Användning av en meshfri metod för att undersöka effekterna av omslutande tryck på hydrauliska sprickbildningsprocesser i hydrauliska tunnlar

Varför det spelar roll att spräcka berg med vatten

När städer växer och länder flyttar mer vatten och energi under jord bygger ingenjörer längre och djupare tunnlar genom hårt berg. Långt under markytan utsätts dessa tunnlar för stora tryck från den omgivande bergmassan och från vatten som tränger genom sprickor. När pumpat vatten tvingar berget isär — en process som kallas hydraulisk sprickbildning — kan det utlösa plötsliga vatteninbrott, lermassutbrott eller till och med tunnelkollaps. Denna studie använder en ny typ av datorbaserad modellering för att noggrant följa hur sprickor börjar och sprider sig runt en vattenfylld tunnel under olika underjordiska tryckförhållanden, vilket ger ledtrådar för säkrare tunnelkonstruktion och drift.

Ett nytt sätt att se berget brista

Traditionella datormetoder för att simulera bergbrytning delar upp marken i ett stelt rutnät. Det fungerar väl så länge inga sprickor uppstår och berget inte börjar separera, vrida sig eller dela upp sig på komplexa sätt. Då måste rutnätet ständigt uppdateras, vilket är långsamt och lätt kan misslyckas. Författarna använder i stället en "meshfri" metod känd som Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). I detta tillvägagångssätt representeras berg och vatten som moln av diskreta partiklar som interagerar med varandra. Eftersom det inte finns något fast rutnät kan stora deformationer, nya sprickor och förgrenade spricknät uppstå naturligt under simuleringens gång.

Att omvandla tunnlar och vatten till partiklar

I modellen innehåller ett kvadratiskt bergblock på 50 meter gånger 50 meter en central hästskoformad tunnel med en tvärbredd på 9 meter. Berget representeras av tusentals "baspartiklar", medan vattnet inne i tunneln och i eventuella sprickor representeras av "vattenpartiklar". När det simulerade vattentrycket i tunneln ökar över tid överförs krafter mellan vatten- och bergpartiklar enligt enkla regler: vattnet trycker utåt, berget motstår och spänningar koncentreras i vissa regioner. Varje bergpartikel kontrolleras kontinuerligt — om det lokala draget överstiger bergets draghållfasthet markeras partikeln som havererad och bär inte längre spänning, vilket efterliknar en liten bit av en ny spricka. Genom att uppdatera miljontals sådana partikelinteraktioner kan modellen följa hur sprickor initieras, växer, förgrenas och slutligen skär igenom hela bergmassan.

Hur underjordisk press styr sprickorna

Ett centralt fokus i studien är "omslutande tryck", den kramande effekt som den omgivande bergmassan utövar horisontellt och vertikalt på tunneln. Författarna undersöker flera fall där förhållandet mellan horisontellt och vertikalt spänning ändras. När detta förhållande är lågt — vilket betyder att vertikalt tryck dominerar — börjar sprickor som utlöses av stigande vattentryck vid tunnelns nedre hörn, där spänningen är som högst, och skjuter mestadels rakt uppåt. Det resulterande sprickmönstret liknar ett gles, trädliknande nätverk av vertikala grenar. När det horisontella trycket blir viktigare börjar sekundära sprickor vid tunnelytan och vid spetsarna på huvudsprickorna sprida sig åt sidan, vilket gör det övergripande mönstret mer komplext och mer spritt.

Från enkla träd till snöflingeliknande sprickor

När det horisontella trycket närmar sig det vertikala förändras spricknäten i karaktär. Vid intermediära förhållanden blir mönstret "M-format", med starka vertikala sprickor som förenas av uttalade sidogrenar som bågar utåt. Vid ännu högre förhållanden liknar spricknätet en snöflinga: både vertikala och horisontella grenar är väl utvecklade och sprickorna sprider sig mer jämnt i alla riktningar runt tunneln. I dessa fall deformeras tunneln tydligare innan fullständigt brott inträffar, och spricktillväxten saktar ner när det övergripande omslutande trycket ökar. Genom alla scenarier kvarstår dock en egenskap: de första sprickorna börjar nästan alltid vid hörnen av hästsko­tunneln, där spänningarna naturligt koncentreras.

Vad detta innebär för verkliga tunnlar

Studien visar att en meshfri SPH-ansats kan återge komplexa sprickmönster runt djupa hydrauliska tunnlar på ett tillförlitligt sätt och avslöja hur olika spänningsförhållanden formar dessa mönster. För ingenjörer är budskapet tydligt: där vertikal spänning dominerar bör fokus ligga på höga, vertikala sprickor som plötsligt kan koppla tunneln till avlägsna vattenförande lager. Där horisontellt tryck är starkt blir laterala sprickor och snöflingeliknande spricknät mer sannolika, vilket kräver extra förstärkning runt tunnelväggar och hörn. Genom att koppla underjordiska spänningsförhållanden till förutsägbara sprickformer erbjuder detta arbete ett praktiskt verktyg för att hjälpa till att förutse och förebygga farliga vattenrelaterade fel i djupa tunnelprojekt.

Citering: 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

Nyckelord: hydrauliska tunnlar, hydraulisk sprickbildning, bergsprickor, underjordiskt vatten, numerisk simulering