Uso de um método sem malha para investigar os efeitos da pressão de confinamento nos processos de fraturamento hidráulico de túneis hidráulicos

Por que quebrar rocha com água é importante

À medida que as cidades crescem e países deslocam mais água e energia para o subterrâneo, engenheiros escavam túneis mais longos e mais profundos em rocha dura. Muito abaixo da superfície, esses túneis suportam pressões enormes do terreno circundante e da água que pressiona através de fissuras. Quando água pressurizada força a separação da rocha — um processo chamado fraturamento hidráulico — isso pode desencadear influxos súbitos de água, jorros de lama ou até colapso do túnel. Este estudo usa um tipo novo de modelagem computacional para observar, em detalhe fino, como fissuras se iniciam e se propagam ao redor de um túnel cheio de água sob diferentes condições de pressão subterrânea, oferecendo pistas para um projeto e operação de túneis mais seguros.

Uma nova maneira de observar a ruptura da rocha

Métodos computacionais tradicionais para simular a falha de rocha dividem o terreno em uma grade rígida. Isso funciona bem até que apareçam fissuras e a rocha comece a se separar, torcer e ramificar de maneiras complexas. Então a grade precisa ser constantemente atualizada, o que é lento e pode falhar com facilidade. Os autores, em vez disso, recorrem a um método “sem malha” conhecido como Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Nessa abordagem, a rocha e a água são representadas como nuvens de partículas discretas que interagem entre si. Como não há uma grade fixa, grandes deformações, novas fissuras e redes de fratura ramificadas podem surgir de forma natural conforme a simulação avança.

Transformando túneis e água em partículas

No modelo, um bloco quadrado de rocha de 50 metros por 50 metros contém um túnel em forma de ferradura no centro, com 9 metros de largura. A rocha é representada por milhares de “partículas base”, enquanto a água dentro do túnel e em eventuais fraturas é representada por “partículas de água”. À medida que a pressão da água simulada dentro do túnel aumenta ao longo do tempo, forças são transmitidas entre partículas de água e de rocha segundo regras simples: a água empurra para fora, a rocha resiste e as tensões se concentram em certas regiões. Cada partícula de rocha é verificada constantemente — se a força de tração local exceder a resistência à tração da rocha, essa partícula é marcada como fracassada e deixa de suportar tensão, imitando um pequeno trecho de nova fissura. Atualizando milhões dessas interações de partículas, o modelo pode acompanhar como as fissuras se iniciam, crescem, ramificam e finalmente atravessam toda a massa rochosa.

Como o apertamento subterrâneo direciona as fissuras

Um foco central do estudo é a “pressão de confinamento”, o efeito de apertamento que o terreno circundante exerce horizontal e verticalmente sobre o túnel. Os autores examinam vários casos em que a razão entre a tensão horizontal e a tensão vertical varia. Quando essa razão é baixa — significando que o apertamento vertical domina — as fissuras desencadeadas pelo aumento da pressão da água começam nos cantos inferiores do túnel, onde a tensão é maior, e avançam majoritariamente em direção vertical para cima. A rede de fraturas resultante se parece com um padrão esparso em forma de árvore de ramos verticais. À medida que a tensão horizontal ganha importância, fissuras secundárias na superfície do túnel e nas pontas das fissuras principais começam a se espalhar lateralmente, tornando o padrão geral mais complexo e mais amplamente distribuído.

De árvores simples a flocos de neve de fissuras

Quando a tensão horizontal se aproxima da tensão vertical, as redes de fissuras mudam de caráter. Em razões intermediárias, o padrão torna-se “em M”, com fissuras verticais fortes unidas por ramos laterais pronunciados que curvam para fora. Em razões ainda mais altas, a rede de fissuras lembra um floco de neve: ramos verticais e horizontais estão bem desenvolvidos, e as fraturas se espalham de forma mais uniforme em todas as direções ao redor do túnel. Nesses casos, o próprio túnel se deforma de maneira mais perceptível antes da ruptura total, e o crescimento das fissuras desacelera à medida que a pressão de confinamento geral aumenta. Em todos os cenários, porém, uma característica permanece constante: as primeiras fissuras quase sempre começam nos cantos do túnel em ferradura, onde as tensões naturalmente se concentram.

O que isso significa para túneis reais

O estudo mostra que uma abordagem SPH sem malha pode reproduzir fielmente padrões complexos de fissuras ao redor de túneis hidráulicos profundos e revelar como diferentes condições de tensão moldam esses padrões. Para os engenheiros, a mensagem é direta: onde a tensão vertical domina, a atenção deve se concentrar em fissuras altas e verticais que podem se conectar subitamente o túnel a camadas distantes contendo água. Onde a tensão horizontal é forte, fissuras laterais e redes de fratura em forma de floco de neve tornam‑se mais prováveis, exigindo reforço extra nas paredes e nos cantos do túnel. Ao vincular as condições de tensão subterrânea a formas previsíveis de fissuras, este trabalho fornece uma ferramenta prática para ajudar a antecipar e prevenir falhas perigosas relacionadas à água em projetos de túneis profundos.

Citação: 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

Palavras-chave: túneis hidráulicos, fraturamento hidráulico, fissuras em rocha, água subterrânea, simulação numérica