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露天凍土爆破技術

2017-05-02 責任編輯:崔瑋娜

張志毅   楊年華

(中國鐵道科學研究院,北京,100081)

摘要:論文結合季節性凍土和青藏高原永久性凍土的爆破開挖實例,論述了凍土爆破的關鍵技術,包括凍土中炮孔鉆鑿和裝藥技術、鉆爆參數、爆破器材選型和爆破施工中必須注意的問題。特別對季節性凍土的爆破振動問題及永久性凍土的爆破規模做了深入探討,它是凍土爆破的特有技術。

關鍵詞:凍土;爆破;邊坡;路塹

 

1引言

天然凍土在我國北方和青藏高原普遍存在,如何實施高效、安全和環保的凍土爆破開挖,始終是國內爆破界關注的問題之一。中國鐵道科學研究院結合青藏鐵路的建設和其他工程需要較為全面地開展了相關爆破施工技術的試驗研究。本文旨在系統地整理有關研究成果和工程實踐經驗,供爆破界同仁在進行露天凍土爆破開挖時參考。

所謂天然凍土是指由自然原因而形成的凍土,以青藏高原凍土為例,按凍土的粒度成分及總含水量可分為少冰凍土、多冰凍土、富冰凍土、飽冰凍土和含冰層五類;而按凍土的施工年平均地溫又可將其分為低溫凍土、中溫凍土和高溫凍土三種類型。但是若僅從爆破開挖的角度看,目標就是破碎凍土,不涉及將其構造成型或維護保養,因而沒有必要針對如此詳細的分類探討其爆破技術,只需根據施工目的加以工程爆破分類即可。為此本文將露天凍土分成季節性凍土和多年凍土(高原永久性凍土),并針對兩種類型的凍土分別給出其鉆爆施工方法。

2季節性凍土爆破

一年之中的數個月里因氣溫低而使大地表面凍結形成的凍土稱為季節性凍土,其最大特點是凍土層不厚,一般為0.5~3m,冬季施工,氣溫在-40~-10℃,施工條件相對惡劣。

2.1  鉆孔

季節性凍土層雖然較薄,但由于凍結土層堅硬,韌性好,一般沖擊鉆鉆鑿過程產生的熱量會使凍土熱融形成塑凍狀態或融化狀態,黏性很大,鉆頭出氣孔極易被融化凍土封閉,鉆屑無法吹出,鉆孔效益很低,甚至不能形成有效炮孔,為此,對這類凍土宜采用以下鉆孔方法:

(1)麻花鉆鉆孔。適用于黏土和砂性土凍結層中鉆孔,鉆孔直徑Ф=60~100mm,鉆孔深度為1~3m,無需接桿,效率較高,且可滿足設汁孔深的要求。

(2)高風壓沖擊鉆鉆孔。因凍土層不厚,  一般孔深都在3m以內,使用大直徑(Ф=100~150mm)高風壓沖擊鉆鉆孔,也能快速形成所需孔深的炮孔。

(3)聚能彈穿孔。穿孔深度可達3~4m,成孔速度快,操作簡單,但成本高,孔深精確控制難,只宜在機械設備不易操作的特殊條件下少量使用。

(4)熱力鉆孔。利用高速噴射的熾熱氣體,使導熱性很低的凍土層在噴射點產生溫差應力和氣流動能而破碎或融解。該法適用于在砂土、黏性土的凍土中鉆孔。

工程實踐經驗表明,凍土中鉆孔的直徑應是擬裝藥卷直徑的2倍以上,否則會因熱融回凍造成炮孔直徑縮小,使藥卷無法下裝孔內。同理,凍土炮孔鉆成后最好立即裝藥,避免回凍卡堵炮孔,若不能立即裝藥,則應將孔口封堵嚴實。

2.2裝藥

針對季節性凍土爆破孔深較淺、施工氣溫較低、孔內基本無水等特點,爆破器材均應選用抗凍型。由于普通的乳化炸藥、水膠炸藥在低于-10℃時感度很低或產生凍結而失效,使用雷管起爆率較低,故而不宜使用。2號巖石炸藥可在較低溫度下使用雷管引爆,并且無需進行防水處理,供貨渠道廣泛,對于季節性凍土爆破較為適宜。

季節性凍土爆破的裝藥結構根據凍土深度不同可分為兩種。

(1)當凍土層厚度不足1m時,鉆孔穿過凍層,在凍層以下放置藥包(如圖l所示),這種淺孔下層裝藥爆破既能頂起破碎的凍土層,也無飛石產生,效果較好。但由于炸藥放在不凍層內,所需藥量較大。

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(2)當凍土層厚度超過1m時,在凍層下面裝藥不易使凍土層鼓脹凸起,宜將藥包放在凍層中爆破(如圖2所示)。當單孔裝藥量較少時,每孔做一個延時段起爆,當單孔裝藥量較大時,孔內分上下2層裝藥,每孔分2個延時段起爆,以上層先爆、下層后爆為原則。

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2.3爆破參數

季節性凍土爆破中最重要的是臨空面,臨空面條件越好,爆破效果越好,且有害效應低。因此初次平地凍土爆破開挖應采用掏槽爆破原理來開創臨空面。開創臨空面爆破可采用楔形掏槽法和空孔直眼掏槽法,無論哪種掏槽法,其爆破炸藥單耗都較高,一般應達到0.5~0.8kg/m3,爆破性質為拋擲爆破。當良好的臨空面開創后,季節性凍土爆破的炸藥單耗只需0.3~0.4kg/m3,爆破性質為松動爆破,對于藥包位于凍層之下的裝藥結構,炸藥單耗相應提高到槽爆破的水平。

根據裝藥結構確定鉆孔深度L,一般可用以下公式計算確定,即

薄凍土層爆破的裝藥結構    L=H+(2~3)d                     (1)

厚凍土層爆破的裝藥結構    L=H-(2~3)d                     (2)

式中   L——鉆孔深度,m;

    H——凍土厚度,m;

    d——鉆孔直徑,m,

表l和表2分別列出了 d=80~100mm時,兩種裝藥結構下的爆破參數經驗數值表。

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注:W一最小抵抗線;a,b—炮孔間距、排距;Q一單孔藥量。 

2.4爆破振動安全

對于季節性凍土來說,由于其整體性和內部的黏滯性較強,正常藥量下爆破個別飛散物是很難出現的,但其爆破振動的影響卻較一般巖石爆破的范圍廣,效應強。其原因在于其地質條件的特殊性,使其振動波傳播較遠,衰減較慢。季節性凍土呈薄殼狀,其表面凍土完整性、堅硬性是地震波的良好傳播體,由圖3可知,當藥包在凍土中爆炸,應力波主要由表層凍土傳播,下部的非凍層波速低,波阻抗系數小,應力波能量較大部分折射到凍層中傳播,因此,爆炸應力波在凍層中類似于二維板塊中的傳播模型。實際上與巖石爆破應力波相比,凍土中爆破振動波傳播有兩個不同特點:(1)巖石爆破應力波在半無限三維介質中傳播,而凍土爆炸應力波主要在二維表層凍土中傳播,所以凍土中爆破地震波衰減慢,傳播較遠;(2)巖體中或多或少地發育一些軟弱結構面,特別是表層巖體風化嚴重,對地震波的傳播有吸收阻隔作用,而表層凍土是一塊非常完整的硬殼,幾乎不存在破裂面,并且在凍脹力作用下內部存在一定擠壓預應力,凍土層相當于中硬巖石,因此,凍土層中無結構面阻隔,地震波傳播衰減慢,而且凍土層直接與建筑物基礎連為一體,地震波通過凍土層直達建筑物基礎上,造成基礎結構強烈振動,危害性較大。為此,在實施季節性凍土爆破時要對其爆破振動的危害性給予高度重視,視工程環境條件采取嚴格控制單響藥量、增加分段延時、單排孔爆破以降低夾制作用以及干擾降振等多種方法減輕爆破振動危害。

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2.5施工注意事項

限于受爆體的特殊性和施工期的氣溫條件,在季節性凍土的鉆爆施工中還應特別注意以下事項:

(1)一次爆破規模的確定。凍土爆破后應立即進行清挖,一次爆破量應控制在當天即可清挖完畢的規模,否則,一旦過夜,由于夜間氣溫很低,爆破的凍土塊會有再次凍結在一起的可能,給清挖工作帶來巨大困難,甚至需要重新爆破。

(2)鉆孔與裝藥的工藝銜接。原則上鉆孔完成后應立即裝藥,以避免因孔內再次回凍難于完成裝藥,確實無法立即裝藥時,在炮孔內插入竹筒,將孔口封閉嚴實,保證炮孔通順。

(3)填塞。填塞材料應選用不易凍結成塊的介質,如中粗沙,保證堵塞質量。

(4)爆破松散體應使用挖機一次性挖出,不宜使用推土機等進行二次倒運,防止因再凍結給清挖工作帶來困難。

2.6工程實例

2000年4月在內蒙古呼倫貝爾盟牙克石市中心大市場改建工程中實施了季節性凍土的爆破開挖,開挖場地為雜填土(季節性凍土層),其下為干砂層(非凍土層),凍土層厚薄不均,一般為2.Om左右。爆破場地北側13m為一年前新落成的六層居民樓,東側20m為一座3層商用樓,當時的氣溫為一19~一14℃,工程要求凍土爆破開挖中必須確保周圍建筑物的安全。

施工中采用簡易麻花鉆成孔,鉆孔直徑d=60mm,孔深l=1.5~3m,孔間距a=b=1.5~2.Om,使用2號巖石卷狀炸藥(Ф=25mm),非電導爆管雷管起爆。工程前期當地施工單位曾實施過單響藥量24kg的爆破,造成距爆破點80m處的公安局振感強烈,局部墻體裂縫擴展,而后將單響藥量縮減至3kg。周邊居民樓的振感仍然十分強烈。為此,我們在施工中將單響藥量控制在1.5kg以內,采用接力式爆破網路,單排孔逐孔爆破,安全順利地完成了約5000m3的季節性凍土爆破。

3多年凍土爆破

所謂多年凍土即指常年都不融化的凍土,在夏季氣溫較高時其表層雖然有一定的融化,但其下部仍呈凍結狀態,因此也稱永久性凍土。季節性凍土只有在天氣寒冷的冬季在大地的表層呈硬殼狀的存在,而多年凍土在冬季自表向內全部凍結,凍結深度達數十米,甚至上百米,作為工程開挖而言(深度有限),其開挖和基底都是凍結狀態,因而其爆破特性與季節性凍土有很大不同。

3.1  青藏鐵路多年凍土區的地質結構特征

青藏高原多年凍土地帶地勢高,地質結構復雜,鐵路沿線凍土區的凍土特性也各不相同,見表3。

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青藏鐵路格拉段要通過的連續多年凍土地段出露地層以中生代的灰巖、泥灰巖、頁巖和砂巖等海相沉積為主。其中風火山地處多年凍土的腹部,其凍土地質結構具有典型的多年凍土特征,地表至5m深左右為第四紀覆蓋層,一般為砂土、黏砂土夾碎石或塊石,含量為5%~10%,5m以下為幾乎不含冰的砂頁巖風化層。季節融化層最大厚度為1.3m左右,稱為上限,大約在每年5月初開始融化,到當年10月底又凍結。上限以下為永凍層,永凍層地下冰極其發育,即在砂土、黏砂土中不但含有碎石或塊石,而且還含有“冰”,根據含冰量多少凍土分飽冰凍土、富冰凍土、多冰凍土和少冰凍土。這種地質結構(尤其是土中含石又含冰)給鉆爆開挖帶來很大困難。

3.2鉆孔及機械選型

高原凍土鉆孔還是以機械能鉆機最常用,試驗研究表明,高原凍土的鉆孔應按不同的孔深選擇鉆孔機械,具體建議為:

(1)淺層開挖爆破可選擇麻花鉆,鉆孔深度不超過2.0m。該鉆機功率2kW左右,鉆孔直徑為40~60mm,鉆孔效率為2~2.5m/h,在淺埋深(鉆孔深度小于3m)不含硬夾石的均勻凍土施工中宜采用。

(2)中深層開挖爆破可選擇高風壓沖擊鉆,鉆孔深度2~7m較合適,特別適合于含碎石的凍土中鉆孔。如河北宣化產潛孔沖擊鉆機,鉆孔直徑為100mm,中鐵三局在沱沱河地區(DKl210+310~DKl210+490段)進行了高含冰量凍土爆破開挖試驗,凍土的含冰總量為22.1%~42%時,潛孔沖擊鉆鉆孔速度為0.2~0.5m/min,鉆6m深的孔需要40~50min(包括換鉆桿時間)。生產試驗表明該鉆機可以在含碎石凍土中鉆孔,適合于凍土爆破方量較小、炮孔深度不大的爆破區。

(3)開挖深度大于5m,且開挖方量比較集中的工點,可選擇牙輪沖擊回轉式鉆機。沙馱牌地質鉆機(稱沙漠鉆車,如圖4所示)即為沖擊回轉式鉆機中的一種,如201SZ沙漠鉆車在青藏線昆侖山地區的凍土爆破施工中使用情況良好,取得了較好的效果。中鐵五局選用的沙馱牌地質鉆機在其施工的DK984+183~DK984+660段高含冰量凍土路塹爆破中進行試驗和應用,在鉆孔直徑為80mm時,鉆孔速度可達1~2/min,孔深小于20m時,單日可鉆進1000m以上。另外該機越野能力強,輪胎接地比壓小,非常適合于高原凍土層施工。

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3.3裝藥及爆破器材選型

高原凍土爆破的裝藥形式均為圖2所示的第二種裝藥結構,且以連續滿孔裝藥為主。在具體的裝藥和器材選型上可參照以下方法: 

(1)高原凍土鉆孔困難,回凍速度快,依據快速施工和減少人員勞動的原則在有條件的情況下盡可能采用機械化裝藥技術,它可節省人工,提高爆破效率,鉆孔后立即裝藥可解決孔內回凍問題。若不能投資機械化裝藥設備,也盡可能采用高威力炸藥,以便盡量減少炮孔數,降低鉆孔成本,提高鉆爆效率。

(2)暖季和寒季進行露天爆破施工時,炸藥選型上應有所區別。暖季施工因地表水可能會流入炮孔而回凍,因此通常鉆孔后應立即裝藥,對于存水炮孔需要裝填防水炸藥,此時其抗凍溫度可適當提高,暖季爆破一般用普通乳化炸藥就能滿足要求,沒水的炮孔可直接裝填散裝粉狀硝銨炸藥,盡可能提高線裝藥密度。而寒季施工,工地氣溫低、溫差大,凍土中成孔困難,在飽冰凍土和富冰凍土中剛鉆成的炮孔內會有少量水或泥漿,若不立即裝藥就會很快回凍,孔深變淺,因此深孔爆破的炸藥必須防水抗凍。選用抗凍型乳化炸藥或鈍感水膠炸藥爆破效益最佳。

(3)一般導爆索和導爆管在暖季施工時均可滿足施工要求,但在寒季施工必須考慮抗凍要求。塑料管在極低溫條件下會變硬變脆,所以寒季施工應選耐凍型強力導爆管。此外高原紫外線強,要注意防止導爆索和導爆管長時間暴曬,避免因強紫外線照射使炸藥變質失效。

(4)由于青藏高原雷電頻發,尤其以地滾雷較多。因此在露天爆破作業,禁止采用電起爆網路。一般孔內藥包由導爆索引出,孔外使用非電導爆管雷管快速連成起爆網路,最后用激發筆引爆。

3.4爆破參數

多年凍土爆破布孔方法和爆破參數的選取仍需遵循一般巖土爆破的原則,但因回凍問題,炮孔一般以垂直布設為宜。路塹開挖爆破單孔裝藥量采用體積公式計算確定,不同之處如下:

(1)鉆孔直徑d的選擇。因鉆孔完成后回凍現場的普遍存在,d值一般應大于裝藥直徑的1.5倍以上,故而d值應不低于60mm。由于凍土爆破挖深不大,一次爆破規模受到后續鏟裝工作的限制,同時應遵循快速鉆孔、緊隨裝藥和環境保護(干擾范圍受控)的施工原則,炮孔直徑也不宜過大,所以應根據挖深大小和爆破規模在Ф=60~140mm之間選取d值。試驗經驗表明,挖深小于5m,d取60~100mm為宜,挖深大于5m,d取80~100mm為佳,其中挖深愈淺,取小值。

(2)鉆孔超深h。試驗表明,要使地板平整不欠挖,多年凍土爆破也應設置超深,超深的大小與鉆孔直徑有關,對于富冰碎石凍土,在d=100時應為0.2~0.4m。一般情況而言,鉆孔超深可按以下經驗公式估算,并根據施工情況加以調整。

h=(3~5)d    (3)

式中  d——鉆孔直徑,m;

  h——鉆孔超深,m富冰凍土取小值,少冰凍土取大值。

在底板需嚴格保護時,需于孔底設置空氣緩沖墊,緩沖墊的高度h’應為:

h’  =(1~1.3)h   (4)

其中,富冰凍土取大值,少冰凍土取小值。

(3)單位炸藥消耗量k(簡稱炸藥單耗)。青藏高原凍土爆破依據環保要求一般采用松動爆破和加強松動爆破。對于鐵路路塹鉆孔爆破而言,必須嚴格控制爆破對路塹邊坡和底板的擾動,同時單位長度內的爆破量較小,加之有大功率的挖掘設備,因而一般采用減弱松動爆破形式。不同強度爆破的炸藥單耗k可按表4選取。

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至于其他爆破參數,如w、a、b、l’(堵塞長度)等可按一般鉆孔爆破確定,而單孔裝藥量Q依據體積公式,按Q=kwaH或Q=kabH計算確定。

3.5爆破開挖施工原則

多年凍土爆破開挖的施工條件限制多,環境惡劣,因而在施工中必須遵循以下三大原則。

3.5.1  快速施工的原則

(1)合理確定一次爆破規模。對于路塹開挖來說,為防止爆后因開挖及后續作業銜接不緊而造成病害,應實施分段爆破開挖,并且做到開挖一段清運一段,清挖工作最好在當天完成,防止爆堆再次凍結而無法施工。鐵路路塹爆破規模由爆破清碴和對基底及邊坡的處理能力來確定,只有在對前次爆破、挖運、基底處理循環完成后,方可進行第二次爆破作業。

(2)努力提高鉆孔和成孔效率。首先,為滿足大規模施工的需要,應根據孔深的不同,選擇鉆進效率最高的鉆機。若一個工地僅限一種鉆機,則應考慮鉆機具有鉆孔深度可達10~12m、鉆孔直徑80~120mm、鉆進效率可達0.5~1.Om/min的性能,并且要具有一定的爬坡能力,且行走以輪胎式為佳。其次,應盡量保持鉆孔在裝藥時保持良好狀態,防止回凍、回淤引起爆孔變淺、變細。

(3)優化爆破設計參數,做到路塹爆破一次成型。首先應因地制宜選擇爆破方案,對開挖凍土方量較小、地形較復雜的工地,可采用淺孔爆破;對開挖凍土方量比較集中、開挖臺階高度大于5m的工地,可采用深孔爆破。其次應按表4選取合理炸藥單耗。不同地質條件下的炸藥單耗差別較大,且與地溫有關,必要時應在現場進行標準爆破漏斗試驗予以確定。另外,對于挖深不超過15m的凍土路塹,爆破設計應做到一次爆破成型。為防止鉆孔深度因塌孔、回淤、回凍而造成的減少,在實際鉆孔中,可考慮增加20~50cm的附加超鉆量。

(4)做好施工組織設計,實現不間斷高效作業。凍土爆破前,應將爆破后凍土的開挖設備、工具、路基隔熱層施工材料及其他建筑材料準備就緒,并放置在爆破工地周圍安全、使用方便的適當地點。凍土爆破后應立即開挖,對淺塹開挖,可先基底后邊坡;對深塹開挖,宜先邊坡后基底。開挖應注意在基面位置拉出一定寬度的排水槽,以防融化泥流淤積塹內。

3.5.2保護生態環境的原則

多年凍土地區的生態環境極其脆弱,一旦破壞難以恢復,有時甚至是不可逆的。因此,爆破開挖施工應盡量減少對多年凍土環境的破壞,認真貫徹“預防為主,保護優先,開發和保護并重”的原則。

(1)嚴格控制爆破開挖在設計界限內進行。為保護凍土生態環境,不留病害隱患,多年凍土爆破應嚴格控制超爆超挖。為提高邊坡質量,使爆破后形成的邊坡穩定、平整、光滑,對邊坡上部的炮孔深度應嚴格控制,絕不允許炮孔伸入邊坡,且爆破時孔底應設置空氣緩沖段。地表為松軟土質時,應沿開挖限界設置預裂溝。

(2)努力避免爆破開挖對工點周圍生態環境的破壞。高原凍土地區施工中,原則上宜采用松動爆破。為降低爆破振動,提高爆破破碎效果,多排和多孔爆破宜采用毫秒間隔起爆。對爆破體的開挖清運,宜配備挖掘機和自卸汽車,不宜使用履帶式推土機和鏟運機。

(3)在施工中采取措施,減少凍土的熱融。爆破開挖范圍內的草皮在施爆前一般不宜破壞。即使表層無草皮,施爆前也應保持原有狀態,

3.5.3安全作業的原則

(1)采用防水抗凍爆破器材,提高爆破的準爆率。

(2)確保高原雷電氣象環境下爆破器材的安全。

(3)確保惡劣氣象條件下施工人員的作業安全。

3.6工程實例

2002年7月在青藏線風火山路段實施了路塹凍土的爆破開挖。

待爆凍土表層為角礫凍土,厚度為0~2.1m,淺紅~灰色,菱角狀,屬于季節融化層,中密Ⅱ級普通土。下部為碎石凍土,厚度大于5.3m,褐黃~褐灰色,菱角狀,含冰豐富。爆破之前其上部3.O~3.2m的季節性凍土已清除,剩下堅硬的富冰碎石凍土挖機無法挖動,等待進行松動爆破。本段地溫位于高溫極不穩定區(Tcp-I區),多年凍土上限3.0~3.2m。

根據經驗確定炮孔布置形式為梅花形,由爆破漏斗試驗確定凍土中2號巖石散裝炸藥的單耗量為O.3kg/m3。選用炮孔直徑d=lOOmm;前排孔底盤抵抗線W=3.5m;孔深l=3.5~4.Om;排距b=3m,孔距a=4m;堵塞長度大于2m。單孔裝藥量按Q=qwal或Q=qabl計算,得Q=14~16kg。

青藏高原為多雷區,且天氣變化無常,針對防雷安全,裝藥結構為孔內用導爆索捆綁2支150g的乳化炸藥送入孔底作起爆藥柱。孔內有水裝乳化炸藥、無水裝散裝2號巖石炸藥,導爆索在孔外留20~30cm,等裝藥全部完成后再綁接雷管。本次爆破共三排孔,第一、二、三排分別用1、3、5段非電雷管引爆孔外導爆索,非電雷管簇聯后有單發雷管引爆。

為防止成孔后因擱置時間過長而出現熱融坍孔、回淤、回凍和炸藥經歷太大溫度變化而降低威力,在每個鉆孔完成后立即裝藥,爆破規模限制在當班或當天完成的炮孔數。

爆破后爆堆較分散,無大塊,個別飛石距離基本控制在100m以內。爆堆清挖后測量結果為:炮孔深度為3.5m處,實際挖深3.2~3.3m;炮孔深度為4.Om處,實際挖深3.6~3.7m。完全達到預期目的。

本次爆破后,施工隊基本按上述參數進行凍土爆破,只是在含冰量更大的地段將炸藥單耗下調為0.25kg/m3,均取得了良好的效果。

4結語

通過試驗研究和工程實踐的總結,得到了季節性凍土和多年凍土(高原永久性凍土)露天鉆爆施工方法,工程應用效果表明其可作為這兩類凍土爆破的設計參考和施工指導。但是,由于我國凍土爆破的工程量有限,實際施工作業不夠廣泛,尚有許多問題需要進一步深入研究,主要包括:

(1)通過試驗,研究凍土爆破機理,建立凍土爆破模型。

(2)凍土光面爆破、預裂爆破機理研究,為凍土隧道、路塹及基坑開挖作技術儲備。

(3)凍土路塹邊坡坡度很小,緩傾斜鉆孔因熱融、回凍等原因成孔率很低,沿坡面鉆孔進行光面或預裂爆破不太實用,需進一步研究利用垂直孔控制邊坡開挖的技術。

(4)深入研究零節性凍土的爆破振動傳播規律,給出定量的計算方法。

(5)研究凍土爆破破壞范圍和裂隙發展情況以及對凍土邊坡的影響程度。

(6)通過大量實踐總結分門別類地給出各種凍土爆破的參數選擇范圍,且其類型應與一般凍土的工程分類相一致。

參考文獻

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摘自《中國爆破新進展》