Utilisation d’une méthode sans maillage pour étudier les effets de la pression de confinement sur les processus de fracturation hydraulique des tunnels hydrauliques

Pourquoi il importe de casser la roche avec de l’eau

À mesure que les villes s’étendent et que des pays déplacent davantage d’eau et d’énergie sous terre, les ingénieurs creusent des tunnels plus longs et plus profonds à travers des roches dures. Loin sous la surface, ces tunnels subissent d’énormes pressions exercées par le terrain environnant et par l’eau qui circule dans les fissures. Lorsque de l’eau sous pression force la roche à se séparer — un processus appelé fracturation hydraulique — cela peut déclencher des entrées d’eau soudaines, des épanchements de boue, voire l’effondrement du tunnel. Cette étude utilise un nouveau type de modélisation informatique pour observer, avec beaucoup de détails, comment des fissures se forment et se propagent autour d’un tunnel rempli d’eau selon différentes conditions de pression souterraine, offrant des pistes pour concevoir et exploiter des tunnels en sécurité.

Une nouvelle façon d’observer la rupture de la roche

Les méthodes informatiques traditionnelles pour simuler la rupture des roches divisent le sol en une grille rigide. Cela fonctionne bien jusqu’à l’apparition de fissures et au moment où la roche commence à se séparer, à se tordre et à se ramifier de façon complexe. La grille doit alors être constamment mise à jour, ce qui est lent et peut échouer facilement. Les auteurs s’appuient plutôt sur une méthode « sans maillage » connue sous le nom de Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Dans cette approche, la roche et l’eau sont représentées par des nuages de particules discrètes qui interagissent entre elles. En l’absence de grille fixe, de grandes déformations, de nouvelles fissures et des réseaux de fractures ramifiés peuvent apparaître naturellement au cours de la simulation.

Transformer tunnels et eau en particules

Dans le modèle, un bloc carré de roche de 50 mètres sur 50 contient un tunnel central en forme de fer à cheval d’un diamètre de 9 mètres. La roche est représentée par des milliers de « particules de base », tandis que l’eau à l’intérieur du tunnel et dans les fractures est représentée par des « particules d’eau ». À mesure que la pression de l’eau simulée à l’intérieur du tunnel augmente dans le temps, des forces sont transmises entre particules d’eau et de roche selon des règles simples : l’eau pousse vers l’extérieur, la roche résiste et les contraintes se concentrent dans certaines régions. Chaque particule de roche est constamment contrôlée — si la force d’arrachement locale dépasse la résistance à la traction de la roche, cette particule est marquée comme défaillante et ne porte plus de contrainte, imitant un petit élément de nouvelle fissure. En mettant à jour des millions de ces interactions particulaires, le modèle peut suivre comment les fissures s’initient, croissent, se ramifient et finissent par traverser l’ensemble du massif rocheux.

Comment l’écrasement souterrain dirige les fissures

Un point central de l’étude est la « pression de confinement », l’effet d’écrasement que le terrain environnant exerce horizontalement et verticalement sur le tunnel. Les auteurs examinent plusieurs cas où le rapport entre la contrainte horizontale et la contrainte verticale varie. Lorsque ce rapport est faible — c’est‑à‑dire que l’écrasement vertical domine — les fissures déclenchées par l’augmentation de la pression de l’eau commencent aux coins inférieurs du tunnel, où la contrainte est la plus élevée, et se propagent principalement vers le haut. Le réseau de fractures résultant ressemble à un motif arborescent clairsemé de branches verticales. À mesure que la contrainte horizontale devient plus importante, des fissures secondaires à la surface du tunnel et aux extrémités des fissures principales commencent à se propager latéralement, rendant le motif global plus complexe et plus étendu.

Des arbres simples aux flocons de neige de fissures

À mesure que la contrainte horizontale se rapproche de la contrainte verticale, les réseaux de fissures changent de caractère. Pour des rapports intermédiaires, le motif devient en « M », avec de fortes fissures verticales rejointes par des branches latérales prononcées qui arquent vers l’extérieur. À des rapports encore plus élevés, le réseau de fissures ressemble à un flocon de neige : des branches verticales et horizontales sont toutes deux bien développées et les fractures se propagent plus uniformément dans toutes les directions autour du tunnel. Dans ces cas, le tunnel lui‑même se déforme plus nettement avant la rupture complète, et la croissance des fissures ralentit à mesure que la pression de confinement globale augmente. Dans tous les scénarios toutefois, une caractéristique reste constante : les premières fissures commencent presque toujours aux coins du tunnel en fer à cheval, où les contraintes se concentrent naturellement.

Ce que cela signifie pour les tunnels réels

L’étude montre qu’une approche SPH sans maillage peut reproduire fidèlement des motifs de fissures complexes autour de tunnels hydrauliques profonds et révéler comment différentes conditions de contrainte façonnent ces motifs. Pour les ingénieurs, le message est simple : lorsqu’une contrainte verticale domine, il faut se concentrer sur les fissures hautes et verticales qui peuvent se connecter soudainement au tunnel à des couches aquifères éloignées. Lorsque la contrainte horizontale est forte, des fissures latérales et des réseaux de fractures en forme de flocon deviennent plus probables, appelant des renforcements supplémentaires autour des parois et des coins du tunnel. En reliant les conditions de contrainte souterraine à des formes de fissures prévisibles, ce travail fournit un outil pratique pour aider à anticiper et prévenir les défaillances liées à l’eau dans les projets de tunnels profonds.

Citation: 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

Mots-clés: tunnels hydrauliques, fracturation hydraulique, fissures dans la roche, eau souterraine, simulation numérique