メッシュレス法を用いて地下圧力が水圧掘削トンネルの水力破砕過程に与える影響を調査する

なぜ水で岩を破ることが重要か

都市が拡大し、水やエネルギーを地下に移す流れが進む中で、技術者は硬い岩盤をより長く、より深く掘削するようになっています。地表から遠く離れた場所では、これらのトンネルは周囲の地盤や亀裂を通って押し寄せる水から大きな圧力を受けます。加圧された水が岩を押し広げる──いわゆる水力破砕──は、突発的な湧水、泥出、あるいはトンネル崩壊を引き起こすことがあります。本研究は新しい種類の計算モデルを用いて、異なる地下圧力条件下で水が満たされたトンネル周辺で亀裂がどのように発生し広がるかを詳細に観察し、安全なトンネル設計と運用のための示唆を提供します。

岩の破壊を観察する新しい方法

従来の岩盤破壊の数値手法は、地盤を固定格子に分割して扱います。これは亀裂が現れる前までは有効ですが、岩が分離・回転・分岐を始めると格子の更新が必要になり、処理が遅くなったり失敗しやすくなったりします。著者らは代わりに、Smoothed Particle Hydrodynamics（SPH）として知られる「メッシュレス」法を採用しました。この手法では岩や水を互いに相互作用する離散的な粒子の集合として表現します。固定格子がないため、大きな変形や新しい亀裂、分岐する破砕ネットワークがシミュレーションの進行に伴って自然に現れます。

トンネルと水を粒子に変える

モデルでは、50メートル×50メートルの正方形岩塊の中央に直径9メートルの馬蹄形トンネルが配置されています。岩盤は数千の「基礎粒子」で表され、トンネル内や亀裂内の水は「水粒子」で表現されます。トンネル内部の水圧が時間とともに上昇すると、水と岩の粒子間で単純な規則に従って力が伝達されます：水は外側へ押し、岩は抵抗し、応力は特定の領域に集中します。各岩粒子は常にチェックされ、局所的な引張力が岩の引張強度を超えるとその粒子は破壊としてマークされ応力を負わなくなり、新しい微小亀裂の一片を模倣します。こうした粒子間相互作用を何百万回と更新することで、亀裂がどのように発生し成長し分岐し、最終的に岩塊を横断するまでを追跡できます。

地下の締め付けが亀裂の向きを決める

本研究の重要な焦点は「周圧（コンファイニングプレッシャー）」であり、トンネルに対して周囲の地盤が水平方向および鉛直方向に与える締め付け効果です。著者らは水平方向応力と鉛直方向応力の比が変化する複数のケースを検討しました。この比が低い、つまり鉛直方向の締め付けが支配的な場合、上昇する水圧によって誘発される亀裂は応力が最も高いトンネルの下側隅で発生し、主に真上に向かって伸びます。その結果生じる破砕ネットワークは、垂直方向の細い枝がまばらに伸びる樹状パターンのように見えます。水平方向応力の影響が大きくなるにつれて、トンネル表面や主要亀裂の先端からの二次的な亀裂が横方向に広がり始め、全体のパターンはより複雑で広範に分布するようになります。

単純な樹状から雪の結晶のような亀裂へ

水平方向応力が鉛直方向応力に近づくにつれて、亀裂ネットワークの性質は変化します。中間的な比率では、縦に走る強い亀裂に加えて外側に弧を描くようなはっきりした側枝が結合した「M字型」のパターンが現れます。さらに比率が高くなると、ネットワークは雪の結晶のようになり、垂直方向と水平方向の枝がともに発達し、トンネルの周囲により均等に亀裂が広がります。これらのケースではトンネル自体が完全な破壊に至る前により顕著に変形し、全体的な周圧が増すにつれて亀裂の成長速度は遅くなります。しかし、すべてのシナリオに共通する特徴が一つあります：最初の亀裂はほとんど常に馬蹄形トンネルの角で始まるという点です。そこでは応力が自然に集中します。

実際のトンネルにとっての意味

この研究は、メッシュレスのSPHアプローチが深部の水圧トンネル周辺に現れる複雑な亀裂パターンを忠実に再現し、異なる応力条件がそれらのパターンをどのように形成するかを明らかにできることを示しています。技術者への示唆は明確です：鉛直応力が支配的な場所では、高く伸びる垂直亀裂に注意を払い、それらが突然トンネルを遠方の帯水層と連結してしまう可能性を考慮すべきです。水平方向応力が強い場合は、横方向の亀裂や雪の結晶状の破砕ネットワークが生じやすく、トンネル壁や角部の補強を強化する必要があります。地下の応力条件を予測可能な亀裂形状に結び付けることで、本研究は深部トンネルプロジェクトにおける水に起因する危険な事象を予測・防止するための実用的な手段を提供します。

引用: 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

キーワード: 水力トンネル, 水力破砕, 岩石の亀裂, 地下水, 数値シミュレーション