Behaviour of blast-induced damaged zone around underground excavations in hard rock mass

280 Pages·2008·6.43 MB·English

by  David Saiang

2008:60
DOCTORA L T H E S IS
D
a
v
id

S
a
ia
n
g

Behaviour of Blast-Induced Damaged
B
e
h
av Zone Around Underground Excavations
io
u
r

o
f in Hard Rock Mass
B
la
s
t-
I
n
d
u
c
e
d

D
a
m
a
g
e
d

Z
o
n
e
A
r
o
u
n
d David Saiang

U
n
d
e
r
g
r
o
u
n
d

E
x
c
a
v
a
tio
n
s

in

H
a
r
d

R
o
c
k

M Luleå University of Technology
a
s Department of Civil, Mining and Environmental Engineering
s

Division of Rock Mechanics
2
0
Universitetstryckeriet, Luleå 08 2008:60|: 02-5|: - -- 08 ⁄60 -- 
:6
0

Behaviour(cid:561)of(cid:561)Blast(cid:556)Induced(cid:561)Damaged(cid:561)
Zone(cid:561)Around(cid:561)Underground(cid:561)Excavations(cid:561)
in(cid:561)Hard(cid:561)Rock(cid:561)Mass(cid:561)
(cid:3)
(cid:3)
(cid:561)
by(cid:561)
(cid:561)
David(cid:561)Saiang(cid:561)
(cid:561)
(cid:561)
(cid:561)
(cid:561)
(cid:561)
Submitted(cid:561)in(cid:561)Fulfilment(cid:561)of(cid:561)the(cid:561)Thesis(cid:561)Requirement(cid:561)for(cid:561)the(cid:561)
Degree(cid:561)of(cid:561)
(cid:561)
Doctor(cid:561)of(cid:561)Philosophy(cid:561)in(cid:561)Rock(cid:561)Mechanics(cid:561)and(cid:561)Rock(cid:561)
Engineering(cid:561)
(cid:561)
(cid:561)
(cid:561)
(cid:561)
Division(cid:561)of(cid:561)Mining(cid:561)and(cid:561)Geotechnical(cid:561)Engineering(cid:561)
Department(cid:561)of(cid:561)Civil,(cid:561)Mining(cid:561)and(cid:561)Environmental(cid:561)Engineering,(cid:561)
Luleå(cid:561)University(cid:561)of(cid:561)Technology,(cid:561)Luleå,(cid:561)Sweden(cid:561)
(cid:561)
(cid:561)
November(cid:561)2008(cid:561)
©(cid:561)David(cid:561)Saiang(cid:561)2008(cid:561)(cid:561)
ii
To(cid:561)my(cid:561)mother(cid:561)and(cid:561)sister,(cid:561)Getrud(cid:561)and(cid:561)
Pricilla(cid:561)Saiang,(cid:561)who(cid:561)passed(cid:561)on(cid:561)during(cid:561)the(cid:561)
course(cid:561)of(cid:561)my(cid:561)PhD(cid:561)study.
iii
(cid:561)
iv
(cid:561)
(cid:561)
ACKNOWLEDGEMENT(cid:561)
This(cid:561) thesis(cid:561) would(cid:561) not(cid:561) have(cid:561) been(cid:561) possible(cid:561) without(cid:561) financial(cid:561) support,(cid:561)
supervision(cid:561)and(cid:561)encouragement(cid:561)from(cid:561)various(cid:561)individuals(cid:561)and(cid:561)organisations.(cid:561)
Banveket(cid:561)(the(cid:561)Swedish(cid:561)Rail(cid:561)Road(cid:561)Administration)(cid:561)is(cid:561)sincerely(cid:561)acknowledged(cid:561)
for(cid:561)being(cid:561)the(cid:561)major(cid:561)financial(cid:561)sponsor(cid:561)of(cid:561)the(cid:561)research(cid:561)work(cid:561)published(cid:561)in(cid:561)this(cid:561)
thesis.(cid:561)Other(cid:561)financial(cid:561)sponsors(cid:561)during(cid:561)the(cid:561)course(cid:561)of(cid:561)the(cid:561)study(cid:561)include(cid:561)LKAB,(cid:561)
Rock(cid:561)Tech(cid:561)Centre(cid:561)AB(cid:561)and(cid:561)Luleå(cid:561)University(cid:561)of(cid:561)Technology.(cid:561)(cid:561)
(cid:561)
Professor(cid:561) Erling(cid:561) Nordlund(cid:561) is(cid:561) greatly(cid:561) acknowledged(cid:561) for(cid:561) providing(cid:561) the(cid:561)
supervision(cid:561)and(cid:561)for(cid:561)having(cid:561)the(cid:561)confidence(cid:561)in(cid:561)me(cid:561)during(cid:561)the(cid:561)research(cid:561)work.(cid:561)He(cid:561)
also(cid:561) ensured(cid:561) that(cid:561) this(cid:561) thesis(cid:561) is(cid:561) of(cid:561) acceptable(cid:561) quality.(cid:561) His(cid:561) family(cid:561) is(cid:561)
acknowledged(cid:561)for(cid:561)providing(cid:561)friendship.(cid:561)(cid:561)
(cid:561)
I(cid:561)am(cid:561)very(cid:561)grateful(cid:561)to(cid:561)my(cid:561)assistant(cid:561)supervisor(cid:561)Dr.(cid:561)Ping(cid:561)Zhang.(cid:561)His(cid:561)constructive(cid:561)
inputs(cid:561)and(cid:561)thorough(cid:561)reading(cid:561)of(cid:561)this(cid:561)thesis(cid:561)is(cid:561)sincerely(cid:561)acknowledged.(cid:561)My(cid:561)
colleagues(cid:561)and(cid:561)friends(cid:561)at(cid:561)the(cid:561)Division(cid:561)of(cid:561)Mining(cid:561)and(cid:561)Geotechnical(cid:561)Engineering(cid:561)
are(cid:561)thanked(cid:561)for(cid:561)friendship(cid:561)and(cid:561)support.(cid:561)Tomas(cid:561)Villegas(cid:561)(Tech.(cid:561)Lic.)(cid:561)was(cid:561)a(cid:561)
valuable(cid:561)asset(cid:561)for(cid:561)my(cid:561)numerical(cid:561)modelling(cid:561)work.(cid:561)Lars(cid:561)Malmgren(cid:561)(PhD)(cid:561)was(cid:561)
my(cid:561)partner(cid:561)in(cid:561)the(cid:561)early(cid:561)stages(cid:561)of(cid:561)my(cid:561)research.(cid:561)The(cid:561)folks(cid:561)at(cid:561)Test(cid:561)Lab(cid:561)are(cid:561)greatly(cid:561)
acknowledged(cid:561) for(cid:561) having(cid:561) the(cid:561) confidence(cid:561) to(cid:561) let(cid:561) me(cid:561) use(cid:561) the(cid:561) laboratory(cid:561)
equipment(cid:561)with(cid:561)minimal(cid:561)supervision.(cid:561)Special(cid:561)thanks(cid:561)to(cid:561)SveBeFo(cid:561)personnel(cid:561)for(cid:561)
letting(cid:561)me(cid:561)make(cid:561)a(cid:561)summary(cid:561)of(cid:561)the(cid:561)SveBeFo(cid:561)publications(cid:561)on(cid:561)blast(cid:556)induced(cid:561)
damage.(cid:561)Professor(cid:561)Finn(cid:561)Ouchterlony(cid:561)provoked(cid:561)my(cid:561)thoughts(cid:561)whenever(cid:561)he(cid:561)
visited.(cid:561) Ms.(cid:561) Christine(cid:561) Saiang(cid:561) is(cid:561) acknowledged(cid:561) for(cid:561) checking(cid:561) the(cid:561) english(cid:561)
grammar.(cid:561)
(cid:561)
The(cid:561)Papua(cid:561)New(cid:561)Guinea(cid:561)University(cid:561)of(cid:561)Technology(cid:561)provided(cid:561)financial(cid:561)support(cid:561)
for(cid:561)my(cid:561)family(cid:561)until(cid:561)the(cid:561)end(cid:561)of(cid:561)2007.(cid:561)For(cid:561)that(cid:561)they(cid:561)are(cid:561)greatly(cid:561)acknowledged.(cid:561)I(cid:561)
am(cid:561)also(cid:561)very(cid:561)grateful(cid:561)for(cid:561)my(cid:561)relatives(cid:561)and(cid:561)friends(cid:561)in(cid:561)Papua(cid:561)New(cid:561)Guinea(cid:561)who(cid:561)
gave(cid:561)me(cid:561)encouragement(cid:561)and(cid:561)moral(cid:561)support.(cid:561)
(cid:561)
Finally,(cid:561)I(cid:561)am(cid:561)greatly(cid:561)indebted(cid:561)to(cid:561)my(cid:561)wife,(cid:561)Christine,(cid:561)and(cid:561)two(cid:561)daughters,(cid:561)
Hannah(cid:561)and(cid:561)Ruth.(cid:561)They(cid:561)have(cid:561)borne(cid:561)with(cid:561)me(cid:561)throughout(cid:561)the(cid:561)course(cid:561)of(cid:561)this(cid:561)
study(cid:561)and(cid:561)had(cid:561)so(cid:561)much(cid:561)patience(cid:561)with(cid:561)my(cid:561)melancholy(cid:561)temperaments(cid:561)and(cid:561)
v
(cid:561)
“unhappy(cid:561)life!”(cid:561)I(cid:561)am(cid:561)grateful(cid:561)for(cid:561)the(cid:561)closure(cid:561)of(cid:561)this(cid:561)chapter(cid:561)and(cid:561)am(cid:561)now(cid:561)
looking(cid:561)forward(cid:561)to(cid:561)a(cid:561)calmer(cid:561)one.(cid:561)(cid:561)
(cid:561)(cid:561)
In(cid:561)all(cid:561)and(cid:561)above(cid:561)all,(cid:561)I(cid:561)thank(cid:561)the(cid:561)Lord(cid:561)all(cid:561)Mighty(cid:561)in(cid:561)whom(cid:561)comes(cid:561)all(cid:561)the(cid:561)
treasurers(cid:561)of(cid:561)knowledge(cid:561)and(cid:561)wisdom(cid:561)(Col.(cid:561)3:2).(cid:561)(cid:561)
(cid:561)
(cid:561)
David(cid:561)Saiang(cid:561)
October(cid:561)2008,(cid:561)Luleå,(cid:561)Sweden(cid:561)
(cid:561)
vi
(cid:561)
(cid:561)
(cid:561)
PREFACE(cid:561)
This(cid:561)thesis(cid:561)is(cid:561)written(cid:561)in(cid:561)fulfilment(cid:561)of(cid:561)the(cid:561)thesis(cid:561)requirement(cid:561)for(cid:561)the(cid:561)degree(cid:561)of(cid:561)
Doctor(cid:561)Philosophy(cid:561)in(cid:561)Rock(cid:561)Mechanics(cid:561)and(cid:561)Rock(cid:561)Engineering.(cid:561)The(cid:561)Division(cid:561)of(cid:561)
Mining(cid:561)and(cid:561)Geotechnical(cid:561)Engineering(cid:561)within(cid:561)the(cid:561)Department(cid:561)of(cid:561)Civil,(cid:561)Mining(cid:561)
and(cid:561)Environmental(cid:561)Engineering(cid:561)at(cid:561)Luleå(cid:561)University(cid:561)of(cid:561)Technology(cid:561)provided(cid:561)
the(cid:561)environment(cid:561)and(cid:561)facility(cid:561)for(cid:561)the(cid:561)production(cid:561)of(cid:561)the(cid:561)thesis.(cid:561)The(cid:561)thesis(cid:561)itself(cid:561)is(cid:561)
the(cid:561)result(cid:561)of(cid:561)the(cid:561)work(cid:561)sponsored(cid:561)by(cid:561)the(cid:561)Banverket(cid:561)to(cid:561)study(cid:561)the(cid:561)behaviour(cid:561)and(cid:561)
influence(cid:561)of(cid:561)blast(cid:556)induced(cid:561)damaged(cid:561)rock(cid:561)around(cid:561)an(cid:561)underground(cid:561)excavation.(cid:561)
It(cid:561)is(cid:561)presented(cid:561)in(cid:561)two(cid:561)parts(cid:561)as:(cid:561)
(cid:561)
I. Extended(cid:561)summary(cid:561)–(cid:561)covers;(cid:561)(i)(cid:561)introduction,(cid:561)background(cid:561)and(cid:561)research(cid:561)
direction,(cid:561)(ii)(cid:561)literature(cid:561)review,(cid:561)(iii)(cid:561)investigation,(cid:561)analysis(cid:561)and(cid:561)results,(cid:561)and(cid:561)
(iv)(cid:561)general(cid:561)conclusions(cid:561)and(cid:561)suggestions(cid:561)for(cid:561)future(cid:561)work.(cid:561)
(cid:561)
II. Appended(cid:561) papers(cid:561) –(cid:561) presents(cid:561) the(cid:561) peer(cid:556)reviewed(cid:561) papers,(cid:561) which(cid:561) cover(cid:561)
various(cid:561)research(cid:561)questions(cid:561)within(cid:561)the(cid:561)scope(cid:561)of(cid:561)this(cid:561)thesis.(cid:561)(cid:561)(cid:561)(cid:561)
(cid:561)
It(cid:561)is(cid:561)anticipated(cid:561)that(cid:561)the(cid:561)work(cid:561)presented(cid:561)in(cid:561)this(cid:561)thesis(cid:561)will(cid:561)contribute(cid:561)towards(cid:561)
the(cid:561)understanding(cid:561)of(cid:561)the(cid:561)mechanical(cid:561)behaviour(cid:561)of(cid:561)the(cid:561)blast(cid:556)induced(cid:561)damaged(cid:561)
zone(cid:561)around(cid:561)underground(cid:561)excavations(cid:561)in(cid:561)hard(cid:561)rock(cid:561)masses.(cid:561)(cid:561)
(cid:561)
Blast(cid:556)induced(cid:561) damaged(cid:561) rock(cid:561) around(cid:561) an(cid:561) underground(cid:561) excavation(cid:561) is(cid:561) an(cid:561)
important(cid:561)concern(cid:561)for(cid:561)many(cid:561)rock(cid:561)tunnel(cid:561)operators,(cid:561)including(cid:561)Banverket.(cid:561)It(cid:561)is(cid:561)a(cid:561)
generally(cid:561)held(cid:561)belief(cid:561)that(cid:561)the(cid:561)presence(cid:561)of(cid:561)the(cid:561)blast(cid:556)induced(cid:561)damaged(cid:561)zone(cid:561)can(cid:561)
affect(cid:561)the(cid:561)stability(cid:561)and(cid:561)performance(cid:561)of(cid:561)an(cid:561)underground(cid:561)excavation.(cid:561)However,(cid:561)
it(cid:561)is(cid:561)still(cid:561)unclear(cid:561)how(cid:561)it(cid:561)does(cid:561)that,(cid:561)since(cid:561)many(cid:561)of(cid:561)the(cid:561)conclusions(cid:561)about(cid:561)its(cid:561)
effects(cid:561)are(cid:561)based(cid:561)on(cid:561)human(cid:561)judgements(cid:561)and(cid:561)intuitions.(cid:561)Even(cid:561)if(cid:561)it(cid:561)is(cid:561)does(cid:561)then(cid:561)
one(cid:561)of(cid:561)the(cid:561)many(cid:561)questions(cid:561)that(cid:561)need(cid:561)to(cid:561)be(cid:561)answered(cid:561)is(cid:561)how(cid:561)significant(cid:561)its(cid:561)
influence(cid:561)is(cid:561)to(cid:561)the(cid:561)behaviour(cid:561)of(cid:561)the(cid:561)excavation.(cid:561)Unless(cid:561)we(cid:561)know(cid:561)more(cid:561)about(cid:561)
the(cid:561)behaviour(cid:561)of(cid:561)the(cid:561)blast(cid:556)induced(cid:561)damaged(cid:561)zone(cid:561)we(cid:561)will(cid:561)still(cid:561)need(cid:561)guidelines(cid:561)
for(cid:561)blast(cid:561)damage(cid:561)control,(cid:561)even(cid:561)if(cid:561)these(cid:561)guidelines(cid:561)can(cid:561)be(cid:561)a(cid:561)source(cid:561)of(cid:561)additional(cid:561)
costs.(cid:561)It(cid:561)was(cid:561)felt(cid:561)during(cid:561)the(cid:561)course(cid:561)of(cid:561)the(cid:561)work(cid:561)presented(cid:561)in(cid:561)this(cid:561)thesis(cid:561)that,(cid:561)
vii
much(cid:561)still(cid:561)needs(cid:561)to(cid:561)be(cid:561)done(cid:561)before(cid:561)any(cid:561)decision(cid:561)can(cid:561)be(cid:561)taken(cid:561)about(cid:561)when,(cid:561)
where(cid:561)and(cid:561)how,(cid:561)blast(cid:561)damage(cid:561)control(cid:561)guidelines(cid:561)can(cid:561)be(cid:561)applied(cid:561)to(cid:561)optimise(cid:561)
the(cid:561)construction(cid:561)of(cid:561)a(cid:561)tunnel.(cid:561)(cid:561)(cid:561)
(cid:561)
(cid:561)
David(cid:561)Saiang(cid:561)
October(cid:561)2008,(cid:561)Luleå,(cid:561)Sweden(cid:561)
viii