掘削損傷領域を考慮したクラックテンソル・仮想割れ目モデルによる坑道掘削影響解析

Drift excavation analysis based on crack tensor model and virtual fracture model in consideration of excavation damaged zone

郷家 光男*; 堀田 政國*; 多田 浩幸*

Goke, Mitsuo*; Horita, Masakuni*; Tada, Hiroyuki*

核燃料サイクル開発機構東濃地科学センターでは,地質環境の調査・解析・評価技術の基盤整備と,深地層における工学技術の基盤整備を目的として,瑞浪市において超深地層研究所計画を進めている。本業務では,掘削影響領域の予測解析手法の整備・高度化に資するために,掘削損傷領域のモデル化の考え方を示し,それに基づき掘削損傷領域を考慮したクラックテンソル・仮想割れ目モデルによる応力解析と透水性変化解析を行った。検討の結果,以下のような知見を得た。1) 掘削損傷領域を考慮したクラックテンソルモデルによる応力解析の結果,掘削損傷領域を考慮しない場合に比べ,立坑および横坑とも,壁面変位は増加し,主応力の最大値は減少する。ただし,安全率分布に変化はほとんど現れなかった。2) 掘削損傷領域を考慮した仮想割れ目モデルによる透水性変化解析の結果,掘削損傷領域を考慮しない場合に比べ,立坑および横坑とも,透水係数の最大増加率は大幅に増加する。3) 掘削損傷領域の剛性が低下すると,壁面最大変位は増加,主応力の最大値は減少,透水係数の最大増加率は大幅に増加する。さらに,透水性変化解析では,剛性の低下以外にも割れ目の方向分布が解析結果に影響を与えた。特に,壁面平行に割れ目が発生する場合には,5000倍以上の増加を示したケースもあった。4) 横坑の支保工については,掘削損傷領域を考慮しない場合に比べ,変位抑制効果や支保部材に発生する応力は増加する。これは,掘削損傷領域を考慮することによって地山の剛性が低下したことによるものである。

Tono Geoscience Center (TGC), Japan Nuclear Cycle Development Institute (JNC) conducts the Mizunami Underground Research Laboratory (MIU) project in order to develop the comprehensive investigation techniques for the geological environment and the engineering techniques in the deep underground application. The purposes of this work were to contribute to the rock mechanical modeling for MIU project. We proposed an analytical method of modeling of excavation damaged zone. The crack tensor analytical model was applied to analyze the rock stress in consideration of the existence of excavation damaged zone as a research drift and a shaft were excavated. The virtual fracture model was applied to the hydraulic conductivity change analysis.The results are as follows:1) As compared with analytical result without excavation damaged zone, the crack tensor stress analysis in consideration of excavation damaged zone showed that the convergence of a shaft and a drift increased and the maximum value of principal stress decreased, while the safety factor distribution was almost changeless.2) As compared with analytical result without excavation damaged zone, the hydraulic conductivity change analysis in consideration of excavation damaged zone showed the maximum increase rate of hydraulic conductivity increased remarkably.3) As the stiffness decreased in excavation damaged zone, the convergence of a shaft and a drift increased, the maximum value of principal stress decreased, and the maximum increase rate of hydraulic conductivity increased. Especially, in analytical case supposed that new cracks parallel to perimeter of a drift broke out in excavation damaged zone, the maximum increase rate of hydraulic conductivity was up to 5000 times.4) As the stiffness of rock mass decreased by taking into the existence of excavation damaged zone, the convergence reduction effect increased, and the stress in support parts increased.