核挖掘技术
作者： 迈洛·D·诺代克
劳伦斯辐射实验室，加利福尼亚大学利弗莫尔分校
大规模挖掘或许是核爆炸物最显而易见、也最直接的用途。挖掘的规模取决于多个因素，例如爆炸当量、介质以及爆炸深度。过去数年间，人们已经掌握了大量关于化学爆炸物与核爆炸物在不同介质中成坑效应的知识。此外，研究表明，将多枚爆炸物以约单个弹坑半径的间距布置并同时引爆，可形成宽度与深度均与单个弹坑尺寸相当的均匀通道。这类通道可用于水道、铁路及公路堑道等工程场景。
将核爆炸物布置在特定深度，使其形成的弹坑接近最大尺寸，可将超过90%的放射性物质截留在地下。这种截留效应，再加上核爆炸物本身仅有极小部分能量来自裂变过程，使得核挖掘技术可在偏远地区安全使用，且完全符合辐射安全标准。
已公开的核挖掘成本数据显示，单位挖掘成本会随挖掘深度的增加而降低。一般而言，当挖掘深度超过100英尺时，核挖掘在经济上具备优势。预计未来的技术发展与核爆炸物的规模化生产，将大幅降低当前公布的设备成本。
核挖掘是指利用大规模核爆炸形成的弹坑来服务于港口、运河、公路堑道等实用工程的技术概念，是美国“犁铧计划”（Plowshare Program）中核爆炸物的主要工业/和平用途之一。“犁铧计划”由美国原子能委员会资助，技术上由加利福尼亚州利弗莫尔的劳伦斯辐射实验室主导。目前，该计划正在开展核爆炸物在挖掘、发电、采矿、盐水转化以及同位素生产等领域的应用研究，其中，挖掘是技术最成熟、最接近实际应用的方向。
本文旨在阐述成坑效应的相关概念以及核挖掘技术的发展现状，同时也将讨论核挖掘相关的安全风险。这些技术在大型建筑与工程项目中的具体应用，将在后续论文中进行探讨。
成坑效应
传统硬岩挖掘方法需要先用化学爆炸物将岩石破碎，再通过机械设备进行开挖。而在核挖掘场景中……（原文此处未结束）
本论文由核原则与应用特别委员会赞助
第1页
第2页
在核挖掘中，爆炸力本身不仅用于破碎岩石，还用于完成物料的移除作业。
弹坑的尺寸取决于爆炸能量、炸药的埋深以及介质的特性。图1展示了在不同爆炸深度下，爆炸所形成弹坑的横截面。为了更好地理解不同爆炸深度和介质特性带来的影响，有必要对成坑过程涉及的机理进行探讨。
无论是化学爆炸还是核爆炸，所有地下爆炸都不同程度地存在一种现象：爆炸源周围介质会发生压碎、压实和塑性变形。当爆炸产生的高压气体推动腔壁时，会产生一道冲击波。这道冲击波的特征是一个球面波阵面，波阵面两侧的介质物理状态会发生突变。这种不连续面会以一个速度向外传播，在高压状态下，该速度超过了介质中的声速。对于化学炸药而言，其初始压力量级为……
- FALL BACK：回落物/回填物
- RUPTURE ZONE：破裂区
- PLASTIC：塑性变形区
- SURFACE BURIAL：地表埋置
- SHALLOW BURIAL：浅埋
- OPTIMUM BURIAL：最优埋深
- DEEP BURIAL：深埋
图1. 冲积层中典型弹坑轮廓与爆炸深度的关系
第3页
化学炸药的初始压力可达10万至20万个大气压；核爆炸物的初始压力则高达1000万至1亿个大气压，具体数值取决于初始空腔的尺寸。核爆炸中，冲击波经过的介质会先被熔化并汽化。当冲击波以球面发散的形式向外传播时，波阵面后方的介质会受到径向压缩和切向拉伸，从而形成从空腔向外延伸的径向裂缝。受球面发散效应，以及介质做功消耗能量的影响，波阵面的峰值压力会逐渐下降。当冲击压力超过介质的动态破碎强度时，能量会以破碎、加热和物理位移的形式耗散。在该范围之外，冲击波仍会通过塑性流动造成永久变形，直到波阵面的峰值压力降至介质的塑性极限。塑性极限是弹性区与塑性区的分界（见图1）。不同介质的破碎与塑性变形极限差异很大。
以上对爆炸最初数毫秒过程的描述，忽略了自由面效应——而这一效应至关重要。当压缩波遇到自由面时，必须满足“压力（更准确地说，是法向应力）始终为零”的边界条件，这会产生向介质内部传播的负应力波（即稀疏波）。介质在稀疏波的拉伸作用下发生拉伸破坏，破碎的岩块会带着内部的总动量向上飞射。对于冲积层这类松散介质，这种被称为“层裂（spall）”的过程会让几乎所有颗粒单独飞散；而在玄武岩这类岩石中，岩块的厚度通常由原生节理和软弱带的分布决定。随着爆炸点到自由面的距离增加，峰值压力会下降，介质所能承受的最大拉应力也随之降低，直至不再超过介质的抗拉强度。此外，层裂的飞散速度也会随峰值压力的降低而成比例减小。
在层裂发生点以外的区域，稀疏波的负应力会降低介质的抗剪强度，引发大规模塑性变形和破裂。这使得破裂区沿地表延伸相当长的距离，也促进了弹坑边缘的形成。最终，深埋地下爆炸在地表的表现，仅为一次微弱的地表弹性起伏。
另一个对成坑至关重要的机制（尤其是对于较深的弹坑）被称为“气体加速”。这是空腔内被困气体的绝热膨胀，对爆炸上方介质产生的长期加速度。在某些情况下（尤其是深埋爆炸），气体在通过空腔延伸至地表的裂缝逸出时，也会对介质产生显著的加速作用。对于极浅埋深的爆炸，层裂的飞散速度极高，气体在泄压前几乎无法对介质施加任何压力；而对于极深的爆炸，气体对上覆介质的加速作用则可以忽略不计。
沉降是对表观弹坑形成有重要贡献的第四大主要过程。它与前期的压实和塑性变形过程密切相关——如果没有这些过程形成的空腔，介质就没有沉降的空间。当层裂或气体加速使上覆介质过度膨胀，形成可供爆炸气体逸出的大裂缝时，沉降便会发生。被冲击波破碎、压裂的上覆介质会向空腔内坍塌。当然，沉降对极深的爆炸尤为重要：如果沉降介质的密度与爆炸前相比没有显著变化，空腔的全部体积都可能传递到地表，最终形成地表弹坑。
爆炸深度、当量与介质的影响：
对于特定介质，弹坑尺寸既与爆炸当量有关，也与爆炸深度有关。量纲分析表明，弹坑尺寸应与爆炸当量的1/3次方成正比。目前的实验结果显示……
第4页
在预测大当量爆炸的表观弹坑尺寸时，1/3.4次幂比例律更为准确。由于表观弹坑是核爆开挖工程的主要研究对象，因此取1/3.4作为比例指数。
对于给定当量的爆炸，形成的弹坑尺寸会随装药埋深（DOB）发生显著变化。随着埋深增加，弹坑尺寸先在某一最优深度达到最大值，随后逐渐减小，直至达到某一爆深时不再形成弹坑。图2展示了内华达试验场冲积层中，表观弹坑的半径、深度与爆深之间的关系。这些曲线是通过最小二乘法，对高爆试验数据拟合得到的，采用的是 W^{1/3.4} 比例律。其中 W 为爆炸当量（单位：千吨，kt），1千吨（kt）指相当于1000吨TNT的能量释放量，更精确地说，等于 10^{12} 卡路里。
利用这一经验比例律，可以将不同当量爆炸的弹坑数据关联起来，建立弹坑尺寸与爆深的关系。具体方法是：将与当量 W 相关的所有距离（包括爆深、弹坑尺寸），除以 W^{1/3.4}，换算为当量1千吨下的等效值。图3和图4展示了沙漠冲积层的弹坑半径与深度数据，按该定律换算至1千吨当量后的结果。
其中特别值得关注的是“Sedan（轿车）”试验的数据点——这是一次在冲积层中进行的100千吨级成坑核试验。图5展示了Sedan弹坑与前景施工设备、以及背景中内华达试验场10号区其他多个高爆/核爆弹坑的对比。Sedan试验的弹坑深度数据点几乎完美落在拟合曲线上，而弹坑半径数据点则比曲线低约15%。
图3和图4中还标注了深埋大当量（1~100千吨）核爆炸数据的分布区域。这类爆炸形成的弹坑……（原文末尾未显示完整）
第5页
第6页
第7页
介质向初始爆炸空腔坍塌，并最终在地表形成沉降弹坑。结合塞丹试验数据可以看出：核爆弹坑半径随爆炸埋深变化的曲线峰值，比高能炸药弹坑对应曲线偏低约15%；而二者弹坑深度随埋深变化的曲线基本吻合。
图6、图7展示了玄武岩地层的成坑规律曲线，以及绘制该曲线所用的试验原始数据。玄武岩地层中唯一一次核成坑爆炸试验，是“丹尼男孩”试验：0.42千吨当量，爆炸埋深110英尺（见图8）。该试验形成的弹坑半径107英尺，深度62英尺。对比图中的皮卡车尺寸，就可以直观判断弹坑与回落碎屑的整体规模。
玄武岩地层化学爆炸试验的数据离散度很大，主要原因是绝大多数试验所用炸药当量过小。研究表明，只有当爆炸当量足够大，形成的弹坑尺寸远大于岩块平均破碎粒径时，硬岩地层才能获得可靠的试验结果。针对这一问题，科研人员按照碎屑平均尺寸与弹坑尺寸的相对关系，对现有试验数据进行加权处理，再通过加权数据与标准回归分析，最终拟合出玄武岩地层的成坑规律曲线。
玄武岩中这唯一一次核爆试验换算后的等效埋深，与埋深规律曲线高度吻合；而换算后的等效弹坑半径，比半径规律曲线偏低约10%。虽然差值小于冲积层地层，但结果同样证实：相同爆炸当量下，核爆形成的弹坑半径，小于化学炸药爆炸的弹坑半径。
目前针对其他坚硬、致密、完整岩层的成坑试验经验十分有限。通过对成坑机理、以及影响成坑效果的岩石物性开展研究后得出结论：绝大多数这类岩层的成坑规律曲线，都与玄武岩地层高度相近。
第8页
条形装药成坑：
冲积层高能炸药成坑试验表明：一排间距合理、同步起爆的爆炸，会形成一系列相互连通的弹坑，最终汇聚成一条开挖通道。该通道横截面大致呈抛物线形，其尺寸与平整度由装药间距决定。
对比单坑爆炸与条形装药爆炸，坑缘形态存在两处显著差异：
(a) 条状装药爆破形成的坑口边缘高度显著更高；
(b) 沟槽两端不会形成明显的凸起坑沿。
在爆炸埋深固定时，装药间距会极大影响开挖沟槽尺寸。根据冲积层试验经验：
- 装药间距为单弹坑半径1.0倍时，沟槽深度、宽度均比单个独立弹坑大10%~20%；
- 间距扩大至1.25倍单弹坑半径时，沟槽宽深与单坑爆破基本一致；
- 间距进一步扩大至1.50倍单弹坑半径时，沟槽成型杂乱不规则，宽深相较单坑缩小约10%、深度缩小50%。
目前暂无硬岩地层条形装药成坑的相关试验数据，但可以合理推断，硬岩地层也会呈现上述相似规律。
放射性
爆炸埋深的影响：
深埋成坑爆炸产生的放射性物质，主要以两种方式进行分布：……
第9页
第10页
1. 大部分放射性物质会被碎石颗粒所捕获，最终埋入弹坑或坑缘的碎石与回落物中。
2. 一小部分放射性物质（包括早期呈气态的产物）会逸散至地表，被尘云中的颗粒捕获，形成“即时沉降物”。超过90%的即时沉降物会落在爆炸点5英里范围内。
深埋成坑爆炸中，被微小颗粒携带的气体或固体物质对“全球性沉降物”的贡献几乎为零。
逸散并以即时沉降物形式沉积的放射性物质总量，主要取决于炸药埋深与形成的弹坑深度的相对关系。图2展示了沙漠冲积层中，标度化爆炸埋深、标度化弹坑尺寸与释放到大气中的放射性物质总量之间的关系。随着爆炸埋深（DOB）增加，即时沉降物持续减少，最终可实现完全封闭。
图2中的弹坑深度曲线显示，能形成最大弹坑深度的爆炸埋深点，约对应25%的放射性物质释放量。弹坑半径曲线显示，能形成最大弹坑半径的标度化爆炸埋深点，对应即时沉降物曲线中约2%的放射性物质释放量。
随着埋深增加，放射性物质逸散量随之降低，这是核挖掘工程的重要优势之一。该曲线的整体趋势在所有介质中均一致，但封闭比例会随介质类型变化。在“丹尼男孩”试验中，逸散比例测得为4%；而在“塞丹”试验中，这一比例约为10%。
目前尚未进行过任何条状装药核爆炸试验，因此缺乏这类多装药爆炸的放射性逸散数据。使用放射性示踪剂开展的小型成坑试验表明：当多装药爆炸与单装药爆炸的“爆炸埋深/弹坑深度”比值相同时，二者的放射性逸散比例基本相当。
放射性的类型：
核爆炸产生的放射性物质，按其主要来源可分为两类：
一类是爆炸直接产生的裂变产物；
另一类是装置中热核反应产生的中子与周围土壤或岩石相互作用生成的活化核素。
目前相关研究正在推进，目标是将不同当量核爆炸产生的裂变放射性水平，降低至现有经验以下。通过在炸药周围使用中子吸收材料，可将土壤或岩石的活化程度降至可忽略不计的水平。
裂变产物与中子诱发的放射性物质均包含两类核素：
第一类是释放高能γ射线的核素，会通过全身照射对人体造成外照射危害；
第二类则是与可被人体摄入、吸收、富集并储存在重要器官中的放射性核素相关的内照射危害。
因此，降低核爆炸产生的放射性总量，并控制其中不可避免产生的部分，是所有核挖掘工程的核心目标。现有研究表明，两类放射性均可得到有效控制，在偏远地区开展核挖掘工程，不会造成显著的放射性危害。
空气冲击波
核爆炸产生的空气冲击波，会通过三种方式造成破坏：
- 爆心近处，由直接冲击波造成损毁；
- 中距离范围，由冲击波在50000英尺以下对流层内发生折射、波导传播引发破坏；
- 远距离范围，则由冲击波在100000~150000英尺高度的臭氧层（平流层）中折射扩散造成危害。
为控制这一潜在风险，需要了解核成坑爆炸产生的空气冲击波信号、不同气象条件下冲击波的传播规律，以及典型建筑结构对入射冲击波的响应特性。
第11页
经验表明，当空气冲击波峰值超压约为 3毫巴 时，大型平板玻璃窗有50%的概率受损；
- 普通尺寸窗户的受损峰值超压约为 4.5毫巴；
- 普通木门的受损峰值超压约为 13毫巴。
对于建筑重置成本极高的人口密集区域，安全控制标准采用 2毫巴；而在偏远、人口稀疏地区，可采用 10毫巴 的限值，被认为是合理的。
近区冲击波：
直接冲击波产生某一特定峰值超压的距离，与爆炸当量的1/3次方成正比，且在约5英里范围内，基本不受风和天气影响。超出这一距离后，折射效应占主导，冲击波超压由气象条件决定。
中距离冲击波：
在30至100英里范围内，冲击波在对流层中被折射回地面，这是由对流层中声速高于地表的空气层造成的，该层通常与急流风相关联。一般而言，在数周内会有许多天气条件良好的日子，此时对流层折射造成破坏性超压的可能性极低。因此，中距离空气冲击波危害主要是一个运行管理问题，而非设计问题。
远距离冲击波：
远距离冲击波峰值超压出现在爆心一侧80至150英里的“焦散区”，且强烈依赖平流层（臭氧层）气象条件。该高度的风随季节变化显著，北半球夏季通常吹东风，冬季吹西风。远距离冲击波超压在一年中最有利与最不利时段（爆心的上风/下风方向）之间的差异可达10倍。臭氧层风的日变化会导致声影区下风方向任意点的冲击波压力产生显著波动。一旦当地天气模式明确，这些变化（包括季节变化）是可预测的。测量表明，在相同天气条件下，焦散区的超压与爆炸当量的0.4次幂成正比。
冲击波衰减：
地下爆炸产生的空气冲击波衰减程度远大于地表爆炸。一般来说，埋藏会使近区空气冲击波衰减10至100倍；远距离空气冲击波则衰减3至10倍。衰减程度随标度爆深增加而增大，但不同介质之间、核爆与化学爆炸之间存在显著差异。
地冲击：
大当量核爆炸可能通过在建筑所在地诱发地面运动，对建筑物和其他人工设施造成破坏。一般而言，地冲击的强度取决于爆炸当量、与脆弱结构的距离、区域地质条件以及建筑类型。
核爆炸产生的地冲击会传播数英里的地震波，强度足以造成潜在破坏。爆炸周围介质的性质及其与爆源的耦合程度，对可通过地壳传播的能量有显著影响。例如，花岗岩、玄武岩等坚硬岩石中爆炸产生的地冲击传播能量……（原文此处未显示完整）
第12页
坚硬岩层中爆炸产生的地冲击能量，最高可达冲积土层的10倍。在最优成坑爆深下，封闭式地下爆炸产生的地冲击强度，是成坑爆破的2倍，这是因为爆源与岩土介质的能量耦合效率更高。
地震波从爆点传播至目标建筑的过程中，其传递效果受地层地质条件、岩土类型、层理面与地质不连续面共同影响。
建筑所在地的地层土质、建筑自身结构特性，都会对最终受损程度产生重大影响。深层冲积层地表观测到的震动加速度、位移幅值，远高于岩层地表。建筑的设计与建造方式，决定了它对地面震动加速度、位移、振动频率的响应特性。
很难用单一地面震动参数来划定统一的破损判定标准，因为结构损伤取决于点位峰值加速度、对应位移大小，以及震动持续时长。工程爆破中通用两套安全判定标准：一套以振动加速度为依据，另一套以振动速度为依据。二者均通过振动试验与工程经验总结得出。相比之下，振动速度标准依托真实爆破实测数据，结论更严谨，更适合用来划定安全限值。
施工爆破仪器监测数据表明：当地表峰值振动速度为12厘米/秒时，建筑发生破损的概率极低；速度低于8厘米/秒时，居民建筑墙面抹灰开裂等损伤概率不足1%；而当地表峰值速度超过约40-80厘米/秒时，住宅类建筑的框架结构将面临明显的破坏风险。
总结结论
本文汇总了当前核爆破开挖工程技术的发展现状。过去十年间，研究人员获取了大量核爆、化学爆破成坑效应的试验数据，明确了核爆炸药的工程适用能力与安全局限。
研究结论表明：核爆炸能够形成适配各类大型工程建设的爆破坑；在配套完善安全防护措施、开展专项研究论证的前提下，核爆破技术可以安全投入工程使用。
原图
