随着地下隧道工程逐渐向大埋深方向发展,高地应力和高地温已经成为地下隧道工程面临的重大问题。原岩应力场是影响岩爆发生的内在因素之一,高地温下的温度作用效应对岩爆也有影响。因此,研究热-力耦合作用下隧道脆性围岩岩爆的规律和机制非常必要。本文以物理模型试验的相似理论为基础,从热-力作用下隧道岩爆物理模拟试验技术和试验设备研发方面入手,通过研制具有硬脆性的岩爆相似材料最佳配比,制作大尺寸物理模型进行室内物理模拟试验,模拟热-力作用下隧道荷载的作用方式、隧道开挖过程以及时间效应等,研究热-力耦合作用下隧道围岩变形破裂特性,特别是岩爆等脆性破坏的过程以及破坏形态和机制。通过实验研究取得主要研究成果如下:(1)选取石英砂、石膏、水泥、减水剂、缓凝剂、水作为岩爆相似材料,通过物理力学参数试验,采用脆性系数K和冲击能量指数_BW对岩爆倾向进行评价,并对相似材料的弹性模量E、泊松比?等力学参数以及应力应变曲线特征进行分析,确定了最具岩爆倾向的石英砂合适粒径以及相似材料的最佳配比,为制作具良好硬脆性的大尺寸物理模型奠定良好的基础。(2)自主研制隧道开挖系统和温度加载控制系统,并成功应用于4个物理模型试验中。试验证明,采用自主研制的隧道开挖系统和温度加载控制系统,实现了隧道一次性开挖卸荷以及温度场的加载和控制。真实地模拟了“先加载后开挖”的加载开挖方式,以及真实地模拟了高地应力、高地温共同作用条件下的热-力耦合场。(3)以二维地质力学模拟试验应力加载系统为依托,以相似理论和相似材料为基础,采用应变量测系统、温度加载控制系统、声发射系统、隧道开挖系统、摄像系统等,对热-力作用下隧道岩爆物理模型试验进行详细的设计。进而开展相同应力条件下4个不同温度场(20℃、40℃、60℃、80℃)作用下的岩爆物理模型试验。建立了一套热-力作用下大尺寸岩爆物理模型实验从模型制作到试验结束全过程的试验技术方案。(4)试验结果表明,在相同的应力场(侧压力系数λ=2)、4个不同的温度场(20℃、40℃、60℃、80℃)条件下,隧道开挖后,拱顶和拱肩围岩容易出现压致拉裂脆性破坏。拱墙附近容易出现弯曲鼓折、拉裂等脆性破坏。拱底容易发生压致拉裂和压致剪切等脆性破坏。(5)温度场的温度越高,隧道开挖后,围岩应力、应变增长越快,能量迅速集聚,此能量聚集过程经历的时间随着温度的增大而缩短。应力、应变、能量增长到一定极限后,围岩集聚的能量以岩爆的方式突然释放。岩爆等脆性破坏发生过程中围岩的应力、应变表现出波动现象,温度越高,应力、应变波动幅度越大、波动频率越高。温度增高提高了围岩的硬脆性,温度场的温度越高隧道开挖前围岩应变越小。在20℃、40℃、60℃下的隧道围岩岩爆等脆性破坏的声发射能量随着温度增大而增大,声发射系统三维定位的声发射源随温度的增大而增多,分布范围更广,并且主要集中于隧道洞壁附近。(6)物理模拟试验发现岩爆发生具有一定的渐进性,从小范围、小粒径的颗粒状掉落弹射开始,经过范围和规模扩大的片状、碎块状剥落弹射,最终发生大规模的岩爆。岩爆的渐进性和温度场有关,温度越高围岩集聚的应力水平和能量越大,岩爆发生越突然,从隧道开挖至围岩发生岩爆脆性破坏的时间历程越短;同时,温度场的温度越高岩爆发生范围、规模越大,隧道围岩的脆性破坏时间更突然,岩爆过程剥离和弹射的碎块粒径越来越大,岩爆剥落弹射的碎块量越来越多。(7)在20℃、40℃、60℃、80℃四个温度场下,60℃、80℃下隧道的脆性破坏很剧烈,60℃下甚至出现大断块蹦出的,80℃下先发生小规模脆性破坏,围岩弯曲鼓折后模型直接发生断裂脆性破坏,此过程发生突然且无预兆。20℃和40℃下隧道脆性破坏不剧烈,40℃发生破坏的规模比前者大,岩爆剥落弹射碎块量也比前者多。发生岩爆等脆性破坏后,20℃和40℃下的隧道围岩处于稳定状态,60℃下围岩基本稳定但松动严重,80℃下隧道围岩已经发生严重破坏。随着温度的增高,开挖后隧道围岩脆性破坏特性越明显,温度越高,热-力作用下隧道岩爆越剧烈。(8)温度场的存在,改变了材料的物理力学参数,并且造成附加的温度应力场。相同的地应力条件下,温度场的温度值越高,产生的附加温度应力场应力值越大,使得围岩集聚更高的能量和应力水平;同时,温度场改变了围岩的物理力学性质,提高了围岩的硬脆性,利于围岩集聚更高的弹性应变能。试验结果证明,在试验温度范围内,温度越高增大了隧道围岩岩爆的剧烈程度。