岩爆是高地应力地区地下硐室开挖突发、强烈的动力破坏现象,由已有众多工程岩爆实例可知其将对工程进度、质量及安全施工有诸多不良影响。本文以兰州至海口国家高速公路桐梓隧道为项目背景,开展了实地调查、室内力学试验和基于颗粒流程序硐壁围岩的加载、卸载岩爆和硐室开挖的数值模拟等工作,研究了硐室围岩破坏机理和岩爆表现形式,分析了不同硐形开挖的破坏特征,为高地应力地区硐室开挖提供了理论和技术支持。主要研究成果如下:(1)在总结分析学术界对岩爆定义、分类和分级等研究成果基础上,提出了岩爆基本特征和表现形式,并探讨了各影响因素对岩爆的贡献程度;认为各类岩爆理论都是从某一角度描述岩爆某方面的特征,需要将各理论有机结合起来,才能全面地解释岩爆现象。(2)通过岩石室内力学试验获得了桐梓隧道灰岩的单轴抗压强度、变形模量、泊松比以及单轴抗拉强度力学性质参数;并采用正交设计数值试验研究了平直节理模型细观参数和宏观参数之间的影响关系,为细观参数快速标定提供了依据,获得了该隧道中灰岩的细观参数标定值。(3)根据隧道开挖过程中的围岩受力状态,可分为瞬时卸载和应力集中两个阶段;据此将岩爆也分为加载岩爆(瞬时卸载阶段后应力集中或应力扰动诱发岩爆)和卸载岩爆(卸载效应期间诱发岩爆)。发现围岩的第二主应力越大,岩爆发生的临界应力也越高,且岩爆发生更加强烈;加载及卸载试验中都出现了卸载面至一定深度的岩体应力释放区,这是由于岩石颗粒较大的径向变形导致岩体承载应力降低,应力向围岩内部转移的缘故。(4)多组地应力水平条件下的四种形状隧硐开挖结果表明圆形隧硐开挖最为稳定,斜井与隧道主硐其次,城门形隧硐围岩破坏最严重;当最大主应力与隧道走向一致时,硐室开挖后围岩破坏程度最小;当最大主应力分别为硐室切向和径向时,圆形硐室围岩破坏程度相差较小,城门形硐室和斜井在最大主应力为径向时围岩破坏更为严重,而主硐却相反。