冻土爆破开挖技术

摘 要：针对高原冻土地区冻土层施工的安全施工和稳定使用问题，通过对钻孔机械的研究以及不用气候条件下爆破器材选择方法的探讨，归纳了冻土区爆破施工原则，并结合工程实例进行了分析，保证冻土区道路的安全施工和稳定使用，为冻土地区施工提供了参考。

关键词：冻土；爆破；钻孔机械；施工原则

中图分类号：U419.92 文献标志码：B

Brief Analysis of Permafrost Blasting Excavation

DU Haili， LIU Ning， LIN Yamin

（Qinghai Highway Survey and Design Institute， Xining 810001， Qinghai， China）

Abstract： With high speed development of northwest infrastructure， the excavation of permafrost is unavoidable. An overview of studies carried out to develop drilling machines for different environment conditions was presented. The most important researches were undertaken on explosive materials in different cases such as deep hole， tunnel and various climates. Base on researches mentioned above， combined with case study， the execution principle of permafrost blasting excavation was concluded systematically and minutely.

Key words： permafrost； blasting； drilling machine； construction principle

0 引 言

随着中国基础设施建设的高速发展、西部开发战略的顺利实施，西北寒区高原公路、铁路建设也得到了迅速发展。中国北方高原地带分布着大量的季节冻土及多年冻土，在冻土区进行公路、铁路施工会遇到巨大困难，尤其是冻土开挖不可避免[1]。因此，为保证冻土区道路的安全施工和稳定使用，安全高效的冻土开挖技术已是西北建设中迫切需要研究的关键性课题[24]。

目前冻土开挖方法一般分为破碎法和融化法。破碎法有人工挖掘、机械开挖和爆破开挖三种；融化法主要有焖火烤法、循环针法和电流法[56]。破碎法中的人工挖掘与机械开挖仅适用于1 m厚度以下的薄层小片冻土，对于多年大规模冻土带的开挖能力有限；而融化法成本过高，耗能巨大，且容易导致周边冻土温度上升，影响环境。

因此，对于西北高原较厚的多年冻土层，采用爆破开挖较为合适。本文将对钻孔机械与爆破器材选择方法进行综述，对冻土爆破开挖施工原则及工艺进行归纳，并进行工程实例分析。

1 钻孔机械的选择

冻土钻孔机械一般可分为煤电钻、风动冲击钻机和地质类钻机三类[7]。

目前国内外在冻土开挖方面积累了大量的工程实践经验，也有大量钻孔机械在工程实践中得到应用。高嵩曾对青藏线上不同工点进行了不同钻机的钻孔效率比较，并给出了施工建议[89]。

冻土可钻特性与其含冰量和冻结程度有显著联系。钻孔过程中产生的热量会使孔壁、孔底、钻屑热融，产生大量粘稠泥浆，影响钻屑的形成，阻断其排除通道，进一步提高钻孔区域温度，导致钻孔效率大大降低，使钻孔无法继续进行[10]。因此，钻孔机械需根据具体工况、冻土的特性以及厚度等情况进行选择，同时应满足施工条件对钻机参数设定的要求以及经济性、安全性等方面的要求。

2 爆破器材选型

2.1 爆破器材的使用要求

冻土爆破开挖有可能在暖季或寒季施工，所以爆破器材的防水性和抗冻性均应满足要求，在寒季应满足低温贮运要求，导爆管宜为耐冻型，耐受最低气温-40 ℃。

寒区高原具有强烈的紫外线辐射，容易导致炸药因长期暴晒而失效，所以炸药包装应满足防辐射性能要求。高原地区具有较多雷电，也对爆破器材的贮运过程提出了防雷要求。在露天的爆破作业中，为安全起见宜采用非电导爆管雷管作为起爆雷管。

此外，由于高原地区的氧气含量较低，尤其在隧道施工时氧气含量更低，因此建议在隧道爆破时采用释放炮烟、有毒气体较少的炸药，而从环保角度考虑，应禁止使用TNT进行爆破。在隧道爆破中，为了保持冻土稳定，宜做光面爆破，最好采用专用光爆炸药。

2.2 不同工况爆破器材的选型

2.2.1 深孔爆破器材的选择

对于路堑边坡和大土方量冻土的爆破施工，场地条件较好，可采用深孔爆破的开挖方法。建议使用大孔径钻机进行炮孔钻凿，并采取较大装药量，在条件允许的情况下可使用机械装药。此外，为保证爆破效果，应调整乳化炸药配方以满足爆破的抗冻性要求。如不采用机械化装药，应采用高密度、高威力的钝感水胶炸药，以保证炸药沉底，从而得到最好的爆破效果和经济效益。

2.2.2 隧道爆破器材的选择

在考虑冻土特性、地质条件、现有设备以及施工进度等因素的前提下，尽可能采用机械化泵送进行炮孔装药；而在无机械化泵送乳化炸药的条件时，需加快钻孔速度，减少炮孔数，以缩短作业时间。由于每种钻机对应的绝对钻凿速度具有相应上限，无法达到无上限增速，因此应通过增加钻机数量以提高工作速度。施工场地内可容纳钻机数量无法无限增加，所以应采用高威力炸药，以在确保爆破安全的前提下减少炮孔数，提高炮孔利用效率，减轻钻孔作业量。

2.2.3 不同季节与气候的爆破器材选择

爆破器材使用效果受气候及冻土施工条件的影响明显，因此针对冻土的暖季施工和寒季施工需分别选用爆破器材。暖季施工中，炸药应具有较好的抗水性，而对抗冻性可适当放宽要求。这是由于暖季地表水可能流入炮孔导致回冻，而暖季钻孔效率较高，作业时间较短，炸药受冻时间缩短，一般乳化炸药即可满足施工需要。在寒季施工中，工地气温较低，钻孔困难，因此炸药应同时具有较好的抗冻性能。

2.2.4 特殊情况下的起爆器材选择

起爆器材具有较高敏感性，容易因热、电等引爆或变质。北方冻土高原上有较强的紫外线照射，因此要避免起爆器材遭受长期暴晒，防止其变质失效。同时，选择低敏感性爆破器材，并且在露天爆破时选用非电导爆管雷管。

3 多年冻土爆破开挖施工原则

与正常岩土相比，高原多年冻土具有显著不同的力学表现；而且，高原冻土的施工环境恶劣，在炮孔成型、爆破过程中，容易出现回淤、融沉、破坏生态等问题。因此，为了达到最终的建设目标，需要在总结、分析的基础上，提出冻土爆破开挖的原则，以达到钻、爆、挖安全协调以及高效率施工的目的。具体原则如下。

（1） 快速施工。冻土爆破开挖施工中，应尽量减少每个施工环节的作业时间，加快作业速度，做好钻孔、装药、堵塞、起爆等一系列工序的协调工作，并对已有工作面进行保温，防止热融病害。

（2） 确定合理爆破规模。不同于一般土岩爆破追求的大土方量爆破规模，冻土爆破应采取合理的规模。具体可表现在：路堑开挖以冻土暴露时间最短为原则，根据挖深和长度调整，分层分段施工；桥梁基坑开挖应在开挖后尽快进行基础施工；隧道开挖应与支护施工紧密衔接。

（3） 采用先进的施工技术。为了获得冻土开挖的最佳爆破效果，除了钻孔设备和爆破器材的合理选择以外，应提高爆破施工技术。可根据施工现场的具体情况，确定合适的爆破方案；采用浅孔爆破与深孔爆破结合的综合爆破方法；优化爆破参数，尽量做到一次爆破开挖成型。

（4） 保护生态。高原冻土地区氧气稀少，土地贫瘠，生态平衡极为脆弱，容易出现不可逆的破坏；而开挖地表、破坏植被以及爆破行为势必会改变冻土温度和应力情况，容易留下工程或环境隐患。因此，爆破开挖需减少对环境的影响，具体施工中应严格保证在界限内爆破开挖，并在路堑边坡、隧道周边采取光面爆破等。

4 冻土爆破开挖实例

DK783+340～DK785+820是祁连地区多年冻土挖方换填段，冻土上限为2.3～5.2 m。其地质状况为：粉质粘土厚0.5～2.5 m，土质不均，上层多为层状冰构造，冻土上限以上为II级普通土，σ0=150 kPa；冻土上限以下为富冰冻土，Ⅳ级软石，σ0=250 kPa；细砂分布于地表，厚0.5～5.5 m，含角砾和土质，土体多为整体构造，含粒状冰；砾砂厚10～80 m；角砾土厚10～80 m；泥岩夹砾岩含层状冰、富冰冻土，全风化强风化，Ⅳ级软石，σ0=250 kPa，融沉。

4.1 基地预留保护层浅孔松动爆破

钻孔机械采用SD16煤电钻（上海八一电机厂生产），2#岩石乳化炸药，共70个炮孔，分10排，用塑料导爆管非点微差起爆网路逐排微差爆破。台阶高度小于2 m。

（1） 技术参数。炮孔直径d=39 mm，排距b=0.9 m，孔距a=1.2 m，孔深L=1.4 m，装药量Q=0.8 kg，单位耗药量k=0.43 kg·m-3。

（2） 装药结构。采用2#岩石乳化炸药药卷装药，堵塞长度为0.9 m，孔底为洁净中粗砂缓冲装药结构。塑料导爆管起爆，采用梯形微差起爆。

4.2 上层及边坡深孔松动爆破

钻孔机械采用WTZ100M/S宽胎沙驼地质钻机，2#岩石乳化炸药，共80个炮孔，分20排微差引爆。

（1） 技术参数。炮孔直径d=100 mm，排距b=2.5 m，孔距a=2.5 m，孔深L=4.4 m，装药量Q=9 kg，单位耗药量k=0.6 kg·m-3。

（2） 装药结构。采用2#岩石乳化炸药药卷装药，堵塞长度为2 m，塑料导爆管起爆，采用梯形微差起爆。

（3） 爆破效果。沙驼地质钻机钻孔对于该地岩层具有较高的钻孔效率，爆破效率也较高，爆破块度适中，机械清理方便，最大台班产量为1 600 m3。

5 结 语

结合西北高原的气候环境特点，阐述了冻土爆破中钻孔的机械及成型工艺、爆破器材的选型和使用要求、爆破参数的试验方法和取值建议，并提出了冻土爆破开挖的施工原则。

（1） 钻孔机械种类繁多，宜在保证炮孔排渣通畅的前提下，根据具体地质情况选用。

（2） 西北冻土地区爆破器材的选型宜根据施工季节选择不同防水性、抗冻性的爆破器材，同时做好器材抗紫外线和防雷电的保护措施。

（3） 冻土爆破施工中，应遵循快速施工、合理规模爆破等原则，以减小冻土热融效应，保证施工安全和使用寿命。

（4） 西北高原地区生态环境脆弱，冻土爆破施工应遵循环境保护原则，尽量减少对冻土环境的破坏。

参考文献：

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[2] 王连花，杨更社，李宝花，等.冻土墙围护深基坑开挖的蠕变有限元数值模拟[J].西安科技学院学报，2003，23（2）：147150.

[3] 杜海民，张淑娟，马 巍.高含冰（水）量冻土的单轴抗压强度变化特性研究[J].冰川冻土，2014（5）：12131219.

[4] 孙志忠，马 巍，党海明，等.青藏铁路多年冻土区路基变形特征及其来源[J].岩土力学，2013（9）：26672671.

[5] 孙剑涛，李 冰，王晓龙.浅析冻土开挖技术[J].黑龙江水利科技，2003（3）：112.

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[9] 高 嵩.多年冻土爆破施工技术应用研究[D].成都：西南交通大学，2006.

[10] 李世芳.冰冻盐渍土地区公路盐胀和冻胀综合病害[J].筑路机械与施工机械化，2009，26（2）：6063.

[责任编辑：杜敏浩]