高原冻土爆破试验工程

基于青藏铁路建设的高原冻土爆破试验工程完成时间：1975～1976年工程地点：青藏线风火山和清水河工地完成单位：铁道部科学研究院(铁建所、西北所)；中国人民解放军(89121部队、89207部队、89210部队)项目主持人及参加人员：顾毅成、罗书镒、杨杰昌、刘舍宁、李保国等撰稿人：顾毅成1试验工程概况高原冻土爆破技术，是修建青藏铁路需要解决的技术问题之一。早在1974～1977年间，针对修建青藏铁路，铁道部在青藏高原可可西里地区的风火山(海拔4700m)和清水河(海拔4500m)建立了试验工程段，进行了高原冻土条件下修筑铁路的科学试验。在1974年8月的兰州协作会议上，决定“高原冻土爆破技术研究专题”由铁道部科学研究院铁建所主持，参加专题研究工作的还有铁道部科学研究院西北所、中国人民解放军89121部队、89207部队、89210部队。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)在冻土中不同钻孔机械的钻孔试验。对其在冻土中的钻凿速度及其工作状况进行了考核；(2)对聚-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(图1)。包括在风火山和清水河地质条件下的标准爆破漏斗试验(共13个)，爆扩药壶试验(近500次)，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；图1高原冻土地区的爆破试验(4)在风火山试验场进行了40m长铁路路堑深孔和深孔药壶爆破及开挖的试验；(5)在清水河试验场进行了两个桥涵明挖基坑爆破与开挖试验。该项技术成果1980年通过铁道部委托铁道部科学研究院进行的技术鉴定。2冻土钻孔用钻机的试验与考核高原冻土地区空气稀薄，气候严寒。这里海拔4000m以上，大气气压为560～600MPa，年平均气温-2～-7℃，绝对最低温度-34～-41℃，多年地温为-1.5～-5℃。在这种恶劣的自然条件下施工，不仅机械启动困难，效率降低，在钻孔爆破施工工艺上，也出现了一系列新问题，如钻孔的塌孔、回淤、回冻等。两年来，对XJ-10-1型地质钻机和DPP-100型汽车钻进行了多次钻孔试验。地质钻机在含土冰层中，纯钻进效率可达2～3m／h，但遇黏土，土夹石或基岩时，速度很慢，甚至无进尺，钻进效率低，不能满足大规模施工的需要。它的主要优点是操作简单，故障少。1976年，在风火山还试验考核了DG-1型电杆工程车(天津工程机械研究所研制)在高原冻土的钻孔性能。试验表明，电杆工程车由于其悬臂式结构的限制，存在最大钻孔深度只能达到4m等缺点，不能满足施工需要(图2)。1976年，我们还进行了自制螺旋钻头在)(J．100．1型地质钻机上的改装和试验。通过上述使用和试验，我们提出：高效率的冻土爆破用施工钻机，是冻土爆破施工的薄弱环节，亟待解决。图2高原冻土地区的钻孔试验1975年，我们在现场还进行了3种型号10枚聚能弹(内装50％黑索金+50％梯恩梯混合装药，重约10kg)在厚层地下冰中爆破穿孔试验。1977年后，铁道兵部队对聚能弹在冻土地区的穿孔继续开展了试验研究。试验表明，聚能弹虽然可以钻成4～6m的钻孔，但孔深不易控制，成本高，对环境影响大，难以在工程中推广应用。3爆炸材料的防水抗冻问题及聚-2号抗冻浆状炸药的试验应用多年冻土地区夏季钻孔，由于钻孔后地下水热融，地表及地下水发育，钻孔积水严重。一般2号岩石炸药必须采取防水措施。在东大沟爆破试验场，我们曾用小口径塑料袋(32mm)装药后放在现场钻孔内(地温-2～-4℃)进行冻结防水试验。试验表明：电雷管在35～41天后性能不变，准爆有效；导爆索在孔内部分能正常传爆，孔口部分由于日晒夜冻，部分变质拒爆；炸药随防水措施好坏，产生部分拒爆，影响爆破效果。塑料袋在冷冻作用下容易脆裂，不是理想的防水包装材料。为了更有效地解决炸药的防水抗冻问题，1976年在兰州白银公司矿冶所的大力支持协助下，我们在高原冻土地区试验和使用了27t由该所研制的聚-2号抗冻浆状炸药。试验表明，聚-2号抗冻浆状炸药经历了汽车长途运输(1500km)的考验，其外观质量、物理性质和爆轰性能未受影响；在高原冻土地区贮存3个月以内，其外观质量、物理性质和爆轰性能没有明显的变化；聚-2号抗冻浆状炸药具有良好的抗水抗冻性能。根据试验情况建议在高原冻土地区的施工中，允许将该种炸药提前装入钻孔的期限为7天；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，在施工中装药方便，特别适于含水炮孔和深孔药壶的装药，在施工现场受到欢迎。在现场还对聚-2号抗冻浆状炸药进行了标准爆破漏斗、爆轰临界直径、起爆方式、枪击和燃烧等试验，取得了大量数据，对聚-2号抗冻浆状炸药在高原冻土地区的贮存和使用有重要的意义。4铁路路堑深孔和深孔药壶爆破及开挖的试验在风火山试验场进行了40m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5～7m，地表开挖宽度15～20m，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1820m3，总装药量1108kg。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48h可热融16～18cm深；对爆堆，其热融程度更为可观(图3)。路堑爆破后如不及时清运，并抓紧做好隔热层(图4)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。图3试验路堑因融沉坍滑形成的泥流河图4冻土爆堆上铺设了临时保温材料为了掌握风火山和清水河两地区典型冻土地质条件下的爆破单位耗药量，在风火山和清水河分别进行了深孔爆破和深孔药壶爆破漏斗试验。试验表明，在风火山饱冰冻土地区(5～9月份)，深孔松动爆破K值为0．58kg／m。；在要求扬弃百分数达到30％。40％时，K值应相应提高到0.75～1.00kg／m3；深孔药壶爆破K值为1．2～1．3kg／m3；在清水河冻结泥灰土地区(7～8月份)，深孔药壶爆破K值为1.14kg／m3。这些地区的生产性爆破试验表明，上述数据基本可靠。5高原冻土地区桥涵基坑爆破快速开挖试验青藏铁路通过高原冻土地区的小桥涵，据1960年定测资料，有460多座。这些小桥涵基础的施工，大多数将采用明挖基础方案。由于高原冻土的特殊条件，明挖基础应采用保持冻结和快速施工的原则。因此，探索爆破快速施工开挖基坑的研究，是高原冻土地区桥基施工方法研究的课题之一。高原冻土地区中小桥涵基坑的主要特征是：挖深一般为3～5m，即基坑已进入多年冻土上限以下，形状一般为长方形或正方形，对涵洞进出口基础，基坑形状一般为“品”字形。开挖要求具有较陡的边坡，一般为1：0.5，全基坑的开挖方量大致在200m3左右。1975年，在风火山试验工地，进行了3个基坑的爆破开挖试验；1976年，在清水河试验工地，进行了2个基坑的爆破开挖试验，分别为砌筑混凝土预制块基础和灌注冷混凝土基础，基础开挖方量为l00m3和140m3。2个明挖基坑一次爆破扬弃百分数分别达到50％和30％，做到当天爆破，当天基坑开挖成型(图5)，迅速在基坑中吊装混凝土预制块(图6)，初步达到了基坑爆破快速施工的目的，受到现场的欢迎，认为这种方法可在高原冻土地区基坑开挖中广泛采用。在上述基坑爆破开挖试验中，还进行了下列内容的试验观测：深孔爆破(延长药包)和深孔药壶爆破(集中药包)药包布置形式的比较和爆破参数的试验验证；预裂沟和预裂爆破设计参数的试验验证；基坑一次爆破，配合挖掘机清渣实现快速施工方法的试验。