フーク・ブラウン基準に基づく高度なひずみ軟化モデルを用いた深部道路周辺岩盤安定性の数値シミュレーションに関する研究

なぜトンネル周辺の地盤が重要なのか

鉱山や地下輸送トンネルがより深くなるにつれ、これらの掘削空間を取り巻く岩盤は破壊に近い状態に追い込まれます。岩盤が割れ、膨張し始めると、鋼製支保が座屈したり、崩落がトンネルを埋め、作業者の安全を脅かすことがあります。本研究は実務的で安全性と経済性に直結する問いを扱います：掘削後の深部岩盤の挙動をより精度よく予測できるコンピュータモデルを用いれば、現実に即した支保設計が可能になるか？という点です。

単純な岩盤挙動を超えて見る

従来の設計手法は、岩盤をほぼ弾性的で破壊後は単純に弱くなる材料として扱うことが多いです。しかし深部鉱山での観察はより複雑な挙動を示します：ピーク強度到達後に剛性が低下し、強度が失われ、割れが発生し、破片の再配列に伴って体積が増すこともあります。著者らはIMASSと呼ばれる“高度なひずみ軟化”モデルに注目します。これは広く用いられる岩盤強度則であるフーク–ブラウン基準の上に構築され、破壊後に起こる四つの主要な挙動を捉えようとします：結合力と引張強度の低下、破砕片間の摩擦増加、剛性の漸進的な軟化、そして脆性的破壊からより延性的・塑性的な流動への遷移です。

新モデルが割れた岩盤をどう表現するか

IMASSモデルはトンネル周辺の岩盤の変化を段階的に表現します。まずはまだ健全なピーク強度状態。応力が許容値を超えると、破壊後の段階に入り、割れが生じて粘着力が低下しますが、破砕片はなお噛み合い比較的密な状態にあります。さらに変形が進むと最終状態に向かい、破砕片が再配列して空隙率が約40％に達し、岩盤は粒状堆積物のように振る舞います。モデルはこれらの段階を、地質強度指数（岩盤品質の評価）、室内試験で得られる圧縮強度、塑性せん断ひずみの蓄積速度を示すパラメータなどの計測可能な量に結びつけます。また、弾性剛性やせん断時の体積膨張（膨潤）傾向が損傷に応じて変化することも許容します。

どの岩盤特性が重要かを検証する

これらの要素がトンネル安定性にどのように影響するかを調べるため、著者らは地下約1000メートルの深さにある典型的な半円形断面を持つ深部道路の三次元数値モデルを構築しました。特性群を一つずつ変えながら体系的にシミュレーションを実行しました。岩盤品質を低質から高質へ変化させることで、結合力と引張強度の劣化、内部摩擦の増加、塑性域やトンネル周辺の変位の広がりがどのように変わるかを観察しました。次に弾性率の軟化をオン・オフし、せん断膨潤（せん断に伴う体積膨張）の影響を調べ、材料が強く剛性の高い状態から完全に軟化した状態へどれだけ急速に遷移するかを制御する脆性パラメータを調整しました。結果は、岩盤が脆く弱い場合には弾性率の軟化と膨潤に対して変位と損傷が非常に敏感である一方、岩盤がより強固で連続性が高い場合にはその感度がはるかに小さいことを示しています。

複数の危険信号を一つのスコアにまとめる

トンネル壁の変位や理論上の「緩み円」など単一の指標に頼る代わりに、著者らは複数の指標を融合して0から1の範囲の単一の安定性指数を提案します。含める項目は塑性域の大きさ、総変形量、ピーク応力のレベルと分布、結合力の低下量、膨潤の強さなどです。構造化意思決定法（階層解析法）を情報量に基づくエントロピー重み付けで補正し、各因子に合理的な重みを割り当てています。特に塑性域の大きさと応力集中に最も重みを置いています。すべての量を正規化した後に単一指標を算出し、その値によりトンネルを安定、境界的、臨界不安定、高リスクのいずれかに分類し、それに応じた支保対策を導くことができます。

実際の鉱山でモデルを適用する

研究チームは高度なIMASSモデルと、より従来型のひずみ軟化モデルの両方を、中国の泉典（Quandian）炭鉱にある深部の軟岩道路に適用しました。対象は著しく破砕された砂岩です。彼らはシミュレーションで得られた変位、崩壊深さ、応力分布、膨潤を現地計測値と比較しました。従来モデルは観測よりもかなり小さい変形と小さい崩壊域を予測し、過度に楽観的な安定性指数を示し、計測値と比べて約162％の偏差がありました。これに対してIMASSのシミュレーションはより大きな変位、より広い塑性域、強い膨潤を示し、現地の状況とより近い一致を示しました；安定性指数は計測値と約26％の差で、道路が高リスク状態にあることを正しく識別しました。

より安全なトンネル設計への示唆

専門外の読者向けに要点をまとめると、深部トンネル周辺の岩盤は単に割れて終わるのではなく、軟化し、膨張し、漸次再編成される—こうした微妙な挙動が安全面で重要だということです。IMASSモデルは剛性低下、膨潤、脆性度の変化を追跡することで、掘削周辺で損傷がどのように広がり、どれだけ不安定に近いかをより現実的に示します。これを単一の安定性指数に統合することで、設計者はより安全側または経済的な支保案を自信を持って選べるようになります。著者らは今後、動的荷重、地下水、時間依存効果などを含める必要があると指摘していますが、本研究はより精緻な数値モデルが予測と実際のギャップを大幅に縮め得ることを示しています。

引用: Wang, R., Wu, R., Xu, J. et al. Research on numerical simulation of surrounding rock stability of deep roadway with advanced strain softening model based on Hoek-Brown criterion. Sci Rep 16, 11910 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39882-w

キーワード: 深部坑道安定性, 岩盤軟化, 数値シミュレーション, 地下支保設計, フーク・ブラウン基準