告诉我们，在施工中，必须采取措施，减少冻土的热融。爆破开挖地表范围内的草皮，爆破前一般不宜破坏；如为利用爆破开挖地表范围内的草皮，并先行铲下，挖掘后地面宜采取临时保温措施以防铲去草皮后的冻土融化。在暖季施工条件下应遵循快速施工的原则，因故暂时不能开挖或开挖中途停顿时，对爆破体应敷设临时保温材料(图2)，或采取其他措施控制爆破体的冻融。在暖季，开挖后路堑暴露的冻土层，应作昼盖夜开的简易遮挡防护，以减少热融影响。路堑初步开挖后，应按设计要求，及时作好刷坡、清底，并尽快进行隔热层铺砌和路堑的其他作业施工。

5．遵循安全作业的原则

    青藏高原高寒缺氧，急风、暴雪等变化剧烈无常，恶劣的施工环境为冻土爆破作业安全提出了新的课题和要求，主要有以下几个方面。

    (1)采用防水抗冻爆破器材，提高爆破的准爆率

    在20世纪70年代风火山试验场的深孔爆破试验中，尽管对2号岩石炸药采用浸涂防水剂的措施，拒爆药包仍达63％，开挖后拒爆的炸药冻结成像白薯干一样呈玻璃晶体状的黄色块体，而导爆索则多数已软化腐烂成黑色，表明钻孔中的炸药和导爆索浸水后昼融夜冻，极易变质失效，因此，在暖季施工，建议采用防水抗冻型炸药。

    在1975～1976年的高原铁路试验工程中，我们选择了由兰州白银公司炸药厂生产的聚一2号抗冻浆状炸药进行试验，在高原施工现场进行长途运输、储存、安全性能、爆轰性能(浸水及低温下起爆能量、爆轰速度的测定)，标准爆破漏斗等项试验，并在试验工程的深孔爆破和深孔药壶爆破中实际应用了2 t炸药。

    聚－2号抗冻浆状炸药在高原冻土地区的试验和使用表明，该炸药的加工、运输、储存和使用比较安全，价格比较低廉，有良好的防水抗冻性能，由于炸药自身密度大，且具有可塑性能，因而装药密度高，爆破效果好。标准爆破漏斗试验表明，其炸药换算系数e=0.86,，由于聚－2号抗冻浆状炸药爆轰临界直径的最大试验值为F90 mm，需要用黑梯(黑索金－梯恩梯)药包或2号岩石炸药(2.5 kg)起爆，因此，其应用有一定的局限性。

    20世纪90年代初，由北京矿冶研究总院研制的KDW－3型抗严寒乳化炸药，密度为1.10～1.25 g/cm³爆速4 000～4500 m/s，在低温-45～-50℃条件下均软而不冻结、不变质、不导电，用一个8号工业雷管可以可靠起爆，使用药卷直径为F32 mm。该种炸药生产工艺简单，成本较低，无环境污染。近年来，山西兴安化学工业(集团)有限责任公司研制生产的SJ－L－4型钝感水胶炸药，密度大，爆速高，威力强，药卷直径为F60 mm，在0～-50℃温度下可正常使用，该种炸药必须用起爆弹或专用起爆药包起爆。

    总之，我国已拥有多种防水抗冻型炸药，在高原冻土爆破作业中可选择应用。

    现场试验表明，普通电雷管可以不采取措施，可在高原冻土地区使用，但必须注意防雷。普通导爆索可以在高原冻土地区使用，但应避免浸水和日晒。使用硝铵炸药，应采取防水措施。在寒季施工中，对确实干燥的钻孔，硝铵炸药也可以散装在钻孔中，但必须在装药后立即予以爆破，否则，由于硝铵放热融化冻土而容易使炸药受潮。

    对于非电导爆管起爆系统，建议采用高强复合型导爆管。由于采用内壁、外壁材料的优化及特殊复合层工艺，使导爆管内药剂附着力及抗拉、耐低温性能大大提高。

    (2)确保高原雷电气象环境下爆破器材的安全

    据五道梁气象站资料，该地平均雷暴日数年最多36．7 d。高原雷电气象环境下爆破器材的安全问题，应该引起足够的重视。

    依据《建筑物防雷设计规范》(GB50057－94)规定，炸药库防雷等级属于一类，必须有防直击雷，防雷电感应和防雷电波浸入措施。工地的爆破器材临时性地面库和运输爆破器材的汽车，应符合《爆破安全规程》(GB6722－86)有关规定，并对防雷措施进行专门的设计和检测。

    雷雨天气的爆破作业宜采用非电起爆方法。如采用电爆网路，为预防雷电引起电磁感应和静电感应的影响，应采用平行于起爆网路主线布设接地线的方法以降低感应电压。

    在目前人们所掌握的防雷技术及爆破工地可投入成本等条件下，爆破工地防直接雷击还是非常困难的，避开有雷电活动的日子或时段进行爆破作业也是至关重要的，遇雷雨来临时，应立即停止爆破作业，一切人员迅速撤离危险区。

    (3)高度重视高原冻土爆破作业的施工安全

    高原冻土地区尽管人烟稀少，爆破工地周围一般也没有重要的建(构)筑物，但当爆破工地周围有通讯、电力线路、输油管道、公路或其他应保护设施时，爆破设计应考虑爆破个别飞散物，爆破空气冲击波，爆破振动对这些设施的安全影响，应在爆破设计中进行安全检验并提出安全措施。

    高原冻土爆破作业应遵守《中华人民共和国民用爆炸物品管理条例》和《爆破安全规程(GB6722?86)》，参加爆破施工作业的工程技术人员和其他爆破作业人员应持国家主管部门颁发的安全作业证上岗，并经过高原冻土爆破施工技术的短期培训。

    在高原冻土爆破作业中，要坚持以人为本，关心施工作业人员的身体状况及施工安全，做好劳动保护工作。当遇有高寒、大雪、大风等情况时，应在保证施工安全条件下，由工地指挥部门决定能否进行爆破施工作业，必要时，应采取相应的安全措施。

6．结束语

    已有专家认为，青藏铁路修建的成败决定于路基，而路基最大的问题就是多年冻土。我们必须高度重视高原冻土地区路堑爆破开挖施工问题。通过20世纪70年代针对青藏铁路建设进行的高原冻土爆破试验，并结合爆破器材与爆破技术的最新发展，使我们对高原冻土爆破暖季爆破开挖施工有了一个基本的认识。可以肯定，在建设青藏铁路施工过程中，还会出现许多新的问题和困难，需要我们去认识和解决。

发表刊物：中国铁道科学。2001年第22卷第6期。