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青藏铁路冻土爆破技术原则与器材选型
戈鹤川：铁道科学研究院铁道建筑研究所，副研究员，北京，100081
冯叔瑜：铁道科学研究院铁道建筑研究所，院士，北京，100081
摘 要: 从合理选择爆破参数、减少爆破对高原冻土的扰动、保护环境等要点出发,分析了青藏铁路冻土爆破所应遵循的技术原则,结合试验段工程实践,阐述了新型防水抗冻炸药的性能特点和高原冻土钻爆器材的选用方法。
关键词: 青藏铁路；冻土爆破；器材
1 青藏铁路冻土爆破的技术原则
冻土爆破的工程研究已有几百年的历史[1]，一些研究机构对冻土爆破的工艺和参数都有一定的研究和试验，并得出了一些定性的结论[2] ～[5],利用人工冻结法处理不利的地质条件进行爆破开挖已成功地应用于许多工程。冻土的爆破与冻土的组成成分、含水（冰）量、负温环境以及冻土的物理力学指标有关，也与爆破冲量的大小、荷载作用形式和作用时间有关。要处理好爆破的破碎及抛掷要
求，控制扰动范围和爆破震动传播的影响，保持边坡稳定，特别是爆后清理作业的效率、环境保护的要求以及施工中的爆破安全事项等，首先必须明确工程的总体目标，协调上述各种因素，确定主要的技术原则。在爆破方案的设计，炸药类型和钻爆机具的选用，以及爆后的清运回填等作业程
序中，应做到目标一致，从而达到工程的最终要求。
青藏铁路格拉段地处世界海拔最高的高原，自然环境恶劣，地质情况也十分复杂。线路海拔高程大
于4 000 m 的地段900 多km，穿越550 km 的多年冻土地段。青藏高原气候干燥，气温气压低，冻结期长达7～8 个月，急风、暴雪、雷暴等变化无常，年平均气温只有-4℃，昼夜温差变化大，生态环境十分脆弱。在西部大开发中，生态环境保护是党和国家可持续发展的战略要求，青藏铁路
建设中对多年冻土爆破开挖的技术原则，必须考虑爆破扰动后的环境恢复和稳定，并据此确定合理的器材选型和装药参数，使钻、爆、挖、运达到安全协调和较高的效率。
1．1 通过现场实验取得合理爆破参数
尽管人们对冻土的爆破性质已有一定的了解，但还远远不够。冰是冻土特有的成分，它的物理特性与岩石和土壤极不相同。冰的密度只有岩石的1/3，但在爆炸荷载作用下表现出的特性却象岩石。爆炸波在冻土中的传播与冻土的颗粒成分、含冰量、负温值及其应力状态和大小有关[5]，纵波传递时，冻土承受拉、压和剪切的组合作用，因此纵波波速表征了冻土的强度和变形特征。在成分相类、温度状态相类的冻土中，波速越小，可爆性相应要好；从能量的利用与破碎效果来看，温度适当低时，其可爆性也相应越好。在工程实际中，准确测量和把握冻土爆破相关参数的性状和变化规律是很困难的，因此，最实用、有效的方法是通过现场的爆破漏斗试验来确定器材的选型和爆破参数。
20 世纪50 年代以来，美国、加拿大等一些国家的爆破学者和工程专家在淤泥冻土、冰渍土、沙砾冻土中通过爆破漏斗试验取得了很好的效果。爆破漏斗试验直观地反映了炸药、介质（该地区冻土）、埋深等相关因素的综合作用结果，经过量测统计分析，即可快速地对天然冻土的爆破性状及炸药的匹配性质获得基本的了解；波速的测量也可同时进行。综合分析实验结果就不难得出比较合理的爆破装药参数。2002年，铁道科学研究院与中铁三局集团公司在地处“三江源国家自然保护区”的青藏铁路试验段路堑爆破开挖中也应用了现场爆破漏斗试验的方法，取得了合理的参数，工程进展顺利，效果良好。
1.2 严格控制爆破的扰动范围
《青藏铁路高原多年冻土区路基工程施工技术细则》中明确规定：高原冻土区路基施工中的爆破，应采用松动爆破。随着青藏铁路建设和试验段施工的开展，我国工程施工的机械化能力大大增强。因此，青藏铁路应严格控制爆破扰动范围，爆破作用指数n=0.75 作为标准松动爆破应控制在下限。青藏高原高寒缺氧，土地荒漠，生态脆弱。开挖地表，铲除植被，实施爆破等必然改变天然冻土应力和温度场的分布与平衡，稍有不慎就会留下工程或环境隐患，引发或加剧冻土环境工程地质问题。根据现场实验和工程实践，严格控制炸药单耗是减少扰动的最有效措施。在爆炸的高强高
压作用下，饱冰砂质冻土表现出的爆破特性像砂岩，泥砂质冻土像泥砂岩，饱和砾石类冻土像混凝土。但统计表明，减弱松动可以保证顺利清挖，单耗可比一般土岩爆破降低15%左右。此外，爆破的“扰动”并非只是炸药对冻土的破碎所形成的扰动，还有其他的因素处理不当也会对工程和环境带来类似“扰动”的破坏。例如爆前清理表土不当造成融沉，爆后形成热融泥流，孔内热融积水或回淤回冻塞孔使爆破偏离设计目标等，这些都是必须注意的重要问题。
1.3 精选器材，提高爆破安全和效率
“工欲善其事，必先利其器”，青藏铁路冻土爆破是一件精雕细琢的事。20 世纪70 年代在风火山试验场的深孔爆破试验中，钻孔机具的效率和成孔率、炸药的防水防冻、起爆系统的准爆率等曾是高原冻土爆破的大难题。30 年后的今天，我国的钻孔机械和爆破器材工业已经有了极大的发展，抗水抗冻炸药和起爆器材已出口到国外，解决青藏铁路的爆破，器材似乎已经不成问题。但实际上，目前青藏铁路爆破器材的使用仍较单一，安全、效率和经济性方面都有进一步提升的空间。例如，合理选用钻机钻具可以提高钻孔速度，节约成本；同样，选用与不同冻土性质相匹配的高效炸药可以减少钻孔数量，合理利用炸药能量，提高爆破效率。精选器材是提高爆破安全性的保证，一次事故的发生不仅造成经济的损失，严重的还会伤及人身或对环境造成损害。因此，对钻爆器材的选用
也须站在技术原则的高度来考虑，精心甄选，手握利器才能保证工程的顺利实施。
2 爆破器材的选型
2.1 基本性能要求
（1）青藏铁路冻土爆破的器材使用有其独特的要求，为加快建设，暖季寒季都可能施工。寒、暖季中冻土地温都在负温以下，因此所用器材必须具备防水抗冻的性能，特别是寒季施工中要满足低温贮运的要求。
（2 ）高原日间紫外线辐射强烈，炸药的包装和防辐射措施也要到位，长时间暴晒炸药很容易使它变质失效，影响爆破效果，甚至酿成事故。
（3 ）雷暴是青藏高原特有的气象灾害，统计中的年平均雷暴日最高达47 天。爆破器材的贮存和运输必须有较好的防雷避雷措施。露天作业要使用非电起爆系统，导爆管和导爆索要有很好的低温耐冻性能。
（4）青藏铁路的两条高原隧道都在4 700 m的高寒地区，空气稀薄，含氧量低。隧道爆破使用的炸药必须炮烟少，爆后有毒有害气体含量低，禁止使用含TNT 的炸药。为保证隧道开挖后周边冻土的稳定，应施行光面爆破。
2.2 几种新型的防水抗冻炸药
（1）乳化炸药。乳化炸药防水性能好，抗冻性为-15℃，其优点是价格便宜且完全可以满足暖季施工的需要，缺点是贮存期短。因高原日温差大，紫外线辐射强，乳化炸药破乳加快，敏化气泡减少，爆炸性能会降低。因此必须随购随用，存期不宜超过60天。
（2 ）K D W 型抗严寒乳化炸药。K D W 型炸药为北京矿冶研究总院研制，爆速4 500～4 900 m/s，猛度19.2 mm，最小临界直径20 mm, 具有良好防水抗冻性能。在-45℃条件下不结冻，用8号工业雷管即可引爆。目前已在蒙古和哈萨克斯坦建立了生产线，是一种优质的抗冻型炸药。
（3）粉状膨化硝铵炸药。粉状膨化硝铵炸药为南京理工大学研制，是一种新型环保炸药。在-40℃能正常引爆，爆速4 000 m/s 以上。爆炸产生炮烟少，不含TNT，可满足三江源高标准的爆破环保要求。不足的是温度较低时其塑料包装易脆裂，装药时挖掘冻土应小心操作。
（4）钝感水胶炸药。钝感水胶炸药由山西兴安化工厂研制生产，其密度大，防水性能好，是一种安全的抗冻型高威力炸药。在-50～-30℃时爆速仍达6 000 m/s 以上，在有水的炮孔中下沉快，利于装药，对提高施工施爆效率非常有效，特别适合于高原冻土的露天爆破。由于钝感，其运输和贮存很安全，储存期可达6 个月以上，而且价格比乳化炸药还低，具有良好的经济性。缺点是不能用8 号工业雷管直接引爆，每个炮孔内须加装一个起爆弹，由雷管引爆起爆弹，再由起爆弹引爆炸药，给装药操作带来些许不便。
（5）光面爆破专用炸药。光面爆破专用炸药有大连生产的劈裂管和山西生产的光爆药卷。劈裂管内装粉状炸药，每节管长30 cm，直径有29 mm和32 mm 两种。劈裂管能逐节连接，连续引爆。使用劈裂管要注意方向性，聚能穴要对准切割方向。山西生产的光爆药卷填装水胶炸药，用硬塑料管包装，每节长40 mm，直径20mm 也可逐节连接，连续引爆。实用证明这两种光爆炸药效果都很好。
3 钻孔机械的选用
爆破施工中，钻孔费用约占整个费用的1/2。准确地钻孔成孔是实现爆破设计意图的重要保证。在不同土质和含冰量的地区，不同形式的钻机钻具的钻凿效率可能相差数倍之多。由此可见，钻孔施工无论在技术上还是在经济上都是爆破的重要环节。在土壤或岩石中钻孔，主要是通过机械带动钻具以切削或高频冲击的方式使土岩破碎脱离母体排出孔外，由此形成一定深度和直径的空孔。土
壤质地疏松，成分颗粒间粘结力小，适于切削成孔，土屑一般是通过螺旋输送和高压空气吹送排出孔外；岩石由于结构致密，强度高，脆性大，通常采用挤压和冲击的破碎方式，岩粉岩屑通过高压空气排出形成空孔。钻屑的形成和排出是土岩中钻孔的两个必要条件，缺一不可，而且要协调得
当，运转流畅，否则就会大大降低钻孔效率。
冻土是由固体矿物颗粒、粘塑性冰包裹体、未冻水和强结合水以及气体包裹体组成的复杂四相体，其对钻削和冲击能量的吸收都与岩土不同。随着含冰量和冻结程度的不同，其钻凿性质也在变化。特别是钻凿过程中热量的传递，使孔壁孔底和钻屑热融，形成泥浆泥团阻断了钻屑的形成和排出，大量的机械能通过摩擦转化成热能，进一步恶化了钻屑的形成和排出条件，不仅降低钻孔效率，最终导致钻孔无法继续下去。1975 — 1976 年风火山深孔爆破试验中，由于当时对各类冻土的性状
和钻凿特点还不够了解，使用DPP-100 型汽车地质钻、DG-1 型钻机、XJ-100 型手持地质钻、7105 型内燃钻及煤电钻等进行钻孔试验，平均钻进速度只有0.5～1.5 m/h，效率极低。2002 年青藏铁路开工的试验段中，经过认真试验和比选，在高含冰量冻土中使用201SZ型沙漠钻机钻进速度可以达到1.5 m/min；而在不得已只能使用煤电钻的地方，由于钻凿方式与冻土结构性状不相适宜，尽管增大了钻机功率，钻进速度仍只有0.5 m/h。因此，必须根据冻土性状和“钻排协调”的原则，从一开始就选好适宜的钻凿方式和机具。在选择钻孔机械时，要注意不同施工条件对钻机的技术要求，例如钻头的进给和排粉方式等。具体来说，首要的选型依据是：冻土成分和冻结程度、孔深孔径的要求以及工地可资利用的动力形式。选择机具时, 可参考如下一些原则：
（1）在露天冻土中钻孔孔径不宜过小，钻凿小孔会因相对传热面积大而造成排屑不畅，降低效率。钻孔孔径尽量选在60～75 mm 以上；
（2）在含有硬夹层的多年冻土地区，应尽量选用150 mm 以上的孔径；
（3）在冻结表土段可采用钻削方式钻凿炮孔，同时要仔细观察排出的钻屑情况，加强吹孔排屑，出现泥浆时应降低转数；
（4） 在高含冰量冻土中钻孔，适宜使用沙驼牌201SZ 型沙漠钻机，效率很高；在寒季也可以使用风动潜孔钻机，但效率一般；
（5）满足钻凿要求的条件下，动力形式上应优先选用电力驱动的钻凿设备。
4 结束语
青藏铁路的建设正在全面展开，高原冻土的爆破也会随着工程的深入迎来新的挑战。及时观测和分析爆破过程中和爆破施工后的各项资料数据，进一步研究了解冻土物理力学性质对爆破效果的影响，对照工程要求，随时总结经验，不断提高爆破工艺和器材的技术水平，仍是今后研究、设计和施工单位需要认真解决的问题。
参考文献
1 程国栋，何平. 多年冻土线性工程.青藏铁路学术研讨会论文集， 2001,7
2 吴紫汪，马魏. 冻土强度与蠕变. 兰州：兰州大学出版社，1994
3 马芹永.冻土爆破性的综合评价. 辽宁：辽宁工程技术大学学报，1999，18（3）
4 杨年华. 冻土爆破的实践与认识. 铁道工程学报,2000(4)
5 马芹永. 冻土强度与爆破性关系的试验研究.东北大学学报,1995,16（10）
