Long-Distance Impact Detonation of Energy-concentrating Interval Charges and Its Application in Tunnel Blasting

Tief in der Erde, wo Tunnel durch massiven Fels getrieben werden, beruht die Arbeit der Aushubarbeiten auf einem empfindlichen Gleichgewicht zwischen Kraft und Präzision. Um Gestein zu brechen, ohne die Tunnelwände zu zertrümmern oder Energie zu verschwenden, setzen Ingenieure oft eine Technik namens Air-Deck-Laden ein. Anstatt das Bohrloch vollständig mit Sprengstoff zu füllen, lassen sie kleine Luftspalte zwischen den Ladungsabschnitten. Diese Anordnung ermöglicht es, dass sich die Explosionsenergie gleichmäßiger verteilt, was dem Gestein eine bessere Chance gibt, sauber zu brechen, anstatt zu zerbröseln. Jahrzehntelang war die Standardmethode, diese getrennten Ladungen auszulösen, eine dünne, flexible Schnur, die mit hochexplosivem Material gefüllt ist und über die gesamte Länge des Lochs verläuft. Obwohl diese Methode effektiv ist, gestaltet sich ihre Installation komplex und birgt erhebliche Sicherheitsrisiken. In den letzten Jahren haben Ingenieure nach einer sichereren, zuverlässigeren Alternative gesucht, die es ermöglicht, mehrere explosive Abschnitte von einem einzigen Punkt aus auszulösen, ohne die Notwendigkeit langer, fragiler Schnüre.

Ein Forschungsteam der Shandong University of Science and Technology und mehrerer Eisenbahnbauunternehmen hat einen neuen Ansatz untersucht, der die herkömmliche Schnur durch einen fokussierten Metallstoß ersetzt. Ihre Arbeit konzentriert sich auf eine Vorrichtung, die bei Auslösung einen Hochgeschwindigkeits-Metallstrahl (Jet) erzeugt, der durch das Tunnelloch reist, um den nächsten Explosionsabschnitt zu treffen. Die Herausforderung liegt in der Distanz; während der Metallstrahl reist, verlangsamt er sich und breitet sich aus, ähnlich wie ein Wasserstrahl, der an Druck verliert, wenn er sich von einem Schlauch entfernt. Die Forscher wollten genau wissen, wie weit dieser Metallstrahl reisen kann, bevor er zu schwach wird, um die nächste Explosion auszulösen, und ob er eine Kette von Explosionen in einer realen Tunnelumgebung zuverlässig zünden kann.

Um diese Fragen zu beantworten, kombinierte das Team fortschrittliche Computermodellierung mit physischen Feldtests. Sie begannen damit, das Verhalten des Metallstrahls zu simulieren, während er sich bildete und durch ein Stahlrohr bewegte, welches die Bedingungen eines gebohrten Sprenglochs nachahmt. Mithunter Einsatz leistungsstarker Software verfolgten sie die Geschwindigkeit des Strahls und den Druck, den er auf das getroffene Explosivmaterial ausübte. Die Simulationen zeigten, dass sich der Metallstrahl schneller als die Schockwelle der ursprünglichen Explosion bewegt und den nächsten Ladungsabschnitt zuerst erreicht. Wenn der Strahl auf den Sprengstoff trifft, erzeugt er einen winzigen, intensiven Punkt aus Hitze und Druck, bekannt als „Hot Spot“, der das Material entzündet. Die Computermodelle zeigten, dass dieser Prozess theoretisch über Distanzen von bis zu 2,49 Metern zuverlässig funktioniert, wobei die Forscher jedoch anmerkten, dass reale Bedingungen dies wahrscheinlich etwas reduzieren würden.

Das Team ging daraufhin vom Computer in die Praxis über, um diese Erkenntnisse in der Realität zu testen. Sie konstruierten einen Aufbau unter Verwendung nahtloser Stahlrohre, um die engen Beschränkungen eines Tunnelsprenglochs zu simulieren. Sie platzierten Abschnitte von Emulsionssprengstoff – ein in der Bergbauindustrie häufig verwendeter Typ – in spezifischen Intervallen. Ein Abschnitt wurde mit einem speziellen konischen Liner ausgestattet, der darauf ausgelegt ist, die Explosion in einen Metallstrahl zu fokussieren, während die nachfolgenden Abschnitte darauf warteten, ausgelöst zu werden. In der ersten Testreihe platzierten sie die Sprengstoffe in einem Abstand von 2,35 Metern. Das Ergebnis war ein Erfolg: Der Metallstrahl legte die volle Distanz zurück, traf die zweite Ladung und verursachte deren Detonation ohne Fehl zu zünden. In einem zweiten Testlauf arrangierten sie vier Sprengstoffabschnitte mit 1-Meter-Lücken. Der Metallstrahl löste erfolgreich die ersten drei Abschnitte aus, und selbst als der Strahl begann, auseinanderzufallen, war die Schockwelle der explodierenden Abschnitte stark genug, um die letzte Ladung zu zünden.

Diese Experimente bestätigten, dass der Metallstrahl Explosionen über lange Distanzen zuverlässig initiieren kann, was die Fähigkeiten bisheriger Kurzstreckentests weit übertrifft. Die Forscher fanden heraus, dass mit zunehmender Distanz die Geschwindigkeit des Strahls abnimmt, was wiederum die Zeit bis zum Beginn der Explosion verlängert. Doch selbst bei der maximal getesteten Distanz von 2,35 Metern behielt der Strahl genügend Energie, um die Explosion auszulösen. Diese Entdeckung deutet darauf hin, dass die Methode robust genug ist, um die traditionelle Detonationsschnur in vielen Tunnelungsszenarien zu ersetken.

Die praktischen Auswirkungen dieser Erkenntnis wurden in einem realen Tunnelprojekt demonstriert. Das Bauteam ersetzte die Standard-Detonationsschnüre durch diese energiekonzentrierenden Vorrichtungen für zehn separate Sprengzyklen. Die Ergebnisse waren unmittelbar und messbar. Die neue Methode verbesserte die Stabilität der Sprengung, was bedeutete, dass die Bohrlöcher effektiver genutzt wurden, um das Gestein zu brechen. Konkret erhöhte sich die Rate der „Halblöcher“ – der sauberen, sichtbaren Markierungen an der Tunnelwand, die auf eine präzise Sprengung hindeuten – im Vergleich zur traditionellen Methode um fast 5 Prozent. Darüber hinaus reduzierte die neue Technik die Kosten für Verbrauchsmaterialien um etwa 3.000 Yuan pro Zyklus, primtär durch den Wegfall der teuren Detonationsschnüre und die verkürzte Installationszeit. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass diese Methode der Langstrecken-Impakt-Detonation eine sicherere, effizientere und wirtschaftlichere Art bietet, Tunnel zu sprengen, was das Vorgehen von Ingenieuren bei tiefen Aushubarbeiten in der Zukunft potenziell verändern könnte.