0 引言

随着地下工程向深部发展, 高地应力条件下硬岩隧道岩爆机理研究对保障施工安全具有重要工程意义。诸如终南山隧道^[1-2]、锦屏山隧道^[3]、米仓山隧道^[4-5]产生的硬岩岩爆给工程带来了毁灭性的灾害，严重威胁施工安全。不同于完整匀质岩体，层状硬岩隧道层间薄弱结构的存在，使得岩体力学性质更加复杂，常表现为各向异性特征^[6-9]。层间薄弱结构将完整岩体切割成独立块体，隧道开挖后，岩体应力转移路径更复杂，岩爆规律更无迹可寻^[10]。隧道施工过程中，开挖卸荷诱导岩体内部集聚的弹性应变能突然释放，岩爆现象频繁发生^[11-12]。

相关学者在层状硬岩隧道岩爆方面开展了大量研究。邹翀^[13]研究发现，高地应力环境下层状岩体中薄弱结构面的存在会增加隧道产生岩爆的风险，并从岩爆的诱发因素出发，提出了层状硬岩隧道岩爆的防控措施；姚志宾^[14]依托某TBM深埋层状硬岩隧洞工程，通过微震监测分析了现场岩爆的破坏特征，并提出了岩爆分级防治方案；Li^[15]结合现场调研、微震监测等多种研究手段分析了深埋TBM隧洞层状硬岩的岩爆破坏特征，并提出了不同烈度等级岩爆的防治措施；田青峰^[16]依托中国西南地区某高地应力硬岩隧道工程，借助FLAC3D软件构建了隧址区三维数值模型，模拟了隧道开挖卸荷，从岩体弹性应变的分布特征上探究了层状硬岩隧道的岩爆特征规律；张航^[17]通过开展室内真三轴试验，模拟了不同应力梯度下应变型岩爆的诱发过程，归纳总结了应变型岩爆的诱发机理及特征规律；祝文化^[18]采用自主研发的岩爆装置研究了岩爆发生后隧道洞室的破坏特点，研究发现洞室岩爆的发生起源于边墙岩体的破裂及延伸；刘成禹^[19]依托国外某隧道工程，基于理论力学模型分析了薄层硬岩隧道岩爆产生的力学机制，并将岩爆过程分为薄层岩板生成、岩板断裂和岩块弹射3个阶段。

不少学者结合数值计算、理论分析、现场监测等多种手段在层状硬岩隧道岩爆特征规律、岩爆防治措施等方面开展了大量研究，并取得显著研究成果。水平层状岩层具有更为特殊的构造特征，目前国内外学者对水平层状硬岩隧道岩爆方面的研究还较少。本研究依托某高地应力隧道工程，通过室内单轴试验分析层状硬岩的破裂特征，并借助有限差分软件FLAC3D模拟隧道的开挖卸荷行为，从岩石的微观破裂特性及隧道开挖卸荷后围岩的宏观能量出发，归纳总结层状硬岩隧道岩爆的诱发机理，以期为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

某隧道全长约为12 km，最大埋深约为1 900 m。隧道洞身穿越地层岩性主要为微风化白云岩，占全隧总长约83%，围岩等级以Ⅲ级(占比80%)和Ⅳ级(占比17%)为主，隧道地质纵断面如图 1所示。

据现场揭露，隧址区白云岩呈灰白色，岩质硬脆，构造特征明显，岩层层状分明，走向平行于隧道轴向，岩层厚度为10~50 cm，为中薄岩层，岩层倾角基本小于10°，为近水平岩层。

2 高地应力现象及地应力测试 2.1 高地应力现象

在隧道钻孔取芯过程中，岩芯断裂成饼、破碎成片现象严重，且随着埋深的增加，钻孔岩芯饼化成片特征越明显。据现场调研，岩爆多发生于隧道掌子面开挖卸荷后5 h内，尤其在开挖卸荷2 h内发生频繁，且多集中于掌子面后方裸露围岩拱顶至拱腰位置附近。岩爆的主要表现形式为岩块小范围剥离、弹射，局部段落存在拱顶岩体大面积崩塌现象。

2.2 现场地应力测试

为准确获取隧址区地应力分布特征规律，采用空心包体应力计进行现场原位测试作业。对隧址区开展了6次应力测试，为了降低测试结果的偶然性，同时尽可能地规避现场测试误差，测点位置综合考虑隧道埋深、岩性、薄弱结构面等因素，测点主应力计算结果如表 1所示。

如表 1所示，隧址区最大主应力平均值为44.5 MPa，方位角平均值为197.6°，倾角平均值为3.8°；中间主应力平均值为28.0 MPa，方位角平均值为320.8°，倾角平均值为83.8°；最小主应力平均值为23.9 MPa，方位角平均值为107.4°，倾角平均值为4.5°。最大主应力基本与隧道轴向垂直，且最大主应力与最小主应力可基本视为水平主应力，隧址区初始地应力场以水平构造应力占主导作用。

3 层状岩体破裂演化机制 3.1 层状白云岩试件制取

为探究层状白云岩的压裂特性，先根据层理倾角，将层理白云岩分为0°(水平)，30°(缓倾)，60°(陡倾)，90°(竖向)这4组。对各组岩样再按层理组数进行细分，每组倾角岩样下设置1~4组层理面，进一步探究层理组数对白云岩的影响。为了降低试验误差，分别制取3个完整试样和16个层理试样；岩样制取完成后进行制作精度测试，确保试件尺寸误差在±0.5 mm内，两端面平行度误差在±0.02 mm内。

相较于环氧树脂、石膏等黏结剂，软塑状的云石胶黏结性较好，硬化后强度较大，弹性模量可达2~3 GPa，常充当结构面广泛应用于硬质岩力学试验中^[20-21]。为了保证结构面参数相同，通过定量注射方式确保黏结剂薄而均匀。

3.2 层状白云岩破裂演化规律分析

采用RTR-1000型岩石力学系统开展白云岩单轴压缩试验。该力学加载系统可实现全过程自动化，通过操作系统控制试件的加卸载和应力应变数据的采集与分析，广泛应用于岩石试验中^[22-24]。试验根据岩样层理角度分组开展，依次进行完整岩样、水平层理岩样、30°层理岩样、60°层理岩样及竖向层理岩样的单轴压缩试验。试件加载前先进行预压，使压头下降直至与试样端面紧密接触，此时加载暂停，将加载模式设为位移加载模式，以0.05 mm/min的速度施加轴向荷载直至试件破坏。加载过程中采用超清摄影相机连续拍照，记录试件整个破坏过程。

(1) 完整白云岩

在完整白云岩试件的单轴压缩试验中，设T为白云岩试件在单轴压缩试验中对应的加载时间。T=817 s前，完整白云岩试件表面无宏观裂隙生成；直到T=817 s时，伴随清脆的撕裂声，试件顶端萌发1条竖向拉裂隙，随着轴力的逐渐增加，竖向拉裂隙沿纵向主轴扩张延伸；当T=820 s时，试件底部萌生出另一条竖向拉裂隙，并迅速朝第1条张拉裂隙扩张延伸；在3 s后，伴随剧烈响声，2条竖向拉裂隙合并贯穿整个岩石试件，白云岩发生剧烈的脆性张拉破坏。完整白云岩总加载时间长达823 s，但由裂隙萌芽发展到破坏的宏观破裂历程仅持续了6 s。

(2) 0°层状白云岩

在0°层状白云岩试件的单轴压缩试验中，T=564 s前，含2组层理面白云岩试件表面无宏观裂隙生成；直到T=564 s时，伴随微小的撕裂声，试件底部萌生出1条竖向张拉裂隙。随着轴力的不断增加，竖向张拉裂隙沿岩石层理面垂直发展延伸，在T=575 s时，另一细小微裂隙于试件底端萌芽，并朝层理面斜向发展延伸；当T=579 s时，斜向微裂隙穿透第1层层理弱面，并继续向第2层层理弱面发展；当T=581 s时，层理试件端部衍生多条张拉剪切裂隙，同时第1条竖向张拉裂隙穿透2组层理弱面贯穿整个试件，伴随剧烈的响声，试件发生张拉剪切脆性破坏，含2组层理面白云岩试件从宏观裂隙的萌芽到试件的最终破坏共持续17 s。

T=652 s前，含4组层理面白云岩试件表面无宏观裂隙生成；直到T=652 s时，伴随微小的撕裂声，试件顶端萌生出1条竖向张拉裂隙。随着轴力的不断增加，竖向张拉裂隙沿岩石层理面垂直发展延伸，当T=664 s时，随着荷载的进一步增大，层理弱面附近衍生多条张拉剪切裂隙；7 s后，伴随剧烈的响声，试件发生张拉剪切脆性破坏，含4组层理面白云岩试件从宏观裂隙的萌芽到试件的最终破坏共持续19 s。层理组数越多，试件宏观破坏历程更长，局部张拉剪切裂隙更多，破坏过程更复杂。

(3) 30°层状白云岩

在30°层状白云岩试件的单轴压缩试验中，T=332 s前，含1组层理面白云岩试件表面无宏观裂隙生成；直到T=332 s时，伴随微小的撕裂声，层理面率先开裂产生斜向裂隙。当T=345 s时，斜向裂隙沿层理面继续扩张延伸形成滑移破坏面，6 s后，伴随清脆的响声，层理面上半部分的矿物基质沿此滑移破坏面发生脆性剪切破坏。含1组层理面白云岩试件从宏观裂隙的萌芽到试件的最终破坏共持续19 s。

T=353 s前，含3组层理面白云岩试件表面无宏观裂隙生成；直到T=353 s时，伴随微小的撕裂声，中间层理面率先开裂产生斜向裂隙，另一条竖向拉裂隙于试件底部萌芽，并沿轴向方向扩张发展。随着轴力的逐渐增加，竖向裂隙穿透层理弱面并继续向上延伸，当T=368 s时，另一条竖向张拉裂隙于试件顶端萌芽；随着荷载的继续增大，顶端竖向拉裂隙击穿试件层理弱面并持续向下扩张发展，萌芽于中间层理面的斜向裂隙也持续沿着层理面方向发育。直到T=374 s时，伴随清脆的响声，斜向裂隙率先沿层理面贯穿整个试件，试件发生剧烈的脆性破坏，含3组层理面白云岩试件从宏观裂隙的萌芽到试件的最终破坏共持续21 s。层理组数越多，试件宏观破坏历程更长，延性更强，相较于含1组层理面的白云岩试件，含3组层理面的白云岩试件破坏时局部张拉剪切裂隙更多，破坏模式更复杂。

(4) 60°层状白云岩

在60°层状白云岩试件的单轴压缩试验中，T=295 s前，含1组层理面白云岩试件表面无宏观裂隙生成；直到T=295 s时，伴随清脆的响声，试件顶、底两端的层理弱面附近分别萌生出1条沿层理方向发展的微小斜向剪切裂隙。在T=297 s时，随着荷载的进一步增加，试件顶、底两端的斜向剪切裂隙沿层理面继续扩张延伸形成滑移破坏面；伴随清脆的响声，层理面上半部分的矿物基质沿此滑移破坏面发生脆性剪切破坏。含1组层理面白云岩试件从宏观裂隙的萌芽到试件的最终破坏共持续2 s。

T=256 s前，含3组层理面白云岩试件表面无宏观裂隙生成；直到T=256 s时，伴随微小的撕裂声，中间层理面率先开裂产生斜向裂隙，另一条竖向拉裂隙于试件底部萌芽，并沿轴向方向扩张发展。当T=259 s时，随着轴力的逐渐增加，多条斜向剪切裂隙与竖向张拉裂隙贯通；2 s后，试件发生沿结构面滑移的脆性剪切破坏，含3组层理面白云岩试件从宏观裂隙的萌芽到试件的最终破坏共持续5 s。相较于含1组层理面的白云岩试件，含3组层理面的白云岩试件宏观破坏历程更长，延性更强，但2种岩样的破坏模式均以剪切滑移破坏为主。

(5) 90°层状白云岩

在90°层状白云岩试件的单轴压缩试验中，T=439 s前，含3组层理面白云岩试件表面无宏观裂隙生成；直到T=439 s时，伴随微小的撕裂声，竖向张拉裂隙于中间竖向层理面中部附近率先萌芽，并沿中间层理两端迅速扩张延伸。当T=444 s时，右侧层理面底部萌生出另一条竖向张拉裂隙，并沿右侧层理面方向竖向扩张延伸；当T=448 s时，左侧层理面中部萌生出第3条竖向张拉裂隙，并沿左侧层理两端迅速扩张发育；几秒后，试件中部衍生多条水平剪切裂隙，并沿垂直层理面方向横向发展。当T=452 s时，横向裂隙与层理面竖向张拉裂隙连通，试件发生剧烈的脆性破坏，含3组层理面白云岩试件从宏观裂隙的萌芽到试件的最终破坏共持续了13 s。含4组层理面白云岩试件的宏观破裂同样始于中间层理结构的破坏，随着轴向荷载的逐渐增大，两侧竖向层理结构先后开裂，层间横向裂隙萌芽发育，一段时间后，层间裂隙贯穿层理结构，试件发生强烈的脆性破坏。相较之下，含4组层理面白云岩试件被张拉切割到最终弯折破坏的用时更短，由于层理组数更多，试件受挤压后形成的独立岩板越薄，更易发生弯折破坏。

综上，完整白云岩试件总加载时间长，但宏观破裂历程更短，脆性破坏特征更明显；层理白云岩试件总加载时间更短，但宏观破裂历程更长，且随着层理组数的增加，试件压裂破坏特征越复杂，破坏模式如图 2所示。图中虚线为裂隙，实线为层理面。

完整白云岩主要发生张拉劈裂脆性破坏。竖向张拉主裂隙于端部形成，随着荷载增加，张拉裂隙沿试件轴向扩张延伸，直至贯穿试件。

水平及竖向层状白云岩主要发生张拉剪切脆性破坏。竖向张拉裂隙率先萌芽，随着荷载增加，张拉裂隙沿试件轴向扩张延伸，加载过程中，试件局部衍生多条剪切裂隙，竖向张拉裂隙与局部斜向裂隙连通，试件破坏。

30°层状白云岩主要发生滑移剪切和局部张拉复合脆性破坏。斜向剪切裂隙率先于试件层理弱面两端萌生，并沿层理弱面方向扩张发育，随着轴向荷载的增加，试件顶底两端局部萌芽多条竖向裂隙。

60°层状白云岩主要发生滑移剪切脆性破坏。斜向剪切裂隙于试件层理弱面顶底两端萌生，随着荷载增加，顶底两端斜向剪切裂隙沿层理弱面方向扩张发育，直至斜向剪切裂隙贯通整个滑移破坏面，试件破坏。

3.3 层理效应对岩石基本力学参数的影响

单轴抗压强度分布特征如图 3所示。层理白云岩试件单轴抗压强度随层理倾角变化呈“U”形发展趋势，当层理倾角在0°~60°范围内，随着层理倾角的增加，层理白云岩试件抗压强度逐渐减小；当层理倾角在60°~90°范围内，层理白云岩试抗压强度逐渐增大，当层理组数相同时，水平层理试件抗压强度最大，约为60°层理试件抗压强度的2.5~3.0倍。层理试件的单轴抗压强度还与层理间距密切相关，随着层理间距的减小，白云岩被层理构造弱面切割成更多的独立块体，其完整性更低，单轴抗压强度更低，独立的岩块之间仅通过层间黏结力实现共同受力变形。

弹性模量分布特征如图 4所示。层理白云岩试件弹模随层理倾角变化呈“U”形发展趋势，当层理倾角在0°~60°范围内，随着层理倾角的增加，层理白云岩试件弹模逐渐减小；当层理倾角在60°~90°范围内，层理白云岩试件弹模逐渐增大，当层理组数相同时，水平层理试件弹模最大，约为60°层理试件弹模的1.3~1.5倍。层理试件的弹模还与层理组数密切相关，随着层理间距的减小，层理白云岩试件弹模逐渐降低。这是由于层理组数越多，由层理构造弱面产生的变形越大，当层理面被挤压紧密后，方与完整矿物基质共同受力变形。

4 层状硬岩隧道开挖扰动特性分析 4.1 模型建立

本研究借助大型有限差分软件FLAC3D构建隧址区三维数值计算模型。为了更接近工程实际，综合考虑隧址区特殊的水平层理构造特征，模型计算本构采用横观各向同性弹性体，模型中5个独立的弹性参数根据试验结果和相关文献^[25-27]综合得到，层状白云岩基本力学参数如表 2所示。

隧道宽约为12 m，高约为10 m，为减小边界效应，模型边界至隧道轮廓净距应超过3倍洞径，综合考虑计算机计算能力，设立模型长为60 m，宽为84 m，高为75m。根据现场原位地应力测试结果，模型边界采用应力边界，隧道按全断面法施工，循环进尺为3 m。

为了分析隧道开挖卸荷后掌子面围岩应力转移路径及能量分布特点，模拟隧道循环开挖过程中对拱顶、拱腰、边墙等典型部位进行监测。

4.2 应力条件对岩爆的影响

据现场地应力测试结果，不同段落、埋深、层间距条件下隧址区原岩应力大小并不相同。为探究应力环境对隧道开挖卸荷后围岩应力及能量分布规律的影响，固定岩层厚度为30 cm，分别模拟最大主应力为30，40，50，60 MPa的应力环境下隧道开挖支护全过程。隧道采取全断面工法开挖，循环进尺为3 m。

围岩最大主应力与初始应力水平关系曲线如图 5所示。各测点处围岩最大主应力均随初始应力的增加呈线性增大；相较之下，拱顶处围岩应力拟合曲线最陡，在相同初始应力增量下，拱顶处围岩应力增长最快，边墙处围岩应力增长最慢。各边界条件下，隧道开挖后拱顶围岩最大主应力分别为55.24，74.83，92.74，114.32 MPa，约为初始应力值的2倍。隧道开挖卸荷后，拱顶处岩体应力集中程度更大，围岩更易发生破坏。

围岩弹性应变能与初始应力水平关系曲线如图 6所示。各测点处围岩弹性应变能均随初始应力的增加呈指数形式增大；相较之下，拱顶处围岩弹性应变能拟合曲线最陡，在相同初始应力增量下，拱顶处围岩弹性应变能增长最快。各应力环境下，隧道开挖后拱顶围岩弹性应变能分别为96.7，143.9，217.4，304.4 kJ/m³；初始应力由30 MPa增至60 MPa时，拱顶处围岩弹性应变能增加了207.7 kJ/m³，即初始应力增加1倍，隧道开挖卸荷后围岩弹性应变能增大2倍以上。由此可知，隧道掘进前通过应力释放孔等手段提前释放围岩压力是防治岩爆发生的有效手段。

4.3 层理间距对岩爆的影响

为探究层间距对隧道开挖卸荷后围岩应力及能量分布规律的影响，固定初始应力环境，即最大主应为45 MPa，中间主应力为25 MPa，最小主应力为18 MPa。分别模拟岩层厚度在10~50 cm工况下隧道开挖支护全过程。

围岩最大主应力与层理间距关系曲线如图 7所示。各测点处围岩最大主应力均随层间距的增加逐渐减小；相较之下，拱顶处围岩应力拟合曲线最陡，在相同层间距增量下，拱顶处围岩最大主应力下降最快，边墙处围岩最大主应力下降最慢。隧道开挖后，洞周围岩应力分布由大到小依次为拱顶、拱腰、边墙。整体上各测点围岩应力拟合曲线均较缓。在10 cm层厚下，隧道开外卸荷后最大主应力为93.2 MPa；在50 cm层厚下，隧道开外卸荷后最大主应力为90.6 MPa，差值不足3 MPa。同时，层理间距越大，围岩应力拟合曲线斜率越接近水平，这说明层理间距对隧道开挖卸荷后围岩应力的影响不大。

围岩弹性应变能与层理间距关系曲线如图 8所示。各测点处围岩弹性应变能均随层理间距的增加逐渐减小；相较之下，拱顶处围岩弹性应变能拟合曲线最陡，在相同层间距增量下，拱顶处围岩弹性应变能降低最快，边墙处围岩弹性应变能降低最慢。隧道开挖后，各测点处围岩能量分布由大到小排序依次为拱顶、拱腰、边墙，其中拱顶处岩体弹性应变能最大。不同层间距下，隧道开挖卸荷后拱顶岩体弹性应变能分别为235.7，197.8，178.4，165.8，154.0 kJ/m³，层理间距由10 cm增至50 cm时，拱顶处围岩弹性应变能降低了81.7 kJ/m³，即当围岩层理间距扩大5倍时，弹性应变能缩小1.5倍。

5 层状硬岩隧道岩爆孕育机理分析

由单轴试验结果可知，在平行层理方向的轴向荷载作用下，90°层理白云岩试件的中间层理弱面率先发生开裂破坏。随着轴向荷载的逐渐增大，两侧竖向层理结构先后被挤压开裂，层间横向裂隙萌芽发育。一段时间后，层间裂隙扩张连通形成宏观破裂面，岩石内部积累的弹性应变能急剧释放，岩石发生剧烈的脆性破坏。层理组数越多，岩层间距越小，岩体劈裂形成的岩板越薄，受水平挤压时更易发生折断破坏。相较之下，完整白云岩压缩时间更长，岩石强度更大，脆性破坏更剧烈。

数值计算结果表明，隧道开挖卸荷后，拱顶浅层岩体应力集中程度最大，最大主应力约为初始应力的2倍；同时拱顶浅层岩体积累的弹性应变能最多，能量分布由大到小排序依次为拱顶、拱腰、边墙。掌子面各测点围岩弹性应变能均随初始地应力的增加呈现指数形式增大。相较之下，拱顶处围岩弹性应变能拟合曲线最陡。在相同应力增量下，拱顶处围岩弹性应变能增涨最快，边墙处围岩弹性应变能增涨最慢。层理间距的变化不影响洞周能量的分布规律，但层理间距越小，岩体储能越大。从能量角度出发，拱顶浅层岩体储能最多，隧道开挖后拱顶裸露岩体更易发生岩爆。

综合单轴试验结果和数值计算结果，层状硬岩隧道的岩爆主要由薄层岩板的弯折断裂引起。隧道开挖后，拱顶浅层岩体层间薄弱结构面在2倍初始应力的水平挤压作用下发生开裂破坏，岩体被分割成独立的岩板。随着挤压应力的不断增加，岩板层间裂隙萌生扩张，直至径向贯穿岩板，伴随能量的急剧释放，拱顶浅层岩体发生强烈的弯折破坏，由此产生岩爆，其孕育机理如图 9所示。岩爆受初始应力环境和岩层厚度影响，初始应力环境越大，岩体积累的能量越多，隧道掘进扰动后，岩体能量释放，越易发生岩爆；岩层间距越小，层理结构被挤压开裂后形成的岩板越薄，越易折断产生岩爆。

张航^[17]和Yao^[28]的研究表明，岩爆的破坏过程是伴随着岩体裂隙的扩展，由渐进破裂到突然破坏的过程。对于完整硬岩隧道亦或是存在构造弱面的非匀质硬岩隧道，岩爆的发生均经历了裂隙萌生—发育—扩张—贯通—生成宏观破裂面—动力失稳破坏的过程。不同于匀质硬岩隧道，层状岩体层间构造弱面的存在降低了岩体完整性和强度，外力作用下构造弱面先于完整矿物基质被挤压开裂。相较于匀质硬岩隧道，层状硬岩隧道更易发生岩爆，正是由于层状硬岩隧道岩体起裂点更早，发生岩爆时，岩体内部积累的弹性应变能往往低于完整硬岩隧道，故同一应力环境下，层状硬岩隧道发生的岩爆烈度低于完整硬岩隧道。

6 结论

本研究依托某高地应力隧道工程，结合室内试验和数值模拟，分析了不同层理组数及层理倾角下白云岩的变形破坏历程，并探究了层状白云岩的开挖扰动特性及能量分布规律。

(1) 在单轴压缩下，层理岩样会经历裂隙萌生—发育—扩张—最终破坏的演化历程，0°层理白云岩和90°层理白云岩主要发生张拉剪切复合脆性破坏；当层理组数较少时，30°层理白云岩主要发生剪切滑移脆性破坏，当层理组数较多时，主要发生剪切滑移和张拉劈裂的复合脆性破坏；60°层理白云岩的破坏模式均为沿构造弱面的滑移脆性破坏。随着层理组数的增加，层理白云岩试件的宏观破裂历程更长，破坏特征更复杂。完整白云岩主要发生张拉劈裂破坏，岩样总加载历程更长，但宏观破裂历程短，脆性破坏更剧烈。

(2) 隧道开挖后，拱顶处岩体应力集中程度更大，岩体弹性应变能集聚更多，更易发生破坏。随着初始应力环境的不断增加，掌子面洞周围岩最大主应力呈线性增涨，同时围岩弹性应变能呈数形式增大；相较之下，拱顶处围岩弹性应变能拟合曲线最陡，在相同初始应力增量下，拱顶处围岩弹性应变能增长最快，边墙处围岩弹性应变能增长最慢。初始应力增加1倍，隧道开挖卸荷后，围岩弹性应变能增大2倍以上，通过应力释放孔等手段提前释放围岩压力是防治岩爆发生的有效手段。

(3) 隧道开挖卸荷后，洞周围岩应力、弹性应变能均随层间距的增大而逐渐减小；相较之下，拱顶处围岩应力、能量拟合曲线最陡，随层间距的增大下降最快，边墙处下降最慢。层理间距越大，围岩应力拟合曲线斜率越接近水平，这说明层理间距对隧道开挖卸荷后围岩应力的影响不大。相较之下，岩体弹性应变能对岩层间距更加敏感，当层间距扩大5倍时，隧道开挖后，洞周岩体能量增大1.5倍，层间距越小，越易发生岩爆。

(4) 层状硬岩隧道的岩爆主要由薄层岩板的弯折断裂引起。隧道开挖后，拱顶浅层岩体层间薄弱结构面在水平挤压作用下发生开裂破坏，岩体被分割成独立的岩板。随着挤压应力的不断增加，岩板层间裂隙萌生扩张，直至径向贯穿岩板，伴随能量的急剧释放，拱顶浅层岩体发生强烈的弯折破坏，由此产生岩爆。层理间距越小，层理结构被挤压开裂后形成的岩板越薄，越易折断产生岩爆。从能量角度出发，拱顶浅层岩体储能最多，隧道开挖后拱顶裸露岩体更易发生岩爆。