Использование безсеточного метода для изучения влияния кофермерного давления на процессы гидравлического раскалывания в гидравлических тоннелях

Почему важно дробление породы водой

По мере роста городов и переноса всё больших потоков воды и энергии под землю инженеры прокладывают всё более длинные и глубокие тоннели через крепкие породы. Глубоко под землёй эти тоннели испытывают огромное давление со стороны окружающих пород и воды, проталкивающейся по трещинам. Когда прессурованная вода раздвигает породу — процесс, называемый гидравлическим расщеплением — это может вызвать внезапный приток воды, выбросы ила или даже обрушение тоннеля. В этом исследовании применяется новый тип компьютерного моделирования, позволяющий детально проследить, как возникают и распространяются трещины вокруг заполненного водой тоннеля при разных подземных условиях давления, что даёт подсказки для более безопасного проектирования и эксплуатации тоннелей.

Новый способ наблюдать за разрушением породы

Традиционные численные методы моделирования разрушения пород делят массив на жёсткую сетку. Это работает хорошо до тех пор, пока не появляются трещины и порода не начнёт расходиться, скручиваться и разветвляться сложным образом. Тогда сетку приходится постоянно перестраивать — это медленно и часто ненадёжно. Авторы используют вместо этого «безсеточный» метод, известный как метод усреднённых сглаженных частиц (SPH). В этом подходе порода и вода представлены облаком дискретных частиц, взаимодействующих друг с другом. Поскольку фиксированной сетки нет, крупные деформации, новые трещины и разветвлённые сети разломов могут возникать естественно по ходу моделирования.

Преобразование тоннеля и воды в частицы

В модели квадратный блок породы размером 50 на 50 метров содержит центральный подковообразный тоннель диаметром 9 метров. Порода представлена тысячами «базовых частиц», а вода внутри тоннеля и в трещинах — «водными частицами». По мере роста давления воды внутри тоннеля силы передаются между водными и породными частицами по простым правилам: вода давит наружу, порода сопротивляется, а напряжения концентрируются в отдельных областях. Каждая породная частица постоянно проверяется — если местная сила растяжения превышает прочность породы на растяжение, эта частица помечается как разрушенная и перестаёт нести напряжение, имитируя небольшой участок новой трещины. Обновляя миллионы таких взаимодействий частиц, модель может отслеживать, как трещины инициируются, растут, разветвляются и в конечном итоге проходят через весь массив породы.

Как подземное сжатие направляет трещины

Ключевое внимание в исследовании уделено «кофермерному давлению» — эффекту сжатия, которое окружающие породы оказывают по горизонтали и вертикали на тоннель. Авторы рассматривают несколько случаев, когда меняется соотношение горизонтального и вертикального напряжений. При низком отношении — то есть когда доминирует вертикальное сжатие — трещины, вызванные повышением давления воды, начинаются в нижних углах тоннеля, где напряжения наибольшие, и в основном идут вверх. Получающаяся сеть трещин напоминает редкое, древовидное расположение вертикальных ветвей. По мере роста роли горизонтального напряжения вторичные трещины на поверхности тоннеля и на кончиках основных трещин начинают распространяться в стороны, делая общую картину более сложной и более широко распределённой.

От простых деревьев до снежинок трещин

Когда горизонтальное напряжение приближается по величине к вертикальному, характер сетей трещин меняется. При промежуточных соотношениях рисунок становится «M‑образным»: сильные вертикальные трещины соединяются с заметными боковыми ветвями, которые дугообразно расходятся в стороны. При ещё больших соотношениях сеть трещин напоминает снежинку: хорошо развиты и вертикальные, и горизонтальные ветви, а разломы распространяются более равномерно во всех направлениях вокруг тоннеля. В этих случаях сам тоннель деформируется заметнее до полного разрушения, а рост трещин замедляется по мере увеличения общего кофермерного давления. Во всех сценариях одна особенность остаётся неизменной: первые трещины почти всегда начинаются в углах подковообразного тоннеля, где напряжения естественно концентрируются.

Что это значит для реальных тоннелей

Исследование показывает, что безсеточный SPH‑подход адекватно воспроизводит сложные узоры трещиноватости вокруг глубоких гидравлических тоннелей и выявляет, как различные условия напряжённого состояния формируют эти узоры. Для инженеров вывод прост: при доминировании вертикального напряжения следует обращать внимание на высокие вертикальные трещины, которые могут внезапно соединить тоннель с удалёнными водоносными слоями. При сильном горизонтальном напряжении более вероятны боковые трещины и снежинообразные сети разломов, что требует дополнительного усиления стенок и углов тоннеля. Связывая подземные условия напряжения с предсказуемыми формами трещин, эта работа даёт практический инструмент для прогнозирования и предотвращения опасных водопроявлений в глубоких тоннельных проектах.

Цитирование: 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

Ключевые слова: гидравлические тоннели, гидравлическое расщепление, трещины в горной породе, подземная вода, численное моделирование