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

단단한 암석을 뚫고 지나가는 터널이 존재하는 지구 깊은 곳에서, 굴착 작업은 힘과 정밀함의 섬세한 균형에 의존합니다. 암석을 부술 때 터널 벽을 산산조로 내거나 에너지를 낭비하지 않기 위해, 엔지니어들은 종종 '에어 데크 충전(air-deck charging)'이라 불리는 기술을 사용합니다. 폭약을 드릴 구멍에 완전히 채우는 대신, 폭약 섹션 사이에 작은 공기 틈을 남겨두는 방식입니다. 이러한 배치는 폭발 에너지가 더 고르게 퍼지게 하여, 암석이 부서지기보다는 깔끔하게 균열이 생길 가능성을 높여줍니다. 수십 년 동안 이러한 분리된 폭약을 점화하는 표준적인 방법은 구멍의 길이를 따라 이어지는 고성능 폭약이 채워진 가늘고 유연한 줄(detonating cord)을 사용하는 것이었습니다. 이 방법은 효과적이긴 하지만, 설치가 복잡하고 상당한 안전 위험을 수반합니다. 최근 몇 년 동안, 엔지니어들은 긴 구멍 형태의 약한 줄 없이도 단일 지점에서 여러 폭약 섹션을 트리거할 수 있는 더 안전하고 신뢰할 수 있는 대안을 모색해 왔습니다.

산동 과학기술대학교의 연구팀과 여러 철도 건설 그룹은 기존의 줄을 집중된 금속 분사(metal jet)로 대체하는 새로운 접근 방식을 탐구했습니다. 그들의 연구는 트리거되었을 때 터널 구멍을 따라 이동하여 다음 폭약 섹션을 타격하는 고속 금속 제트를 생성하는 장치에 초점을 맞추고 있습니다. 문제는 거리입니다. 금속 제트가 이동함에 따라, 마치 호스에서 물줄기가 멀어질수록 압력이 떨어지는 것처럼 속도가 느려지고 퍼지게 됩니다. 연구진은 이 금속 제트가 다음 폭발을 일으키기에 너무 약해지기 전까지 정확히 얼마나 멀리 이동할 수 있는지, 그리고 실제 터널 환경에서 일련의 폭약을 안정적으로 점화할 수 있는지 알고 싶었습니다.

이 질문에 답하기 위해 연구팀은 첨단 컴퓨터 모델링과 물리적 현장 테스트를 결합했습니다. 그들은 먼저 드릴링된 발파 구멍의 조건을 모방한 강철 파이프를 통해 금속 제트가 형성되고 이동하는 거동을 시뮬레이션했습니다. 강력한 소프트웨어를 사용하여 제트의 속도와 제트가 부딪히는 폭약 물질에 가하는 압력을 추적했습니다. 시뮬레이션 결과, 금속 제트는 초기 폭발의 충격파보다 빠르게 움직여 다음 폭약을 먼저 도달한다는 사실이 밝혀졌습니다. 제트가 폭약에 부딪히면, '핫 스팟(hot spot)'이라고 불리는 작고 강렬한 열과 압력 지점을 만들어 물질을 점화합니다. 컴퓨터 모델은 이 과정이 이론적으로 최대 2.49미터 거리까지 안정적으로 작동함을 보여주었으나, 연구진은 실제 환경에서는 이 거리가 약간 짧아질 수 있다고 언급했습니다.

연구팀은 컴퓨터에서 현장으로 옮겨 이 발견을 현실에서 테스트했습니다. 그들은 터널 발파 구멍의 좁은 제약 조건을 모방하기 위해 이음매 없는 강철 파이프를 사용하여 실험 장치를 구축했습니다. 광업에서 흔히 사용되는 유형인 에멀전 폭약을 특정 간격으로 배치했습니다. 한 섹션에는 폭발을 금속 제트로 집중시키도록 설계된 특수 원뿔형 라이너를 장착했고, 그 뒤의 섹션들은 트리거되기를 기다리도록 배치했습니다. 첫 번째 테스트 세트에서 그들은 폭약을 2.35미터 간격으로 배치했습니다. 결과는 성공적이었습니다. 금속 제트는 전체 거리를 이동하여 두 번째 폭약을 타격했고, 실패 없이 이를 폭발시켰습니다. 두 번째 테스트 세트에서는 4개의 폭약 섹션을 1미터 간격으로 배치했습니다. 금속 제트는 처음 세 개의 섹션을 성공적으로 트리거했으며, 제트가 분해되기 시작했을 때조차도 폭발하는 섹션들로부터 발생한 충격파가 마지막 폭약을 점화하기에 충분히 강력했습니다.

이 실험들은 금속 제트가 기존의 단거리 테스트 능력을 훨씬 뛰어넘어 장거리에서도 폭약을 안정적으로 점화할 수 있음을 확인시켜 주었습니다. 연구진은 거리가 멀어질수록 제트의 속도가 감소하며, 이로 인해 폭발이 시작되는 데 걸리는 시간이 늘어난다는 것을 발견했습니다. 그러나 최대 테스트 거리인 2.35미터에서도 제트는 폭발을 유도할 만큼 충분한 에너지를 유지했습니다. 이러한 발견은 이 방법이 많은 터널링 시나리오에서 전통적인 도폭선을 대체할 만큼 견고하다는 것을 시사합니다.

이러한 발견의 실질적인 영향은 실제 터널 프로젝트에서 입증되었습니다. 건설 팀은 10회의 개별 발파 사이클 동안 표준 도폭선 대신 이 에너지 집중 장치를 사용했습니다. 결과는 즉각적이고 측정 가능했습니다. 새로운 방법은 발파의 안정성을 개선하여, 구멍이 암석을 깨뜨리는 데 더 효과적으로 사용되도록 했습니다. 구체적으로, 정밀한 발파를 나타내는 터널 벽의 깨끗하고 눈에 띄는 흔적인 '하프 홀(half-holes)'의 비율이 기존 방식에 비해 거의 5% 증가했습니다. 또한, 이 새로운 기술은 값비싼 도폭선을 없애고 설치 시간을 단축함으로써 사이클당 약 3,000위안의 소모품 비용을 절감했습니다. 연구는 이 장거리 충격 점화 방식이 더 안전하고 효율적이며 경제적인 터널 발파 방법을 제공하며, 향후 엔지니어들이 심층 굴착에 접근하는 방식을 바꿀 잠재력이 있다고 결론지었습니다.