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

En lo profundo de la tierra, donde los túneles se tallan a través de la roca sólida, el trabajo de excavación depende de un delicado equilibrio entre la fuerza y la precisión. Para romper la roca sin destrozar las paredes del túnel ni desperdiciar energía, los ingenieros suelen utilizar una técnica llamada carga de aire (air-deck charging). En lugar de llenar completamente el barreno con explosivos, dejan pequeños huecos de aire entre las secciones de la carga. Esta disposición permite que la energía de la explosión se distribuya de manera más uniforme, dando a la roca una mejor oportunidad de fracturarse limpiamente en lugar de desmoronarse. Durante décadas, la forma estándar de activar estas cargas separadas ha sido un cordón delgado y flexible lleno de explosivos de alta potencia, que recorre toda la longitud del barreno. Aunque es eficaz, este método es complejo de instalar y conlleva riesgos de seguridad significativos. En años recientes, los ingenieros han buscado una alternativa más segura y fiable que pueda activar múltiples secciones explosivas desde un solo punto sin necesidad de cordones largos y frágiles.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Shandong y varios grupos de construcción ferroviaria han explorado un nuevo enfoque que reemplaza el cordón tradicional con un estallido concentrado de metal. Su trabajo se centra en un dispositivo que, al ser activado, crea un chorro de metal de alta velocidad que viaja por el barreno del túnel para golpear la siguiente sección de explosivo. El desafío radica en la distancia; a medida que el chorro de metal viaja, pierde velocidad y se dispersa, de forma muy similar a como un chorro de agua pierde presión al alejarse de una manguera. Los investigadores querían saber exactamente qué distancia podía recorrer este chorro de metal antes de volverse demasiado débil para activar la siguiente explosión, y si podría activar de manera fiable una cadena de explosivos en un entorno de túnel real.

Para responder a estas preguntas, el equipo combinó modelos computacionales avanzados con pruebas de campo físicas. Comenzaron simulando el comportamiento del chorro de metal mientras se formaba y viajaba a través de un tubo de acero, lo que imita las condiciones de un barreno de voladura perforado. Utilizando un potente software, rastrearon la velocidad del chorro y la presión que ejercía sobre el material explosivo al impactar. Las simulaciones revelaron que el chorro de metal se mueve más rápido que la onda de choque de la explosión inicial, llegando primero a la siguiente carga. Cuando el chorro golpea el explosivo, crea un punto diminuto e intenso de calor y presión, conocido como "punto caliente" (hot spot), que inflama el material. Los modelos computacionales mostraron que este proceso funciona de manera fiable en distancias de hasta 2,49 metros en teoría, aunque los investigadores señalaron que las condiciones del mundo real probablemente reducirían esto ligeramente.

Posteriormente, el equipo pasó de la computadora al terreno para probar estos hallazgos en la realidad. Construyeron una configuración utilizando tubos de acero sin costura para simular las estrictas limitaciones de un barreno de voladura en un túnel. Colocaron secciones de explosivo de emulsión, un tipo común utilizado en la minería, a intervalos específicos. Una sección fue equipada con un revestimiento especial en forma de cono diseñado para concentrar la explosión en un chorro de metal, mientras que las secciones subsiguientes esperaban ser activadas. En el primer conjunto de pruebas, colocaron los explosivos a 2,35 metros de distancia. El resultado fue un éxito: el chorro de metal recorrió toda la distancia, golpeó la segunda carga y provocó su detonación sin falta. En un segundo conjunto de pruebas, dispusieron cuatro secciones de explosivo con brechas de 1 metro entre ellas. El chorro de metal activó con éxito las tres primeras secciones, e incluso cuando el chorro comenzó a fragmentarse, la onda de choque de las secciones en explosión fue lo suficientemente fuerte como para activar la carga final.

Estos experimentos confirmaron que el chorro de metal puede iniciar de manera fiable explosivos a largas distancias, superando con creces las capacidades de las pruebas previas de corto alcance. Los investigadores descubrieron que, a medida que la distancia aumentaba, la velocidad del chorro disminuía, lo que a su vez aumentaba el tiempo necesario para que comenzara la explosión. Sin embargo, incluso a la distancia máxima probada de 2,35 metros, el chorro conservó suficiente energía para activar la explosión. Este descubrimiento sugiere que el método es lo suficientemente robusto como para reemplazar al cordón detonante tradicional en muchos escenarios de tunelación.

Las implicaciones prácticas de este hallazgo fueron demostradas en un proyecto de túnel real. El equipo de construcción reemplazó los cordones detonantes estándar con estos dispositivos de concentración de energía durante diez ciclos de voladura distintos. Los resultados fueron inmediatos y mensurables. El nuevo método mejoró la estabilidad de la voladura, lo que significa que los barrenos se utilizaron de manera más efectiva para romper la roca. Específicamente, la tasa de "medias perforaciones" (half-holes) —las marcas limpias y visibles dejadas en la pared del túnel que indican una voladura precisa— aumentó casi un 5 por ciento en comparación con el método tradicional. Además, la nueva técnica redujo el costo de los consumibles en aproximadamente 3.000 yuanes por ciclo, principalmente al eliminar la necesidad de los costosos cordones detonantes y reducir el tiempo requerido para la instalación. El estudio concluye que este método de detonación por impacto de larga distancia ofrece una forma más segura, eficiente y económica de realizar voladuras en túneles, cambiando potencialmente la forma en que los ingenieros abordan la excavación profunda en el futuro.