Table of Contents

Городское туннелирование для метро, коммунальных коридоров и дорог часто требует раскопок через компетентные скалы или твердую почву. В то время как механические методы, такие как туннельные буровые машины, превосходят в определенных условиях, взрывчатые материалы остаются необходимыми для разрушения породы, где доступ ограничен, геология изменчива или существуют ограничения по стоимости. Использование взрывчатых веществ в густонаселенных городских средах эволюционировало от взрыва грубой силы до точно спроектированной дисциплины, которая уравновешивает фрагментацию с строгим контролем вибраций, шума и летучей породы. В этой статье рассматриваются типы взрывчатых веществ, обычно развертываемых, меры безопасности и окружающей среды, требуемые нормативные рамки, регулирующие городское взрывное устройство, и технологические достижения, формирующие будущие проекты.

Историческое развитие взрывного использования в туннелировании

Корни современного городского взрыва восходят к концу 19-го и началу 20-го веков, когда динамит произвел революцию в раскопках. Динамит на основе нитроглицерина мог разрушать породу гораздо эффективнее, чем черный порошок, что позволило реализовать такие проекты, как ранние туннели метро в Нью-Йорке. Однако высокая чувствительность динамита к удару и температуре требовала тщательного хранения и обработки. К 1950-м годам аммиачное нитратное мазутное масло (ANFO) стало более безопасной и экономичной альтернативой. Низкая стоимость и простота производства ANFO сделали его рабочей лошадкой для добычи и туннелирования в течение десятилетий. Тем не менее ANFO не является водонепроницаемой и может производить токсичные пары в плохо вентилируемых средах. В 1970-х и 1980-х годах наблюдалось развитие водостойких эмульсионных взрывчатых веществ, которые сочетают окислители и топливо в стабильной матрице, которая сопротивляется десенсибилизации во влажных скважинах. Сегодня эмульсионные взрывчатые вещества доминируют в городском туннелировании из-за их

Типы используемых взрывчатых материалов

Выбор правильного взрывчатого вещества для проекта городского туннеля зависит от геологии, наличия воды, ограничений на взрывчатку и чувствительности к окружающей среде. Наиболее распространенные категории описаны ниже, с уделением внимания их сильным сторонам и ограничениям.

динамит

Хотя в значительной степени заменен в современной практике, динамит по-прежнему используется для специализированных применений, таких как пресплиттинг или вторичный поломка. Его высокое давление детонации (приблизительно 5-7 ГПа) производит интенсивное разрушение, но то же свойство делает его склонным к перелому и воздушному давлению. Обработка динамики требует строгой подготовки по безопасности, а ее хранение вызывает строгие федеральные и местные правила. Большинство городских проектов теперь резервируют динамит для задач, где точный контроль над разрывом менее важен, чем скорость фрагментации.

ANFO (топливное масло с нитратом аммония)

ANFO представляет собой смесь пористого нитрата прилья аммония (94%) и мазута (6%). Он недорогой, надежно детонирует в сухих условиях и генерирует умеренные объемы газа, которые хорошо сотрясают породу. Однако ANFO не является водонепроницаемым; он должен быть упакован в пластиковые рукава или картриджи при использовании во влажных отверстиях. Кроме того, ANFO производит высокие уровни угарного газа и оксидов азота, что требует сильной вентиляции или длительного постбластного ожидания в закрытых туннелях. В городских условиях его использование часто ограничивается взрывными снарядами, которые могут быть завершены в сухую погоду или обезвоженные заголовки.

Эмульсионные взрывчатые вещества

Эмульсии представляют собой дисперсии воды в масле нитрата аммония или капель нитрата натрия в топливной фазе, сенсибилизированные микробаллонами или химическим газированием. Они обладают рядом преимуществ: они водонепроницаемы, нечувствительны к случайному детонации от огня или удара, и могут быть адаптированы к различным диаметрам и плотности. Эмульсии генерируют контролируемый выход энергии, снижая как перерывную, так и сейсмическую энергию. Многие городские туннельные подрядчики в настоящее время используют насыпные системы на основе эмульсии, перекачиваемые непосредственно в скважины, что позволяет точно загружать заряд и уменьшать ручную обработку. Для проектов с жесткими ограничениями вибрации могут быть сформулированы эмульсии с пониженной скоростью детонации (VOD).

Взрывчатые вещества желатина

Гелатины — это пластифицированные взрывчатые вещества, содержащие нитроглицерин или другие чувствительные ингредиенты, обеспечивающие высокую плотность и водостойкость. Их толстая консистенция позволяет им втекать в небольшие трещины, обеспечивая хорошую связь со стенкой скважины. Гелатины в первую очередь используются для точного взрыва в чувствительных областях, где требуется минимальное повреждение окружающих пород, например, вблизи исторических зданий или железнодорожных линий. Однако их высокая чувствительность требует специализированных журналов хранения и строгого контроля запасов.

Безопасность и экологические соображения

Взрывы в городских условиях требуют тщательного изучения, выходящего далеко за рамки дистанционного майнинга.Потенциал структурного повреждения, общественной тревоги и загрязнения окружающей среды означает, что каждый взрыв должен быть спроектирован, контролироваться и сообщаться с точностью.

Вибрация и контроль над воздушным давлением

Чрезмерная вибрация земли может растрескивать фундаменты, нарушать чувствительное оборудование и вызывать оседание в старых зданиях. Современные взрывы предназначены для поддержания пиковой скорости частиц (PPV) ниже порогов, установленных местными кодами или критериями Бюро шахт США (обычно от 0,5 до 2,0 в / с в зависимости от типа конструкции). Контролируемые методы взрыва, такие как секвенирование задержек, рельефные отверстия и бурение линии, уменьшают вибрацию. Электронные детонаторы теперь позволяют определять микросекундные сроки, позволяя проектировщикам отменять волны вибрации через помехи. Избыточное давление воздуха - низкочастотная звуковая волна от взрыва - управляется путем прокалывания скважин с измельченным камнем или песком и с использованием взрывных ковриков в открытых разрезах.

Пыль и контроль паров

Взрывная детонация приводит к образованию пылевых облаков и токсичных газов (СО, NOx). В закрытых туннелях необходимо поддерживать вентиляцию, чтобы направлять дымы от рабочих и предотвращать накопление. Современная практика включает использование водяных спреев в заголовке и влажное бурение для подавления пыли. В особо чувствительных городских районах некоторые подрядчики в настоящее время используют «зеленые» составы взрывчатых веществ, которые производят менее токсичные побочные продукты или включают добавки, которые связывают пыль во время детонации.

Подземные воды и загрязнение почвы

Химические вещества остаточного взрывчатого вещества, в частности аммиак и нитрат, могут выщелачиваться в грунтовые воды. Проекты городских туннелей часто требуют плана мониторинга грунтовых вод до начала взрыва. Эмульсии и ANFO разрушаются быстрее, чем остатки динамита, но меры по сдерживанию, такие как непроницаемые взрывные коврики и сбор отстойника, являются стандартными. После взрыва любые избыточные взрывчатые вещества удаляются из грязи и утилизируются в соответствии с правилами опасных отходов.

Общественная коммуникация и мониторинг

Местные жители и предприятия должны получать заблаговременное уведомление о графиках взрывов. Сейсмографы, размещенные в близлежащих структурах, регистрируют вибрацию и избыточное давление для каждого события. Инженеры сравнивают фактические показания с прогнозными моделями и соответствующим образом корректируют будущие конструкции взрывов. Для решения проблем часто устанавливаются линии публичных жалоб. Эта прозрачность укрепляет доверие и помогает избежать дорогостоящих отключений.

Нормативно-правовая база

Городское взрывное устройство регулируется несколькими перекрывающимися органами. На федеральном уровне в Соединенных Штатах Управление по безопасности и гигиене труда (MSHA) контролирует взрывобезопасность туннелей и шахт, в то время как Управление по безопасности и гигиене труда (OSHA) охватывает общее строительство. Департамент транспорта США (DOT) и Бюро по хранению и транспортировке взрывчатых веществ (ATF) регулируют хранение и транспортировку взрывчатых веществ. На местном уровне городские и уездные постановления устанавливают ограничения вибрации, время взрыва и требования к инспекции. Многие города требуют разрешения на взрыв, которое включает подробный план взрыва, доказательство страхования и предварительный осмотр всех структур в определенном радиусе. Международные проекты могут следовать рекомендациям Международного общества инженеров взрывчатых веществ или местным кодексам добычи.

Взрывной дизайн и контролируемые методы

Успешная городская взрывная работа - это то, что происходит перед выстрелом, как и сама детонация. Дизайн начинается с подробного геологического картирования и испытания на прочность породы. Взрывные дизайнеры выбирают образец буровых отверстий - обычно сочетание взрывных отверстий, рельефных отверстий и отверстий по периметру или обрезке. Цель состоит в том, чтобы разбить скалу в определенном объеме, оставляя окружающую скалу нетронутой.

Drill Pattern и отсрочка

В типичном туннельном круге сначала отстреливают центральные вырезанные отверстия, чтобы создать пустоту для расширения породы. Рельефные отверстия (разгрузочные) обеспечивают свободные грани, которые уменьшают задержание. Задержки между отверстиями (измеренные в миллисекундах) секвенируются так, что более ранние отверстия создают свободные грани для более поздних отверстий. С электронными детонаторами задержки могут быть установлены до 1 мс, что позволяет точно контролировать. Хорошо спроектированная последовательность задержки минимизирует вибрацию земли, избегая конструктивной интерференции сейсмических волн. Многие дизайнеры используют компьютерное программное обеспечение для моделирования исходов взрыва и оптимизации интервала между отверстиями, нагрузки и длины стебля.

Гладкий вспыльчивый и пресплит

Для защиты периметра туннеля — особенно в мягких породах или вблизи существующих структур — используются методы гладкой взрывной обработки. Это включает в себя бурение близко расположенных по периметру отверстий (обычно 0,5-0,8 м друг от друга) и загрузку их меньшими зарядами или разъединенными взрывчатыми веществами. Результатом является чистая, перекрытая ограниченная поверхность раскопок. Пресплитирование идет дальше, детонируя отверстия периметра перед основным взрывом, создавая трещину, которая предотвращает распространение волн напряжения в скалу за пределами. Этот метод является стандартным для туннелей в исторических районах или там, где требуется минимальное поселение.

Мониторинг вибрации и корректировка

Во время производственной взрывной работы сеть сейсмографов фиксирует данные с каждого события. Инженеры используют эти измерения для уточнения веса заряда за задержку (обычно максимального мгновенного заряда, МИК) и геометрии выстрела. Если вибрация превышает заранее заданные пороги, следующий взрыв может уменьшить МИК, увеличить интервалы задержки или добавить отверстия рельефа. Этот итеративный процесс обеспечивает соответствие при сохранении скорости производства.

Достижения и будущие тенденции

Индустрия взрывчатых веществ продолжает внедрять инновации, руководствуясь требованиями точности, безопасности и экологической ответственности.

Электронные детонаторы

Электронные детонаторы в значительной степени заменили пиротехнические детонаторы задержки в передовых туннелях, поскольку они предлагают до 1000 программируемых интервалов времени. Эта точность позволяет проектировщикам взрывов отменять волны вибрации через суперпозицию и тонко настраивать фрагментацию. Электронные детонаторы также повышают безопасность, позволяя дистанционное вооружение и обнаружение неисправностей через цифровые схемы.

Специфические взрывные формулы

Насыпные эмульсионные системы теперь позволяют на месте смешивать взрывчатые вещества с различной плотностью и VOD. Например, эмульсия с низким VOD может использоваться в мягкой породе для уменьшения разрушения, в то время как высокоVOD-формация зарезервирована для твердого гранита. Некоторые поставщики предлагают «электронные» взрывчатые вещества, которые сенсибилизируются только при удаленной активации, что еще больше снижает риск при транспортировке и погрузке.

Невзрывные альтернативы и гибридные подходы

В то время как взрывчатые вещества остаются доминирующими, методы невзрывного разрушения пород (например, гидравлические сплиттеры, экспансивные химические затирки и ударные выключатели) иногда используются в наиболее чувствительных к вибрации зонах или для туннелей малого диаметра. Гибридные подходы сочетают небольшой взрывной заряд с механическим разрывом для минимизации взрывных эффектов. Инструменты принятия решений с несколькими атрибутами помогают менеджерам проектов взвешивать стоимость, скорость и воздействие на окружающую среду при выборе оптимального метода для каждой секции туннеля.

Экологические исследования

Исследователи разрабатывают "зеленые" взрывчатые вещества, которые производят более низкие выбросы и быстро разрушаются в окружающей среде. Например, новые сенсибилизаторы, полученные из биомассы или потоков отходов, проходят испытания для замены традиционных масел. Другие разрабатывают взрывчатые вещества с усиленной биодеградацией после детонации, снижая стойкость остатков азота в грунтовых водах. Хотя эти продукты еще не широко коммерциализированы, пилотные испытания в Скандинавии и Австралии показали многообещающие результаты.

Тематические исследования

Проект Бостонской центральной артерии / туннеля (Big Dig)

Один из самых сложных проектов городских туннелей в истории, Большой Диг Бостона включал взрывы через скалу под существующими шоссе и зданиями. Инженеры использовали комбинацию эмульсионных взрывчатых веществ и электронных детонаторов, чтобы поддерживать вибрации ниже 0,5 в / с для близлежащих исторических сооружений. Более 1,2 миллиона кубических ярдов породы были раскопаны без каких-либо серьезных инцидентов, отчасти из-за строгих добластных обследований и мониторинга вибрации в реальном времени в сотнях мест.

Железнодорожный тоннель City Line в Стокгольме

В Стокгольме через гранит и гнейс прямо под центром города проехал 6-километровый железнодорожный тоннель. Взрывные снаряды были спроектированы с гладкими принципами взрыва от Шведского научно-исследовательского института рок-инжиниринга. Максимальная зарядка за задержку была ограничена 8 кг для защиты подземных тоннелей и канализации. Было использовано более 700 000 электронных детонаторов, достигающих задержек от 17 до 19 мс между отверстиями. Результатом стал туннель с минимальным разрывом и поверхностным поселением ниже 3 мм в большинстве секций .

Crossrail (Лондон)

Лондонский проект Crossrail столкнулся с сложными наземными условиями — мелом и песком, перемежающимися с глиной. В участках, где не были осуществимы тоннельные скучные машины, использовалась контролируемая взрывная работа. Использовались специальные низковибрационные эмульсионные взрывчатые вещества, а взрывная работа была ограничена ночными часами для снижения воздействия шума. Передовые сети мониторинга предоставляли данные в реальном времени для корректировки веса заряда на лету .

Заключение

Использование взрывчатых материалов в городском туннелировании превратилось из метода грубой силы в точную, строго регулируемую инженерную дисциплину. Динамит, ANFO, эмульсии и желатины выполняют конкретные роли, но промышленность все чаще предпочитает эмульсии в сочетании с электронными детонаторами для их контроля и безопасности. Жесткие протоколы безопасности и окружающей среды - покрывающие вибрацию, избыточное давление воздуха, пыль, дым и грунтовые воды - защищают как работников, так и окружающие сообщества. Регулирующие органы на нескольких уровнях обеспечивают всеобъемлющие программы выдачи разрешений и мониторинга. Будущие тенденции указывают на еще большую точность, с конкретными формулировками, электронным временем и более экологичными химиями. Для городов, расширяющих свою подземную инфраструктуру, взрывчатые вещества останутся незаменимым инструментом при применении с навыками, осторожностью и уважением к городской среде.

Для дальнейшего чтения см. OSHA стандарты взрывоопасности для строительства , Международное общество инженеров-взрывотехников руководящие принципы практики , и U.S. DOT техническое руководство по туннельной взрывоопасности .