岩爆、软岩大变形等深埋工程地质灾害本质上是能量驱动下的一种岩体状态失稳现象,从能量角度研究深埋隧道围岩的变形破坏规律,可以突破传统的应力应变分析方法,为深埋地质灾害预测和机理研究带来一种崭新的视角和分析手段,同时也可为深埋隧道支护设计和施工安全提供理论指导。本文针对深埋隧道围岩变形能演化及分布规律,从室内试验、解析研究、数值研究、参数化分析和实例验证等多个角度进行研究,主要获得以下成果:1.在总结现有岩石能量演化研究成果的基础上,发现采用“应变能”表达岩体内储存或耗散的能量并不全面,“应变”只是变形的一种表达方式,当岩体单元产生的变形过大,超过其本身尺寸时,“应变能”已不再适用。因此本文引入“变形能”概念,分别用全变形能、弹性变形能和耗散变形能来描述岩体的能量集中、积聚和耗散现象。2.针对岩石变形破坏过程中的变形能演化,分别对深部页岩和砂岩开展常规三轴压缩试验和不同围压下三轴循环加、卸载试验研究。系统研究不同围压下轴向变形能、径向扩散变形能、耗散变形能和弹性变形能在岩石变形破坏过程中的演化规律。根据岩样破坏时的变形能积聚和耗散规律,创新性地提出弹性能耗比概念,该指标在能量演化过程中的突变可作为岩石强度失效判据。3.为研究变形能在隧道围岩的分布情况,基于共形映射、复变函数理论和能量理论,运用解析方法计算求得连续、均匀、各向同性且处于线性弹性状态深埋隧道围岩弹性变形能解析解。采用有限差分数值模拟分析方法求解圆形和矩形隧道的弹性变形能数值解,并将其与解析解进行相互验证。4.针对现有能量指标的优势和不足,基于能量集中、积聚和耗散特性提出具有明确物理意义的新能量指标参数:能量集中指数(Energy Concentration Index(ECI))、能量积聚效率(Energy Accumulation Efficiency(EAE))和能量耗散效率(Energy Dissipation Efficiency(EDE)),可分别表征隧道开挖后岩体单元的能量集中程度、能量储存比率和能量耗散比率,并建立能量演化分析体系。将研究成果应用于太平驿水电站深埋引水隧洞岩爆段,得到的变形能演化和分布规律以及地质灾害预测结论与现场实际情况相符,验证了以上能量指标和能量演化分析体系的可靠性和适用性。5.为研究地应力方向、隧道尺寸和洞型对深埋隧道变形能分布规律的影响,采用有限差分数值模拟分析方法,利用能量演化分析体系,将以上因素作为变量进行参数化研究。发现无论以上因素如何变化,开挖行为均会导致围岩出现能量集中现象;围岩能量场的整体分布规律主要受地应力控制;尺寸效应主要体现在能量集中和积聚,隧道尺寸越大能量集中和积聚效应越剧烈,能量场的分布规律、能量积聚和耗散效率与隧道尺寸大小无关;洞型对围岩能量场的分布规律影响不大,但几何奇点部位易出现能量剧烈集中和积聚现象。6.以玲珑金矿硬岩岩爆段和成兰铁路跃龙门隧道软岩大变形段为工程背景对前述研究成果进行验证。首先采用能量演化分析体系对工程实例进行分析,得到的地质灾害预测结论与现场岩爆和大变形实际情况相符,随后结合现场实际观测到的地质灾害现状和变形能演化分析结论,分别阐述了硬岩岩爆和软岩大变形的孕育和发生能量机理。最后从能量角度出发,分别对硬岩岩爆和软岩大变形的施工安全防护和加固措施提出指导意见。