ひび割れ閉鎖率で支配される周辺岩盤の時間依存機械挙動と支保時期

地下での緩やかな岩盤変動が重要な理由

深部の発電所やトンネルは、発破後も長期間にわたって動き続ける岩盤の中に掘られます。その緩やかなクリープ運動は当初、微小な亀裂を閉じさせますが、数か月から数年のうちに亀裂を拡げて掘削周辺の岩盤を脆弱化させることがあります。本稿は、中国の大規模な水力発電サイトで得られた硬い花崗岩において、そうした静かな損傷がどのように、いつ蓄積するかを検討し、岩盤が突然破壊するのではなく自ら荷重を支えられるように、いつエンジニアが支保を設置すべきかを判断する新しい方法を提案します。

花崗岩がゆっくり崩れていく様子を観察する

研究者らは、数百メートルの山体内部に埋設された大規模水力発電所、双江口（Shuangjiangkou）地下発電所から採取した花崗岩を用いました。実験室では、深部で岩が受ける様々な応力状態を模擬して円柱試料に圧縮を加えました。単に一回で破壊させるのではなく、クリープ試験を行い、応力を段階的に増加させ各段階で長時間一定に保ちながら長さや径の微小変化を記録しました。これにより、岩盤が最初に速やかに変形し、その後緩やかでほぼ定常的な変化に落ち着き、最終的に内部の亀裂が連結して破壊へ加速する過程を捉えられました。

岩盤内部の隠れた亀裂を読み取る新手法

従来のモデルは、荷重印加時の初期の変位は純粋に弾性的（荷を除くと戻るバネのような挙動）であると仮定しがちです。しかし、硬い岩石には多数の既存微細亀裂があり、閉じたり動いたり再び開いたりするため、その仮定は単純すぎます。著者らは「ひび割れ閉鎖率」という指標を導入し、微小亀裂が完全閉鎖からどれだけ開いたかを表す数値で記述しました。この閉鎖率を標準的な応力―ひずみ測定と組み合わせることで、通常の回復可能な変形と亀裂成長に伴う追加的な不可逆変形を明確に分離しました。さらに、これらの影響を荷重軸方向とトンネルや洞室の壁から外向きに広がる半径方向の2方向で追跡しました。

長期強度を支配するのは横方向の亀裂

試験の結果、岩盤の長期強度は等方的ではないことが示されました。定常クリープが突然暴走的変形に移行する応力を比較したところ、地下空間から外向きに拡大する半径方向の亀裂が、主荷重方向の亀裂よりも低い応力で臨界状態に達しました。言い換えれば、岩盤は鉛直方向に弱くなる前に、横方向に危険なほど弱くなります。著者らはこの転換に関連するひび割れ閉鎖率の閾値を定義し、時間依存モデルを構築しました。このモデルは、特に掘削周辺で破壊を最も強く支配する半径方向において、異なる応力条件下で亀裂がいつどの程度拡張するかを予測します。

実地での安全性へとつなげる

現場での適用性を検証するため、研究者らは双江口発電所の掘削に関する数値シミュレーションに、自らのひび割れベースのクリープモデルを組み込みました。周辺岩盤を現地応力に基づいてゾーニングし、掘削の各段階後に損傷が時間とともにどのように広がるかをモデルで追跡しました。シミュレーションは、変位や亀裂のパターンが監視データや梁の変形、新たな裂開といった目視可能な損傷と良く一致する結果を示しました。半径方向のひび割れ閉鎖率を用いて、著者らは洞室周辺の岩盤を無損傷から完全破壊までの5つのゾーンに分類し、各ゾーンを実験室試験から事前に推定可能な閉鎖率の範囲に対応づけました。

岩盤に支保する適切な時機の選定

実務上の最も有用な成果は、支保の時期表です。研究は、岩盤がまだ大部分自支持できる状態とほとんど強度を失った状態を分ける臨界的なひび割れ閉鎖率を特定しました。洞室周囲の各位置がいつこの境界を越えるかを算出することで、著者らは段階的な支保区分を提案します：破壊がほぼ即時に始まるため即時支保が必要な場所、損傷がよりゆっくり進行するため遅延支保のいくつかのレベル、そして大部分の変動が落ち着いた後の最終的な「安定化」支保です。この手法により、設計者は岩盤が可能な限り自重を負うように支保を計画でき、材料とコストを節約しつつ、緩やかな時間依存亀裂成長による突然の崩壊を回避できます。

引用: Qian, L., Yao, T., Liu, E. et al. Time-dependent mechanical behavior and support timing of surrounding rock governed by crack closure ratio. Sci Rep 16, 9696 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39707-w

キーワード: 岩石クリープ, 地下洞室, 微細亀裂, 支保設計, 花崗岩の安定性