Summary (Scroll down for Swedish version)
Rock support is usually designed for static loading conditions, but most construction work in underground rock involves the use of explosives for excavation work. Thus the tunnels are also subjected to dynamic loads. The detonation of explosives during excavations of tunnels and underground spaces lead to stress waves that propagate through the rock and may cause severe damage to shotcrete in, e.g. a neighbouring tunnel. It is concluded from previous investigations that shotcrete can withstand high particle velocity vibrations without being seriously damaged. Shotcrete without reinforcement can survive vibration levels as high as 500−1000 mm/s while loss of bonding and ejected rock will occur for vibration velocities higher than 1000 mm/s.
In this study, dynamic finite element models of rock and shotcrete subjected to stress waves have been developed using a finite element program. The models were evaluated and refined through comparisons between calculated and measured data. The simulations were performed using two-dimensional plane strain elements. The models describe several cases with respect to the position of the detonation point. The blast load is introduced in the model as an explosive material within the rock mass causing a vibrational energy after the detonation. Non-linear properties of the rock is introduced, making it possible to describe the detonation within the rock mass. To allow the stress wave to disperse, a relatively large volume of rock is modelled. The stresses that occur at the interface between the shotcrete and the rock, when the explosion occurs, are calculated with the purpose to demonstrate the variation of the stresses due to the delay time between two explosive charges.
Initially, the simulation of stress wave propagation through intact rock, from one explosive charge towards the shotcreted rock surface, has been performed. Then, the models are modified to include the effect of rock fractured due to contour blasting, where the charges are situated around the tunnel perimeter. The fractured rock is represented as a translating wedge, i.e. a single rigid body.
It is demonstrated that the numerical modelling adopted in this study is feasible, and allows predictions of the blasting vibration at the shotcrete-rock interface. The complex superposition of incident, reflected and transmitted stress waves at this interface can be illustrated by the results from the suggested numerical models.
Keywords: Shotcrete, Fractured rock, Vibration, Stress waves, Numerical analysis
Sammanfattning
Bergförstärkning är normalt anpassad för statiska belastningsförhållanden, men de flesta underjordiska byggnadsarbeten innebär användning av sprängämnen. Således är tunnlarna också utsätta för dynamisk belastning. Detonationen av sprängämnen vid konstruktion av tunnlar och underjordiska utrymmen leder till stötsvågor som propagerar genom berget och kan orsaka allvarliga skador på sprutbetong i t.ex. en angränsande tunnel. Slutsatsen från tidigare undersökningar är att sprutbetong kan motstå vibrationsnivåer så höga som 500 till 1000 mm/s, vid högre vibrationshastigheter kan partier med förlorad vidhäftning till berget och utstötning.
I denna studie har dynamiska finita elementmodeller av berg och sprutbetong utsatta för stötsvågor utvecklats med hjälp av ett finit elementprogram. Modellerna utvärderades och förfinades genom jämförelser mellan beräknade och uppmätta data. Simuleringarna utfördes med användning av två-dimensionella plana töjningselement. Modellerna beskriver flera fall avseende olika positionen för laddningar. Lasten från detonationen införs i modellen som ett sprängämne i bergmassan. Icke-linjära egenskaper för bergmaterial introduceras, vilket gör det möjligt att beskriva detonationen i bergmassan. En relativt stor volym berg modellerades för att tillåta stötsvågen att dispergera. De spänningar som uppkommer vid gränsytan mellan sprutbetong och berget på grund av explosionen beräknas i syfte att demonstrera variationen av spänningar orsakade av fördröjningstiden mellan två sprängladdningar.
Initialt simulerades vågutbredning i intakt berg, från sprängämnesladdningen till sprutbetongen. Därefter modifierades modellerna för att innefatta effekten av bergsprickor runt tunnelns omkrets på grund av sprängning. Det uppspruckna berget representeras därmed som en bergskil, d.v.s. ett styvt block avgränsat av fördefinierade sprickor.
Det visar sig att de antagna förutsättningarna för modellerna är lämpliga, och gör det möjligt att förutsäga vibrationer från sprängning. Den komplexa överlagringen av infallande stötvågor, som reflekteras och transmitteras vid gränsytan, illustreras av resultaten från de föreslagna numeriska modellerna.
Nyckelord: Sprutbetong, Sprucket berg, Vibration, Spänningsvågor, Numerisk analys