Gebruik van een meshless-methode om de effecten van omvattende druk op het hydraulisch breken van hydraulische tunnels te onderzoeken

Waarom het breken van gesteente door water ertoe doet

Nu steden groeien en landen meer water en energie ondergronds verplaatsen, graven ingenieurs langere en diepere tunnels door hard gesteente. Ver diep onder het oppervlak krijgen deze tunnels te maken met enorme drukken van het omringende gesteente en van water dat door scheuren duwt. Wanneer onder druk staand water gesteente uit elkaar dwingt — een proces dat hydraulische fracturering wordt genoemd — kan dat plotselinge waterinstorting, modderstromen of zelfs instorting van de tunnel veroorzaken. Deze studie gebruikt een nieuw type computermodel om in detail te volgen hoe scheuren ontstaan en zich verspreiden rond een met water gevulde tunnel onder verschillende ondergrondse drukomstandigheden, en biedt aanwijzingen voor veiliger tunnelontwerp en -bedrijf.

Een nieuwe manier om te kijken hoe gesteente breekt

Traditionele computertechnieken om gesteente bezwijken te simuleren verdelen de grond in een stevig raster. Dat werkt goed totdat scheuren verschijnen en het gesteente begint te scheiden, draaien en vertakken op complexe manieren. Dan moet het raster continu bijgewerkt worden, wat traag is en gemakkelijk kan falen. De auteurs vertrouwen in plaats daarvan op een "meshless"-methode die bekendstaat als Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). In deze benadering worden gesteente en water voorgesteld als wolken van discrete deeltjes die onderling interacteren. Omdat er geen vast raster is, kunnen grote vervormingen, nieuwe scheuren en vertakte breuknetwerken op natuurlijke wijze ontstaan terwijl de simulatie loopt.

Het omzetten van tunnels en water in deeltjes

In het model bevat een vierkante blok gesteente van 50 bij 50 meter een centrale hoefijzervormige tunnel van 9 meter breed. Het gesteente wordt weergegeven door duizenden "basisdeeltjes", terwijl het water in de tunnel en in eventuele scheuren wordt weergegeven door "waterdeeltjes". Naarmate de gesimuleerde waterdruk in de tunnel in de loop van de tijd toeneemt, worden krachten tussen water- en gesteentedeeltjes overgedragen volgens eenvoudige regels: water duwt naar buiten, gesteente verzet zich en spanningen concentreren in bepaalde regio's. Elk gesteentedeeltje wordt voortdurend gecontroleerd — als de lokale trekkracht de treksterkte van het gesteente overschrijdt, wordt dat deeltje als gefaald gemarkeerd en draagt het geen spanning meer, wat een klein stukje nieuwe scheur nabootst. Door miljoenen van zulke deeltjes-interacties bij te werken, kan het model volgen hoe scheuren beginnen, groeien, vertakken en uiteindelijk door het hele gesteentemassa heen snijden.

Hoe ondergrondse druk scheuren stuurt

Een belangrijk aandachtspunt van de studie is de "confining pressure", het knijpende effect dat het omringende gesteente horizontaal en verticaal op de tunnel uitoefent. De auteurs onderzoeken verschillende gevallen waarin de verhouding tussen horizontale spanning en verticale spanning verandert. Wanneer deze verhouding laag is — wat betekent dat verticale knijping domineert — beginnen scheuren die door stijgende waterdruk worden veroorzaakt bij de onderste hoeken van de tunnel, waar de spanning het hoogst is, en schieten ze voornamelijk recht omhoog. Het resulterende breuknetwerk lijkt op een schaars, boomvormig patroon van verticale takken. Naarmate de horizontale spanning belangrijker wordt, beginnen secundaire scheuren aan het tunneloppervlak en bij de toppen van de hoofd scheuren zijwaarts te verspreiden, waardoor het algehele patroon complexer en meer verspreid wordt.

Van eenvoudige bomen naar sneeuwvlokachtige scheuren

Wanneer de horizontale spanning dichter bij de verticale spanning komt, verandert het karakter van de scheurnetwerken. Bij tussenliggende verhoudingen wordt het patroon "M-vormig", met sterke verticale scheuren die vergezeld gaan van uitgesproken zijtakken die naar buiten boogvormen. Bij nog hogere verhoudingen lijkt het scheurnetwerk op een sneeuwvlok: verticale en horizontale takken zijn beide goed ontwikkeld en scheuren verspreiden zich gelijkmatiger in alle richtingen rond de tunnel. In deze gevallen vervormt de tunnel zelf merkbaarder voordat totale instorting optreedt, en vertraagt de groei van scheuren naarmate de totale omvattende druk toeneemt. Over alle scenario's blijft echter één kenmerk constant: de eerste scheuren beginnen vrijwel altijd in de hoeken van de hoefijzertunnel, waar spanningen van nature concentreren.

Wat dit betekent voor echte tunnels

De studie laat zien dat een meshless SPH-benadering complexe scheurpatronen rond diepe hydraulische tunnels nauwkeurig kan reproduceren en kan onthullen hoe verschillende spanningsomstandigheden die patronen vormen. Voor ingenieurs is de boodschap duidelijk: waar verticale spanning dominerend is, moet de aandacht uitgaan naar hoge, verticale scheuren die zich plotseling kunnen verbinden met ver verwijderde waterhoudende lagen. Waar horizontale spanning sterk is, worden laterale scheuren en sneeuwvlokachtige breuknetwerken waarschijnlijker, wat extra versterking rond tunnelwanden en hoeken vereist. Door ondergrondse spanningsvoorwaarden te koppelen aan voorspelbare scheurvormen, biedt dit werk een praktisch hulpmiddel om gevaarlijke, watergerelateerde falen in diepe tunnelprojecten te anticiperen en te voorkomen.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: hydraulische tunnels, hydraulische fracturering, rotskloven, ondergrondse water, numerieke simulatie