掘削損傷領域を考慮したMBCモデルによる坑道掘削影響解析

MBC analysis for rock mass behavior in excavating research shafts and galleries in consideration of Excavation Damaged Zone

森 孝之*; 森川 誠司*; 田部井 和人*; 岩野 圭太*

Mori, Takayuki*; Morikawa, Seiji*; Tabei, Kazuto*; Iwano, Keita*

核燃料サイクル開発機構では,超深地層研究所計画(以下,MIU計画)の第1段階における研究として,掘削影響領域の予測解析手法の整備・高度化を進めている。昨年までに,岩盤内の亀裂挙動を考慮できる解析手法の1つであるMBC(Micromechanics Based Continuum Model)解析についても,2次元掘削影響解析を実施してきた。ただし,本解析手法は,通常の有限要素法の掘削解析同様,応力再配分現象のみを捉える解析となっており,発破や機械掘削により生じた掘削損傷領域を考慮していない。そこで,本業務では,MBCモデルを対象に,掘削損傷領域のモデル化手法を確立するとともに,掘削損傷領域を考慮した掘削影響解析を実施し,掘削損傷領域を考慮することによる掘削影響についての検討を行った。得られた知見については以下の通りである。1.MBCモデルで使用する岩盤や亀裂のパラメータについて感度解析を実施し,各パラメータが掘削影響領域に与える影響とその鋭敏性について検証し,亀裂密度と岩盤基質部の弾性係数の影響度が高いことが分かった。2.立坑・横坑断面に対し,掘削損傷領域を考慮した解析ケースを実施した。設定した掘削損傷領域内の亀裂密度を大きくするほど,またその領域を広げるほど,亀裂の開口量は増大し,等価せん断剛性は低減した。3.掘削損傷領域内の亀裂状態に関して,先在亀裂が進展する場合と,新たに坑道壁面平行に亀裂が発生する場合について解析を実施した結果,前者のケースは後者に比して,設定した掘削損傷領域の外へより影響が及ぶ傾向であった。4.以上の結果から,MBCモデルを用いた掘削損傷領域を考慮した掘削影響解析よる研究坑道の詳細検討は可能であることが分かった。また,研究坑道の岩盤挙動の実計測を通して本解析の検証を行うことができると思われる。

JNC Tono Geoscience Center planed a comprehensive geoscientific research program for the construction of an underground research laboratory in order to conduct the research and evaluation of geological environment. So far, based on mechanical data from 1,000-m borehole tests, several numerical analysis models, which consider the behavior of joints in a rock mass, have been applied to this site, and the discontinuous rock behavior around the shafts and galleries has been predicted.However, none of these analyses considered the "Excavation Damaged Zone". In this study, in order to grasp the extent of the Excavation Disturbed Zone, MBC analysis considering the Excavation Damaged Zone was carried out and the following results were obtained. 1.Using several parameters relevant to the rock and joints, a parametric study was performed to verify the effect on and sensitivity of the behavior of the Excavation Disturbed Zone. The results showed that joint frequency and Young's modulus of the rock were much effective parameters. 2.Based on the parametric study, several analyses for shaft and gallery were conducted. As the joint density increased and the area of the Excavation Damaged Zone expanded, the joint opening area increased and the equivalent shear stiffness decreased. 3.Two contrasting cases were also analyzed: one was assumed that pre-existing joints progress in the Excavation Damaged Zone, and the other assumed that joints tangential to the excavation wall are generated in the Excavation Damaged Zone. It was found that Excavation Damaged Zone tends to be larger in the former case than the latter case. 4.From these results, prediction analysis for Excavation Disturbed Zone considering the Excavation Damaged Zone was found to be practical. Through the in-situ monitoring data for shafts and galleries, the validity of these analyses will be verified.