Untersuchung der Auswirkungen von Einschlussdruck auf hydraulische Sprengvorgänge in Wassertunneln mit einer netzfreien Methode

Warum das Aufbrechen von Gestein durch Wasser wichtig ist

Mit dem Wachstum von Städten und der Verlagerung von Wasser- und Energieinfrastrukturen in den Untergrund graben Ingenieure längere und tiefere Tunnel durch hartes Gestein. Tief unter der Oberfläche sind diese Tunnel hohen Drücken durch das umgebende Gestein und durch Wasser in Rissen ausgesetzt. Wenn unter Druck stehendes Wasser Gestein auseinandertreibt – ein Prozess, der als hydraulische Sprengung bezeichnet wird – kann das plötzliche Wassereinbrüche, Schlammausbrüche oder sogar den Einsturz eines Tunnels auslösen. Diese Untersuchung verwendet eine neue Art der Computermodellierung, um detailliert zu beobachten, wie Risse um einen wassergefüllten Tunnel unter unterschiedlichen unterirdischen Druckbedingungen entstehen und sich ausbreiten, und liefert damit Hinweise für sicherere Tunnelplanung und -betrieb.

Eine neue Methode, um das Brechen von Gestein zu verfolgen

Konventionelle Computerverfahren zur Simulation von Gesteinsversagen teilen das Gelände in ein starr definiertes Netz ein. Das funktioniert gut, solange keine Risse auftreten und das Gestein nicht beginnt, sich zu trennen, zu verdrehen oder stark zu verzweigen. Dann muss das Netz ständig angepasst werden, was langsam ist und leicht versagen kann. Die Autorinnen und Autoren setzen stattdessen auf eine „netzfreie“ Methode, bekannt als Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Bei diesem Ansatz werden Gestein und Wasser als Wolken diskreter Partikel dargestellt, die miteinander wechselwirken. Da es kein festes Gitter gibt, können große Deformationen, neue Risse und verzweigte Bruchnetzwerke während der Simulation natürlich entstehen.

Tunnel und Wasser in Partikel verwandeln

Im Modell enthält ein quadratischer Gesteinsblock von 50 mal 50 Metern einen zentralen hufeisenförmigen Tunnel mit 9 Metern Durchmesser. Das Gestein wird durch tausende „Basispartikel“ dargestellt, während das Wasser im Tunnel und in eventuell entstehenden Rissen durch „Wasserpartikel“ repräsentiert wird. Wenn der simulierte Wasserdruck im Tunnel mit der Zeit ansteigt, werden Kräfte zwischen Wasser- und Gesteinspartikeln nach einfachen Regeln übertragen: Wasser drückt nach außen, Gestein wehrt sich, und Spannungen konzentrieren sich in bestimmten Bereichen. Jedes Gesteinspartikel wird ständig überprüft – übersteigt die lokale Zugkraft die Zugfestigkeit des Gesteins, wird dieses Partikel als versagt markiert und trägt keine Spannungen mehr, was ein winziges Stückchen neuen Risses nachbildet. Durch das Aktualisieren von Millionen solcher Partikelwechselwirkungen kann das Modell verfolgen, wie Risse initiieren, wachsen, verzweigen und schließlich das gesamte Gesteinsvolumen durchschneiden.

Wie unterirdisches Zusammendrücken Risse lenkt

Ein Schwerpunkt der Studie ist der „Einschlussdruck“, der das horizontale und vertikale Zusammendrücken beschreibt, das das umgebende Gestein auf den Tunnel ausübt. Die Autorinnen und Autoren untersuchen mehrere Fälle, in denen sich das Verhältnis von horizontaler zu vertikaler Spannung ändert. Ist dieses Verhältnis niedrig – das heißt, vertikales Zusammendrücken dominiert – beginnen durch steigenden Wasserdruck ausgelöste Risse an den unteren Ecken des Tunnels, wo die Spannung am höchsten ist, und wachsen überwiegend gerade nach oben. Das resultierende Bruchnetz ähnelt einem lichten, baumförmigen Muster mit vertikalen Verzweigungen. Mit zunehmender Bedeutung der Horizontalspannung breiten sich Sekundärrisse an der Tunneloberfläche und an den Spitzen der Haupt­risse seitlich aus, sodass das Gesamtmuster komplexer und weiter verteilt wird.

Von einfachen Bäumen zu schneeflockenartigen Rissmustern

Wenn die Horizontalspannung der Vertikalspannung näher kommt, ändert sich der Charakter der Rissnetzwerke. Bei mittleren Verhältnissen entsteht ein „M‑förmiges“ Muster, mit starken vertikalen Rissen, die von ausgeprägten Seitenästen begleitet werden, die nach außen bogenförmig verlaufen. Bei noch höheren Verhältnissen ähnelt das Rissnetz einer Schneeflocke: vertikale und horizontale Äste sind gleichermaßen entwickelt, und Brüche breiten sich gleichmäßiger in alle Richtungen um den Tunnel aus. In diesen Fällen verformt sich der Tunnel selbst vor dem vollständigen Versagen deutlicher, und das Risswachstum verlangsamt sich, wenn der Gesamteinschlussdruck zunimmt. Über alle Szenarien hinweg bleibt jedoch ein Merkmal konstant: Die ersten Risse beginnen nahezu immer an den Ecken des hufeisenförmigen Tunnels, wo Spannungen natürlicherweise konzentriert sind.

Bedeutung für reale Tunnel

Die Studie zeigt, dass ein netzfreier SPH‑Ansatz komplexe Rissmuster um tiefe Wasser­tunnel realistisch nachbilden und offenlegen kann, wie unterschiedliche Spannungsbedingungen diese Muster formen. Für Ingenieurinnen und Ingenieure ist die Botschaft klar: Dominiert die Vertikalspannung, sollte der Fokus auf hohen, vertikalen Rissen liegen, die den Tunnel plötzlich mit entfernten wasserführenden Schichten verbinden können. Bei starker Horizontalspannung werden seitliche Risse und schneeflockenartige Bruchnetzwerke wahrscheinlicher, was zusätzliche Verstärkungen an Tunnelwänden und -ecken erfordert. Indem diese Arbeit unterirdische Spannungsbedingungen mit vorhersehbaren Rissformen verknüpft, liefert sie ein praktisch einsetzbares Werkzeug, um gefährliche wasserbedingte Schäden bei tiefen Tunnelprojekten besser vorherzusehen und zu verhindern.

Zitation: Zhang, H., Shi, Y., Mu, J. et al. Using a meshless method to investigate the effects of confining pressure on the hydraulic fracturing processes of hydraulic tunnels. Sci Rep 16, 5702 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36426-0

Schlüsselwörter: Wassertunnel, Hydraulische Sprengung, Gesteinsrisse, unterirdisches Wasser, numerische Simulation