Effect of rock mass intactness on tunnel safety and stability in blasting excavation

Abstract

This paper attempts to make an accurate assessment of the safety and stability of tunnels in blasting excavation, considering the effect of rock mass intactness. For this purpose, numerical simulations and field tests of tunnel blasting excavations were carried out in rocks with different intactness indexes. For simplicity, the multi-hole blasting load was replaced with the equivalent blasting load according to the Chapman-Jouguet (C-J) detonation mechanism and the theory of stress wave propagation in elastic medium. Then, the existing blasting damage model of rock mass was improved into a continuum damage model of rock blasting considering the intactness of rock mass, and imported to FLAC3D for numerical simulations of tunnel blasting excavation. The simulation results were then verified through field tests on blasting vibration velocity and acoustic wave velocity. The attenuation law of blasting vibration was obtained from the tests on blasting vibration velocity, while the blasting-induced fracture zone was determined through the tests on acoustic wave velocity in the borehole before and after blasting. The blasting-induced fracture zone near the explosion sources and the attenuation law of blasting vibration velocity far from the sources were both identified in the numerical simulations and the field tests. After that, the results of the numerical simulations were compared with those of the field tests. The comparison shows that: after the blasting excavation of pressure diversion tunnels, the maximum and the minimum depths of blasting-induced fracture in the surrounding rock respectively appeared at the haunch and the vault of tunnels; when the drilling and blasting parameters remained constant, the maximum depth of blastinginduced fracture and several other factors decreased significantly with the growth of the intactness index; meanwhile, the vibration-influenced distance of blasting increased first and then decreased. The results of numerical simulations agree well with those of the field tests. The research findings provide valuable guidance to blasting excavation of pressure diversion tunnels. RÉSUMÉ. Dans le contexte de l’excavation par dynamitage de tunnels de dérivation de pression dans la centrale hydroélectrique Xi Luodu en Chine, le but de cette étude, c’est de fournir des références à l’évaluation de la sécurité et de la stabilité du tunnel pendant les excavations, à laquelle l’influence de la masse rocheuse devrait être considérée. Pour atteindre ce but, des simulations numériques et des essais sur le terrain d'excavations par soufflage dans des tunnels 76 ACSM. Volume 42 – n° 1/2018 ont été effectués dans les roches avec des indices d'intégrité différents. Visant à simplifier la simulation numérique du dynamitage à trous multiples, une méthode d'utilisation de charges de dynamitage équivalentes pour remplacer la charge de dynamitage à trous multiples a été présentée, selon le mécanisme de donation C-J et la théorie de la propagation des ondes de contrainte en milieu élastique. Un modèle de dommage continu du dynamitage de roche en raison de l’état intact de la masse rocheuse est établi en améliorant le modèle de dommage de dynamitage existant de roche. Le modèle établi a été importé dans le logiciel FLAC3D pour les simulations numériques de l’excavation par dynamitage des tunnels et les charges de dynamitage dans les simulations sont basées sur la méthode présentée. Des essais sur le terrain de la vitesse de vibration du dynamitage et de la vitesse de l'onde acoustique ont été effectués pour vérifier les résultats de la simulation numérique. Les essais de vitesse des ondes acoustiques ont été effectués dans le trou de forage avant et après le dynamitage pour déterminer la zone de fracture induite par le dynamitage. Les tests de vitesse de vibration de dynamitage ont été utilisés pour obtenir les lois d’atténuation de la vibration de dynamitage. Les simulations numériques et les essais sur le terrain ont permis d’obtenir la zone de destruction près des sources d’explosion et la loi d’atténuation de la vitesse de vibration des explosions éloignées des sources d’explosion. Les résultats obtenus par des simulations numériques et des tests sur le terrain ont été comparés. Les résultats montrent que, pour l’excavation par dynamitage de tunnels de détournement de la pression, la profondeur maximale et minimale de fracture induite par le dynamitage de la roche environnante se situent respectivement à l’intersection et à la voûte des tunnels. Dans les conditions où les paramètres de forage et de dynamitage restent constants, la profondeur maximale de fracture induite par le dynamitage, ainsi que le coefficient d’influence du site et l’atténuation de la formule de Sadaovsk qui permet de prédire la vitesse maximale influencée par les vibrations, diminuent de façon significative avec l’augmentation de la indice d'intégrité. La distance de dynamitage influencée par les vibrations augmente tout d'abord, puis diminue avec l'augmentation de l'indice d'intégrité. Les résultats obtenus des simulations numériques sont en bon accord avec ceux des essais sur le terrain. Les résultats de la recherche servent de guides pour l’excavation par dynamitage des tunnels de dérivation dans la centrale hydroélectrique de Xi Luodu.