冻土爆破研究的最新进展

傅洪贤  冯叔瑜  张志毅

多年冻土的工程研究可以追溯到1570年。人们在多年冻土地区开采金矿，对冻土有了认识。之后，随着多年冻土地区的工业建设，与冻土有关的工程问题，如冻胀、融沉、道路翻浆、融冻泥石流、边坡及路基失稳等随之而来，为研究此问题，成立了许多冻土研究机构，如前苏联科学研究院的冻土所；美国陆军工程寒区研究与工程实验室(CRREL)；中国科学院兰州冰川冻土研究所；日本、法国、加拿大等国也都建立了自己的冻土科研机构。国内对人工冻土的爆破机理和人工冻土爆破施工做了一些试验研究，对多年冻土爆破施工也做过一些探讨。国外对多年冻土进行了爆破漏斗试验并得出一些定性结论。

1．人工冻土爆破研究

(1)冻结法在建井和隧道中的应用

为了沿拟掘进井巷的轮廓建立人工冻结壁，在钻孔中安放一系列冻结管，致冷剂在冻结管中循环流动，把“冷”传给土体使周围土壤冻结。当冷量传人土内后，在冻结孔周围形成一个涛结区，其直径逐步扩大，直至相邻各冻结区交圈，结果在拟开凿的并筒周圈构成一个完整的成结筒一冻结壁，这就是入工冻结法。自1880年德国人提出入工冻结法原理并于1883年首用人工冻结法凿并，至今已有1．00多年的历史。到目前这一方法已被广泛应用于隧道、凿井、大直径围堰挖掘及其他建筑工程。

我国于1955年开始使用此方法进行煤矿竖井施工，目前已在我国广泛应用，迄今已完成约200多个竖(斜)井的施工。

采用冻结法进行隧道施工始于20世纪60年代。日本在地铁施工中曾创造57.8 m世界最长记录，我国北京地铁复八线大北窑段施工中的冻结长度为45 m。2001年广州地铁施工中，利用冻结法成功地穿越63．5 m断层破碎带，创造了世界最长的冻结记录。

(2)人工冻土爆破性影响因素

冻土的爆破性是指表征冻土爆破难易程度或抵抗爆破能力大小的指标。冻土的爆破性与冻土物理力学指标有关，也与爆破冲量大小、作用时间和作用形式有关。冻土物理力学指标主要指：抗拉强度、抗压强度、弹性模量、压缩模量、压缩系数、波速、冻土温度、冻土成分和函冰量。冻土物理力学指标是内在因素，爆破冲量大小、作用时间和作用形式是外在因素。

①人工冻土波速与爆破性的关系

冻土的波速与土的性质、颗粒成分、负温值以及应力状态和大小等因素有关。根据弹性理论，纵、横波速与弹性模量、泊松比、密度有关。纵波速度不仅与压缩模量有关，而且也剪切模量有关，所以在纵波传递时，冻土不仅承受简单的拉伸和压缩，而且承受拉压和剪切的组合作用，可见纵波速度表征了冻土的强度和变形特征。在横波传播时，横波速度受到剪切模量控制，冻土质点受到的是扭转变形。

冻土不是完全弹性体，在土温较低的情况下，冻土的弹性性能增强，在相同的应力水平下，冻土的变形量随土温的降低而减小。弹性变形在总变形中所占比例却随土温的降低而增大冻土在外荷载作用下随载荷作用时间、大小及性质的不同而产生瞬时变形、长期变形和破坏变形，炸药在冻土中爆炸具有瞬时性和高强度特点。对冻土爆破研究具有重要意义的是瞬时变形。由于声波的大小反映了冻土的内部结构、应力状态和物理力学性能，所以波速表征了冻土的爆破性。

通过试验，可知同一类冻土爆破性的难易与波速从大到小顺序一致，说明了冻土的波速反映了冻土的爆破性。通过对纵波速度、横波速度变形能系数及单位炸药消耗量4个因素进行灰色关联度分析，纵波速度与变形能系数关系密切，冻土的纵波速度反映冻土爆破性要比横波速度反映冻土爆破性显著。

    ②人工冻土爆破指标与冻土温度、含水率和装药量的关系

    通过试验可知，当药包埋深小于临界深度时，随着冻土温度的降低，漏斗爆破特性越明显，爆破作用指数n由0.85增大到1.2，爆破方量增多，而爆腔体积减少。可见，从能量利用与破碎效果看，冻土温度适当降低，其可爆性较好；当药包埋深大于临界深度时，其爆腔呈“梨状”，随着冻土温度的降低，爆腔体积逐渐减小，而内壁裂纹增多。爆破方量随着药量增大而增大；土温越低，其值增长率相对较大，温度影响显著；爆后扩腔体积越小，说明炸药能量利用率相对较高，当温度为 -4℃时，扩腔体积随装药量的加大而加大，当温度小于一4℃时，扩腔体积增长缓慢，绝对变化量较小，甚至趋于稳定，这种情况有利于冻土的破碎，减少冻土变形而消耗的能量。通过对非饱和冻土实验，发现含水率增大，爆破难度增大。若温度较低(一10~C)则难度骤增而破碎效果较好，方量减少，裂隙区范围较大。内部爆破时，腔壁爆融层厚度随着含水率增大和温度降低而减小。

    (3)人工冻土爆破合理炮孔密集系数的研究

    以不稳定表土层中常见的冻结砂土为原型，冻土温度－10～－12℃，采用2号岩石硝铵炸药进行试验。试验先由单孔爆破漏斗试验确定一定装药条件下最优抵抗线钾。，再由双孔爆破漏斗试验确定较为合理的炮孔间距E和炮孔密集系数m。模型材料为直接由现场冻结井筒中掘出的原型砂土。根据所测得的漏斗体积和抵抗线的关系，可知最优抵抗线m =58～60 mm，再通过双孔爆破漏斗试验，可知炮孔密集系数m=1.8～2.2时，可获得较大体积，在多排炮孔毫秒爆破时较为合理。

    (4)人工冻土光面爆破参数的研究

    以冻结砂土为原型进行冻土光面爆破参数的模型试验研究，结果表明，冻土中实施光面爆破是可行的。

    在中模型上进行分散的光面爆破试验，取几何相似比为1：10，根据原型要求及单孔漏斗试验结果初选的模型光面爆破参数为：孔深100～140 mm，孔距50～70 mm，抵抗线55～75mm，炮孔密集系数m为0.8～1.4。爆后经过综合分析炮眼利用率、光面爆破眼痕率和光面爆破断裂面的平整度，可能取得较好光面爆破效果时的光面爆破参数为：孔距55～75 mm，抵抗线55～75 mm，m为0.8～1.3，有空气垫层装药结构的效果良好。

在大模型光面爆破试验中，试验的主要目的是寻求较为合理的光面爆破装药密集系数m，而和m有关的爆破参数主要是孔距E和抵抗线形。根据中模型分散光面试验结果，在装药量不变的情况下选定的大模型光面爆破参数为：孔深L_b为120 mm；E为55 mm、65 mm、75 mm；W为55 mm、65 mm、75 mm，单孔药量0.30 g，上部有空气垫层装药结构，孔口炮泥封堵长度30 mm。爆后测定光面爆破炮眼眼痕率h_e，断裂面上孔间的平均凹量h₁和平均凸量h₂。由试验结果可以看出，每次试验的光面爆破眼痕率均达100％，但不同的炮孔间距和不同的装药密集系数下，光面爆破断裂面的平整度不同，较小孔距时，凹量较大；较大孔距时，凸量较大。通过研究分析可以发现，随着m值的增加，凹量减小，凸量增加，并有m大于1.2时，凸量增加速率加大；而当m小于0.8时，随着m值减小，凹量增加速率加快；只有在m为0.8～1.2时，光面爆破断裂面较为平整，平均凹凸量均小于2.0 mm。此外，其他条件不变，经对上部、下部、上下均有空气垫层和不留空气垫层4种装药结构进行的爆破试验结果比较发现，前三者均可获得较好的光面爆破效果，断裂面平整，眼痕率高，而后者则产生较大的超、欠挖现象，且上部多呈单孔爆破漏斗状破裂，眼痕长度仅为炮孔的30％～50％，由此证明了空气垫层装药在冻土光面爆破中的优越性。试验结果同时还解除了人们对底部空气垫层不能将冻土全部爆落而留有残孔的顾虑。同理，径向空气间隙不耦合装药也可获得较好的光面爆破效果。

2．天然冻土爆破研究

    (1)多年冻土的爆破

    多年冻土并不是一样的，它的成分和冻结的程度都可能有很大的变化。多年冻土爆破可分成两种方法，在多年冻土层之下的装药爆破和在多年冻土层中的装药爆破。

    ①在多年冻土层之下装药爆破

在多年冻土层之下装药爆破，对不太深的冻土层效果较好。炸药放在多年冻土层之下，所产生的压力可以向上作用于多年冻土。在多年冻土层之下可以采用不同的方式进行装药。如果上面已有开口，可以把水平管子敲进多年冻土层之下；如果上面没有可利用的开口，那就必须钻通多年冻土，然后用药壶爆破在多年冻土层之下取得一个药室。所用的装药要尽可能小，以免药室挖得太大；药室过大，则后续爆破的效果就有限了。爆破参数可参考表1。

表1 多年冻土层之下爆破参数

    钻通多年冻土层可能很麻烦。如果用大马力钻车配用大直径钻头，也许就不再需要爆破药室。所打的大直径炮眼深度约为1.5倍的多年冻土层深度，炮眼间距为2倍多年冻土层深度。

    ②在多年冻土层中装药爆破

    多年冻土层深度超过1 m时，在多年冻土层之下装药就变得越来越困难。多年冻土层越深，就越便于用差不多和普通岩石爆破相同的方法，在多年冻土层中钻眼爆破。这时，炮眼不要打通多年冻土层，而应在多年冻土层底边界以上0.2 m处为止。炮眼如打通了多年冻土层，就会削弱爆破效果。爆破参数可参考表2。

表2多年冻土层中爆破参数

当多年冻土层深度超过1．2 m时，必须使用直径比通常的小炮眼更大的炮眼才可达到要求的装药量，或者打更多的小直径炮眼，以分配必要的装药量。

    冻土爆破引起的振动应引起足够重视。完全被多年冻土包围着的建筑物更容易受到振动的影响，这是因为这时建筑物的基础与其下面的土壤之间接触密切，某种程度上这类似于靠近一座在同一岩体上的建筑物进行的岩石爆破。

    (2)青藏高原地区冻土爆破开挖试验研究

    1974～1977年，中国铁道科学研究院针对修建青藏铁路，在青藏高原风火山(海拔4700 m)和清水河(海拔4500 m)进行了高原冻土爆破试验。试验内容为：

    ①土中钻孔的试验。对7l－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、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长40 m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；爆破有效方量1820 m³，总装药量1180 kg。

    ⑤在清水河试验场进行了二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。

    通过试验研究，发现冻土爆破开挖应遵循快速施工的原则，要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。一般地，可以按爆破开挖后冻土层面的暴露时间控制在7 d以内来掌握，即一次爆破的规模。

    ②努力提高爆破钻孔与成孔率。因高原地区，空气稀薄，大气气压为560～600 mPa，使钻机效率降低，如回转次数设计指标为80 r／min，实际仅达到17～21 r／min。高原冻土地区，钻孔随时间变迁，因回淤、回冻，孔深逐渐变浅。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2天。主要原因是钻进过程中引起冻土热融层形成泥浆未及时排出回冻；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。

    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提。要因地制宜地选择爆破方案，对开挖方量较小、地形较复杂的工地，可用浅孔爆破；对开挖方量比较集中、开挖台阶高度大于5 m的工地，可用深孔爆破和深孔药壶爆破；在一个工地，可采用综合爆破技术。

    (3)极地地区冻土爆破试验研究

    在极地地区，有些矿山，每年的9月至第二年5月，台阶覆盖物被冻结，冰冻层厚度通常达2.13 m，如果台阶暴露超过一个冬季，冰冻层厚度可能超过5.49 m。开始，药柱通常延伸到冰冻台阶以下，爆破效果良好，但炸药单耗是平常的3倍，将产生过度飞石和台阶滑动，为克服上述缺点，后来采用两个改进措施：①添加附属炮孔。在生产炮孔之间通常钻1.83～2.44 m深的辅助炮孔，具体深度以冰冻层厚度而定。②间隔装药。在生产炮孔中为降低单耗，采用间隔(分段)装药。

    为防止爆破的块度回落“锁在一起”而增大挖掘难度，有人经过试验发现，采用毫秒爆破，冻土主要在水平方向产生位移，爆破块度滚动有机会消除棱角，虽然膨胀系数(1.25)比齐发爆破的膨胀系数(1.5)小，但是爆堆容易挖掘。

    20世纪70年代，前苏联建设北部时，大量冻土需要开挖。钻孔爆破是开挖冻土的有效方法。经过试验研究，对以前的爆破方法进行了改进，提出了槽式爆破法。并对该方法的实质、机理和生产试验做了研究。

    (4)爆破漏斗试验研究

对天然冻土爆破性的研究，自1955～1989年，国外一直采用爆破漏斗方法。Livingston和Robert Benert分别在1955年和1956年在加拿大的Fort Churchill Manitoba地区的冰碛土中；J．E．McCoy，J．V．Tedrow，R．w．Wendler，w．K．Boyd等人在Alaska Fairbanks附近的冰冻淤泥中；Mel．10r，M与P．V．Sellmann和新奥尔良爆破服务公司1969年至1970在Alaska的Fairbanks附近的1个粉砂场地和1个砾石场地；1975?1976年：North Smith在3个试验场地，1个场地在n．Richardon(Alaska的Anchoage附近)的季节和永久砂砾冻土，另2个在Ft．Wainwright(Alaska的Fairbanks附近)的季节和永久淤泥冻土中，做爆破漏斗试验。计算和统计漏斗的最佳深度、临界深度和漏斗最大体积，结果见表3。

表3冻土漏斗试验结果

(5)冻土爆破结果与冻土特性之间关系的研究

    以前加拿大对冻土爆破研究大多数局限于矿山，并且没有详细研究爆破漏斗和冻土特性之间的关系，于是James K．Simpson and Peter M．Jarrett做了爆破漏斗试验，目标是建立冻土特性和爆破漏斗结果之间的关系。4个试验地点分别为：细颗粒冰碛土，粘土页岩，富冰砂岩，低含冰砂岩。测量每个试验地点的地温和波速，钻孔样品送到实验室，测量含冰量、密度、强度和波速。在每一个试验地点，利用5 kg药包在不同深度做7个爆破漏斗试验。对爆破漏斗进行测量，可得到最佳深度，可见漏斗和实际漏斗的最大尺寸。开始试图用冻土的某一特性(如密度、含冰量、抗拉强度、抗压强度)来描述冻土爆破特性，通过分析4个试验地点的试验结果，发现不可行，但发现了基于波速c和密度p的参数pc²能较好地描述冻土爆破特性，即pc²值越大，冻土越难爆。

    (6)冻土钻孔机械

    ①国外冻土的钻孔机具

    在19世纪末，俄罗斯就在多年冻土地区开展了铁路工程和永久性城市建设，20世纪60～70年代，随着北部建设的发展达到了高潮，从而使其在冻土开挖方面积累了大量的工程实践经验。当时，国外在冻土地区所用到的各种型号钻机及其性能如下。

    美国陆军工程寒区研究与工程实验室（2RREL）在阿拉斯加冻土地区钻孔，20世纪60年代曾用X－71　WDWagondrill，最大直径4英寸。20世纪80年代曾用汽车钻(truck-mounted Williams augers)，孔径直径达12～20英寸，在砂砾冻土中，钻机速度10～15英尺／h。在泥沙质冻土中钻速为8英尺／h。

    日本矿研钻机公司生产的MID－140C型南极用钻机，用于冰层取芯和基岩钻孔，钻进能力150 m，岩芯直径105 mm，由1 kW的单相电动机驱动，转速0～110 r／min。

    1988年，加拿大在极地地区修建水库时，曾用．Atlas钻机钻孔创造了良好的效益。

    ②国内冻土的钻孔机具

    1975～1976年，在青藏高原对钻孔机具进行过研究试验，由于冻土结构类型的差异，没能具体确定哪种类型的钻机好，试验中用到的钻机为：

    a．DPP－100型汽车地质钻机，钻孔直径90～150 mm，效率5～6 m／台班，每台班以6 h计；

    b．XJ－100型手把地质钻，钻机直径和效率与汽车地质钻相同；

    c．7105型内燃机(铁道部科学研究院西北所自制)，钻孔直径60 ｍｍ，效率2.5～3 m／台班；

    d．1.2 kW电煤钻，钻孔直径加ｍｍ，效率25～30 m／台班，不适应土夹石和岩石，多用于零星钻孔作业；

    e．DG－l型电杆工程车等螺旋式钻机，但由于高原地区空气稀薄，大气压仅为560～600 mPa，使钻进效率很低，如回转次数指标为80 r／min，实际仅为17～21 r／min，平均每个台班的进尺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0.1 rn／min，冻土在钻进热融作用下，使切削物结成泥团，挤压在螺旋叶片之间，不能自动排除，影响了效率。

    另外，铁道部科学研究院曾在内蒙呼伦贝尔盟牙克石市的冻土爆破中采用简易麻花钻钻孔，其效率很高，孔径为60 ｍｍ，孔深为3 m以内。

    人工冻土开挖时，由于其方量相对较小，通常把风钻和煤矿用的麻花钻结合使用。

    江苏徐州中油管道二公司在西气东输的管道建设中，在达坂沼泽冻土地带开挖管沟时首次采用锅炉车的蒸汽喷射打炮眼来进行冻土爆破，此施工方法较为成功。

    通过2002年6月在昆仑山垭口高含冰量冻土路堑的爆破开挖，石油物探局特种车辆厂组装的“沙驼”牌地质钻钻孔，钻孔效率l m／min，适合于在高含冰量冻土中钻孔。

    ③聚能弹在多年冻土爆破中的应用

    由于多年冻土含有冰层，用岩石钻孔机具对冻土效果不理想，因冻土中冰与土混为泥浆，糊死了钻头的排碴孔。1975～1976年，在青藏铁路西格段施工中，对聚能弹在冻土中的穿孔做了试验。

    多年冻土穿孔试验。在应用聚能弹爆破开挖路堑和桥基坑之前，为了检验聚能弹在多年中的穿孔情况，在风火山附近的东大沟进行了穿孔试验。东大沟冻土自上至下的地层为：0～0.2 m草皮，0.2～０.6 m粘砂土，0.6～1.2 m粘砂土夹碎石，1.2～1.5 m风化砂页岩，1.5～4.0 m饱冰冻土及含土冰层，体积含冰量达80％～90％。试验穿孔的聚能弹装药量为26.9 kg，全弹重38.6 kg，采用50％的梯恩梯和50％黑索金的混铸炸药，金属罩为铝青铜铸造。穿孔深为3.8 m(可见深度)，孔径10 cm，孔底为壶形。试验表明聚能弹可以在多年冻土中穿孔，而且孔底成壶形，利于药壶法爆破。

3．结论和今后的研究方向

    人工冻土方面，国内许多学者在实验室对人工冻土的爆破效果与冻土特性之间的关系做了一些研究。

    上世纪70年代，原铁道部科学研究院等单位在青藏高原高含冰量冻土地段做了大量试验，得出了一些合理的爆破参数。美国陆军工程寒区研究与工程实验室(CRREL)，在寒区冻土地段做了一些爆破漏斗试验，以便在战争时，能更好地在寒区冻土地段进行爆破，阻止坦克、装甲车等的前进，他们取得了一些冻土类型的药包最佳埋深、临界埋深、最大可见漏斗体积和最大漏斗体积与炸药重量的关系，但是没有进一步研究爆破效果与冻土特性之间的关系。加拿大的James K．Simpson and Peter M．Jarrett，1983年对冻土爆破效果与冻土特性之间的关系做了一些初步研究，取得了一些定性结果，但缺乏定量结果。

    今后需在以下几个方面进一步研究：

    (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、路堑开挖作技术储备。

    (3)冻土路堑边坡很缓，由于钻孔条件的限制，光面爆破和预裂爆破可能不太实用，需进一步研究利用垂直孔控制边坡的技术。

(4)研究冻土爆破破坏范围和裂隙发展情况，对多年冻土和冻土路堑边坡的影响。

发表刊物：铁道学报。200'2年第24卷第6期。