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

Nel profondo della terra, dove i tunnel vengono scavati attraverso la roccia solida, il lavoro di escavazione si basa su un delicato equilibrio tra forza e precisione. Per rompere la roccia senza frantumare le pareti del tunnel o sprecare energia, gli ingegneri utilizzano spesso una tecnica chiamata carica ad aria (air-deck charging). Invece di riempire completamente il foro di perforazione con esplosivi, lasciano piccoli spazi d'aria tra le sezioni della carica. Questa disposizione permette all'energia dell'esplosione di diffondersi in modo più uniforme, dando alla roccia una migliore possibilità di fratturarsi nettamente anziché sbriciolarsi. Per decenni, il modo standard per far detonare queste cariche separate è stato un sottile e flessibile cordone riempito di esplosivo ad alta potenza, che corre lungo la lunghezza del foro. Sebbene efficace, questo metodo è complesso da installare e comporta significativi rischi per la sicurezza. Negli ultimi anni, gli ingegneri hanno cercato un'alternativa più sicura e affidabile che possa attivare più sezioni esplosive da un unico punto senza la necessità di lunghi e fragili cordoni.

Un team di ricercatori della Shandong University of Science and Technology e di diversi gruppi di costruzione ferroviaria ha esplorato un nuovo approccio che sostituisce il tradizionale cordone con un getto concentrato di metallo. Il loro lavoro si concentra su un dispositivo che, quando attivato, crea un getto di metallo ad alta velocità che viaggia lungo il foro del tunnel per colpire la sezione esplosiva successiva. La sfida risiede nella distanza; mentre il getto di metallo viaggia, rallenta e si disperde, proprio come un getto d'acqua che perde pressione allontanandosi da una canna dell'acqua. I ricercatori volevano sapere esattamente quanto lontano potesse viaggiare questo getto di metallo prima di diventare troppo debole per attivare la successiva esplosione, e se potesse in modo affidabile far detonare una catena di esplosivi in un ambiente reale di un tunnel.

Per rispondere a queste domande, il team ha combinato la modellazione computerizzata avanzata con test fischi sul campo. Hanno iniziato simulando il comportamento del getto di metallo mentre si formava e viaggiava attraverso un tubo d'acciaio, che imita le condizioni di un foro di brillamento perforato. Utilizzando software potenti, hanno tracciato la velocità del getto e la pressione che esercitava sul materiale esplosivo colpito. Le simulazioni hanno rivelato che il getto di metallo si muove più velocemente dell'onda d'urto dell'esplosione iniziale, raggiungendo per primo la carica successiva. Quando il getto colpisce l'esplosivo, crea un piccolo e intenso punto di calore e pressione, noto come "punto caldo" (hot spot), che incendia il materiale. I modelli informatici hanno mostrato che questo processo funziona in modo affidabile su distanze fino a 2,49 metri in teoria, sebbene i ricercatori abbiano osservato che le condizioni del mondo reale probabilmente ridurrebbero leggermente tale valore.

Il team si è poi spostato dal computer al terreno per testare questi risultati nella realtà. Hanno costruito un allestimento utilizzando tubi d'acciaio senza cuciture per simulare i vincoli stretti di un foro di brillamento in un tunnel. Hanno posizionato sezioni di esplosivo emulsionato, un tipo comune utilizzato nelle miniere, a intervalli specifici. Una sezione è stata dotata di un rivestimento speciale a forma di cono progettato per concentrare l'esplosione in un getto di metallo, mentre le sezioni successive attendevano di essere attivate. Nel primo set di test, hanno posizionato gli esplosivi a 2,35 metri di distanza. Il risultato è stato un successo: il getto di metallo ha percorso l'intera distanza, ha colpito la seconda carica e l'ha fatta detonare senza sosta. In un secondo set di test, hanno disposto quattro sezioni di esplosivo con spazi di 1 metro tra loro. Il getto di metallo ha attivato con successo le prime tre sezioni e, anche quando il getto ha iniziato a frammentarsi, l'onda d'urto delle sezioni esplose è stata sufficientemente forte da far detonare la carica finale.

Questi esperimenti hanno confermato che il getto di metallo può innescare in modo affidabile gli esplosivi su lunghe distanze, superando di gran lunga le capacità dei precedenti test a corto raggio. I ricercatori hanno scoperto che all'aumentare della distanza, la velocità del getto diminuiva, il che aumentava di conseguenza il tempo necessario per l'inizio dell'esplosione. Tuttavia, anche alla distanza massima testata di 2,35 metri, il getto manteneva energia sufficiente per innescare l'esplosione. Questa scoperta suggerisce che il metodo è abbastanza robusto da sostituire il tradizionale cordone detonante in molti scenari di scavo di tunnel.

Le implicazioni pratiche di questa scoperta sono state dimostrate in un vero progetto di tunnel. Il team di costruzione ha sostituito i comuni cordoni detonanti con questi dispositivi concentratori di energia per dieci cicli di brillamento separati. I risultati sono stati immediati e misurabili. Il nuovo metodo ha migliorato la stabilità del brillamento, il che significa che i fori sono stati utilizzati in modo più efficace per rompere la roccia. Nello specifico, il tasso di "mezzi fori" — i segni puliti e visibili lasciati sulle pareti del tunnel che indicano un brillamento preciso — è aumentato di quasi il 5% rispetto al metodo tradizionale. Inoltre, la nuova tecnica ha ridotto il costo dei materiali di consumo di circa 3.000 yuan per ciclo, eliminando principalmente la necessità di costosi cordoni detonanti e riducendo il tempo richiesto per l'installazione. Lo studio conclude che questo metodo di detonazione a impatto a lunga distanza offre un modo più sicuro, efficiente ed economico per scavare tunnel, cambiando potenzialmente il modo in cui gli ingegneri approcciano lo scavo profondo in futuro.