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

Au plus profond de la terre, là où des tunnels sont creusés à travers la roche solide, le travail d'excavation repose sur un équilibre délicat entre force et précision. Pour briser la roche sans éclater les parois du tunnel ni gaspiller d'énergie, les ingénieurs utilisent souvent une technique appelée chargement par décalage d'air (air-deck charging). Au lieu de remplir complètement le trou de forage avec des explosifs, ils laissent de petits espaces d'air entre les sections de la charge. Cette disposition permet à l'énergie de la déflagration de se propager plus uniformément, donnant à la roche une meilleure chance de se fracturer proprement plutôt que de s'effriter. Pendant des décennies, la méthode standard pour déclencher ces charges séparées a été un cordon mince et flexible rempli d'explosifs de haute puissance, courant sur toute la longueur du trou. Bien qu'efficace, cette méthode est complexe à installer et présente des risques importants pour la sécurité. Ces dernières années, les ingénieurs ont cherché une alternative plus sûre et plus fiable, capable de déclencher plusieurs sections explosives à partir d'un seul point sans avoir recours à de longs cordons fragiles.

Une équipe de chercheurs de l'Université de technologie et de sciences de Shandong et de plusieurs groupes de construction ferroviaire a exploré une nouvelle approche qui remplace le cordon traditionnel par une salve de métal focalisée. Leurs travaux portent sur un dispositif qui, lorsqu'il est déclenché, crée un jet de métal à haute vitesse qui voyage dans le trou du tunnel pour frapper la section explosive suivante. Le défi réside dans la distance ; à mesure que le jet de métal voyage, il ralentit et s'éparpille, un peu comme un jet d'eau perdant de la pression en s'éloignant d'un tuyau. Les chercheurs voulaient savoir exactement jusqu'à quelle distance ce jet de métal pouvait voyager avant de devenir trop faible pour déclencher la prochaine explosion, et s'il pouvait déclencher de manière fiable une chaîne d'explosifs dans un environnement réel de tunnel.

Pour répondre à ces questions, l'équipe a combiné une modélisation informatique avancée avec des tests physiques sur le terrain. Ils ont commencé par simuler le comportement du jet de métal lors de sa formation et de son trajet à travers un tube d'acier, ce qui imite les conditions d'un trou de forage de tir. À l'aide de logiciels puissants, ils ont suivi la vitesse du jet et la pression qu'il exerçait sur le matériau explosif qu'il frappait. Les simulations ont révélé que le jet de métal se déplace plus vite que l'onde de choc de l'explosion initiale, atteignant la charge suivante en premier. Lorsque le jet frappe l'explosif, il crée un point minuscule et intense de chaleur et de pression, appelé « point chaud » (hot spot), qui enflamme le matériau. Les modèles informatiques ont montré que ce processus fonctionne de manière fiable sur des distances allant jusqu'à 2,49 mètres en théorie, bien que les chercheurs aient noté que les conditions réelles réduiraient probablement légèrement cette valeur.

L'équipe est ensuite passée de l'ordinateur au terrain pour tester ces conclusions dans la réalité. Ils ont construit un montage utilisant des tubes d'acier sans soudure pour simuler les contraintes étroites d'un trou de tir de tunnel. Ils ont placé des sections d'explosif d'émulsion, un type courant utilisé dans les mines, à des intervalles spécifiques. Une section était équipée d'un liner spécial en forme de cône conçu pour concentrer l'explosion en un jet de métal, tandis que les sections suivantes attendaient d'être déclenchées. Lors de la première série de tests, ils ont placé les explosifs à 2,35 mètres d'intervalle. Le résultat fut un succès : le jet de métal a parcouru toute la distance, a frappé la seconde charge et l'a fait détoner sans faute. Dans une seconde série de tests, ils ont disposé quatre sections d'explosifs avec des écarts de 1 mètre entre elles. Le jet de métal a déclenché avec succès les trois premières sections, et même lorsque le jet commençait à se désagréger, l'onde de choc des sections explosées était assez forte pour déclencher la charge finale.

Ces expériences ont confirmé que le jet de métal peut initier de manière fiable des explosifs sur de longues distances, dépassant largement les capacités des tests précédents à courte portée. Les chercheurs ont constaté qu'à mesure que la distance augmentait, la vitesse du jet diminuait, ce qui augmentait par conséquent le temps nécessaire pour que l'explosion commence. Cependant, même à la distance maximale testée de 2,35 mètres, le jet conservait suffisamment d'énergie pour déclencher l'explosion. Cette découverte suggère que la méthode est suffisamment robuste pour remplacer le cordon de détonation traditionnel dans de nombreux scénarios de tunnelage.

Les implications pratiques de cette découverte ont été démontrées dans un projet de tunnel réel. L'équipe de construction a remplacé les cordons de détonation standards par ces dispositifs de concentration d'énergie pour dix cycles de tir distincts. Les résultats ont été immédiats et mesurables. La nouvelle méthode a amélioré la stabilité du tir, ce qui signifie que les trous étaient utilisés plus efficacement pour briser la roche. Plus précisément, le taux de « demi-trous » — les marques nettes et visibles laissées sur la paroi du tunnel indiquant un tir précis — a augmenté de près de 5 % par rapport à la méthode traditionnelle. De plus, cette nouvelle technique a réduit le coût des consommables d'environ 3 000 yuans par cycle, principalement en éliminant le besoin de cordons de détonation coûteux et en réduisant le temps d'installation requis. L'étude conclut que cette méthode de détonation par impact à longue distance offre une manière plus sûre, plus efficace et plus économique de dynamiter les tunnels, changeant potentiellement la façon dont les ingénieurs abordent l'excavation profonde à l'avenir.