深埋高地温隧道轴向链式岩爆的特征与形成机制：基于现场监测与热力耦合实验的启示

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Characteristics and formation mechanism of axial chain rockbursts in deep-buried high-geothermal tunnels: Insight from field monitoring and thermo-mechanical experiments

　　

摘要轴向链状岩爆（ACRs）是高地热条件下深埋隧道施工中的关键灾害，然而，在此类环境下的触发机制尚不充分理解。本研究通过整合现场调查、温度监测、微震分析和真三轴试验，对中国西南地区一个典型高地热隧道中的 ACRs 进行了系统调查。主要发现表明，ACRs 优先发育于高温干燥岩体中，其陡倾角片麻理与隧道轴线成小角度排列。与低至高温区相比，中高温区的微震活动和能量释放显著更明显。虽然片麻岩强度对温度相对不敏感，但其储能能力随温度显著增加，91.3°C 时的弹性应变能比 33.4°C 时高出 40.44%。ACRs 的成核演化经历四个不同阶段：能量积聚伴随初始拉伸破裂、渐进破裂和事件聚集、伴随从拉伸到混合模式和剪切破坏的过渡的序贯岩爆发生，以及最终能量耗竭导致稳定。这些见解为预测和减轻未来地热隧道项目中的 ACRs 风险提供了机制基础。

1. 引言

岩爆是一种在硬岩隧道开挖和深部采矿活动期间发生的动态地质灾害（Cai, 2024）。其特点是突发性强和不确定性大（Wu 等，2025；Zhou 等，2024）。岩爆可能导致人员伤亡和设备损坏，中断生产，延误建设，从而严重制约施工效率（Zhang 等，2024）。例如，在中国锦屏二级水电站建设期间，同一区域反复发生数次强烈岩爆。这些事件导致七人死亡、一人受伤，且隧道掘进机被岩爆完全掩埋（Zhang 等，2012）。更关键的是，在同一隧道段内的相邻位置可能会相继发生多次岩爆。当此类事件沿隧道轴线顺序发展时，被称为 ACRs。ACRs 描述的是沿隧道轴线连续发生多次岩爆的过程，形成一系列连续的爆坑（Li 等，2025b；Liu 等，2026）。与单次岩爆相比，链状岩爆持续时间更长，破坏影响更大（Fu 等，2024）。在一个代表性的深埋隧道中，开挖期间发生了五次岩爆，在约 34 米的长度范围内对围岩造成广泛破坏。整个过程从第一次到最后一次岩爆持续了约五天，对施工进度以及人员和设备安全构成严重威胁（Ma 等，2025）。因此，研究深部工程开挖中 ACRs 的形成机制具有重要意义。

随着埋深增加，围岩温度逐渐升高，进一步加剧了岩爆的不确定性和随机性，使得预测岩爆的位置和强度变得更加困难（Li 等，2026；Su 等，2017；Zhang, 2026）。在高温环境施工中，岩爆灾害可能十分严重，如桑珠岭隧道的例子所示，其围岩温度最高可达 89.5℃（Yan 等，2019），以及在布伦口 - 库地水电站，测得的最高岩石温度约为 105℃（Liu 等，2013），导致施工期间频繁发生岩爆。中国西南地区地质活动复杂，地热环境多样。隧道施工中的热害问题日益突出（Han 等，2024；Luo 等，2024），因为温度会影响岩石性质，进而影响岩爆倾向（Liu 等，2023b；Wang 等，2024）。岩爆可能导致严重的人员伤亡、机械损坏、项目延误和经济损失（Jiang 等，2025；Si 等，2024）。因此，研究高地热地下隧道中 ACRs 的特征和机制至关重要。

过去几十年，研究人员对深部地下工程中应变型岩爆（Liu 等，2020；Zhang 等，2024）、断裂型岩爆（Zhang 等，2022；Zhang 等，2023）、应变 - 结构面滑移型岩爆（Feng 等，2019a）、间歇性岩爆（Feng 等，2019b）和延迟岩爆（He 等，2025；Yang 等，2025）的特征和机制进行了广泛而深入的研究。近年来，研究人员还在深部地下工程建设中发现了两种新型岩爆：隧道轴向链状岩爆（ACRs）（Li 等，2025b）和隧道径向链状岩爆（Fu 等，2023）。研究发现，地应力、岩石类型、岩体结构和开挖是影响上述岩爆的关键因素（Niu 等，2024）。由于此类岩爆的持续性和严重破坏力，显著影响隧道施工进度和工人安全，迫切需要进一步研究其发生特征和形成机制。

在深部地下工程中，高地热温度是影响岩爆的关键因素（Li 等，2024）。大量实验室实验表明，在工程项目遇到的温度范围内，高温会增加岩石的储能能力或脆性，导致岩爆发生（Liu 等，2023b；Si 等，2024；Wang 等，2024）。由于矿物的不均匀膨胀，超过一定阈值温度会导致岩石内部热破裂。例如，在西藏某地，花岗岩热破裂的阈值温度为 70°C（Zhou 等，2022）。在物理模型中，随着温度从 20°C 升至 80°C，岩爆过程中释放的能量也随之增加，导致岩爆更加严重（Li 等，2022）。数值模拟显示，开挖过程中高地热温度在岩体中引起额外的热应力，在热效应下加剧岩爆发生（Yan 等，2020）。需要注意的是，以前的研究尚未报告高地热温度如何影响隧道施工期间的岩爆。因此，有必要研究深埋隧道中高地热温度对岩爆的机制影响。

本文以中国西南地区一个深埋典型高地热隧道项目为例，研究开挖过程中 ACRs 的发生情况。通过地质调查、微震监测、现场温度测量和高温真三轴压缩试验，本文调查了 ACRs 区域的破坏和时空演化特征，以及片麻岩在真三轴压缩下的力学性质和声发射特征，从而阐明了 ACRs 的形成机制。

2. 深埋高地热隧道中 ACRs 的发生特征

2.1. 工程背景

本研究调查的深埋高地热隧道位于中国西南地区。隧道最大埋深约为 2080 米。ACRs 主要发生在约 700-800 米深度，如图 1(a) 所示。最大主应力为 43.46 MPa，方向为 N46°E。隧道开挖方向为 N22°E。因此，最大主应力与隧道轴线成小角度相交。隧道穿过片麻岩地层，其中片麻理也与隧道轴线成小角度相交。主应力的大致方向如图 1(b) 所示。隧道采用钻爆法（D&B）开挖，包括钻孔、装药、爆破、出渣和支护安装。每循环进尺约为 3.0-3.5 米。隧道高 7.5 米，宽 7.5 米，如图 1(b) 所示。

图 1. 隧道地质条件和三维原位应力状态。

由于构造压缩，局部区域表现出高地震活动性和强烈的板块运动。地壳中发育了多个异常热传递结构。地下热源沿这些断层出现，最深的断层长度约为 7587 米。因此，隧道场地受到局部熔融和新构造运动形成的新近纪火成岩效应的影响，导致大面积地热异常。

在隧道区域内，地温超过 37℃的隧道段长度约为 3 公里，占总长度的约 41.7%。H2+327 处的测量岩石温度为 91.3°C，如图 2(a) 所示。虽然该监测点位于主要研究段之外，但它紧邻研究区域，因此被认为具有代表性。在隧道掌子面附近，环境温度经常长时间接近 40℃（见图 2(b)）。几名工人因这些条件而中暑。因此，该隧道面临严重的高地热挑战。

图 2. 隧道掌子面附近的典型岩石温度和环境温度。

图 3 展示了沿隧道轴线平均岩石温度的分布。根据 TB10027-2022《铁路工程不良地质勘察规程》规定的热区分类，研究段长度约为 3 公里。此温度分区标准是基于隧道壁处的围岩温度定义的（Yan and Che, 2022）。热区分布如下：正常温度区占 2.03%，低 - 高温区占 36.30%，中 - 高温区占 44.70%，高高温区占 2.20%，超高温区占 14.76%。各热区沿隧道轴线的范围总结于表 1。此外，热区沿隧道变化频繁。每个研究段包含一个 ACRs。对应的里程为 H1+263-H1+242 和 H0+982-H0+973，分别位于中 - 高温区和低 - 高温区。为方便描述，位于中 - 高温区的 ACR 被称为 ACRs Ⅰ，而位于低 - 高温区的那个被称为 ACRs Ⅱ。每个轴向链序列中的单次岩爆事件按时间顺序编号为岩爆 1、岩爆 2、岩爆 3 等。

图 3. 沿隧道轴线的隧道壁温度分布。

表 1. 地温区分类标准（TB10027-2022 铁路工程不良地质勘察规程）和隧道温度区分类（Yan and Che, 2022）。

| 地温区分类 | 温度限值 (℃) | 基于里程的温度分类 |
| :--- | :--- | :--- |
| 地热正常区 | t ≤ 28 | H2+603 ～ H2+550 |
| 低 - 高温区 | 28 < t ≤ 37 | H2+550 ～ H2+310, H0+990 ～ H0+726, H0+442 ～ H0+007 |
| 中 - 高温区 | 37 < t ≤ 50 | H0+726 ～ H0+442, H1+860 ～ H0+990 |
| 高温区 | 50 < t ≤ 60 | H1+926 ～ H1+860 |
| 超高温区 | t > 60 | H2+310 ～ H1+926 |

2.2. 深埋高地热隧道中 ACRs 的发生过程

本研究调查的隧道是交通隧道。目前，中国的岩爆分类通常基于 Feng 等人（2019d）提出的标准。根据爆坑深度，岩爆可分为四类：轻微岩爆（0–0.5 m）、中等岩爆（0.5–1.0 m）、强烈岩爆（1–3 m）和极强烈岩爆（>3m）。因此，本研究采用此分类标准。

如图 4 所示，一系列 ACRs Ⅰ于 2023 年 8 月 24 日至 29 日期间在里程 H1+263 和 H1+242 之间沿隧道轴线发生。该序列包含六次连续的岩爆事件，包括四次轻微岩爆、一次中等岩爆和一次强烈岩爆，表现出明显的时空链式破坏模式。H1+263–H1+242 表示 ACRs Ⅰ岩爆区的整体轴向范围。

图 4. ACRs Ⅰ的破坏特征。

早期岩爆（图 4(a)-(d)）主要局限于隧道拱顶，观察到浅层剥落和有限的块体脱落，表明在高应力集中下的局部脆性破坏。

在第五次岩爆期间（图 4(e)）观察到破坏模式的显著转变，转移至右拱腰并涉及大块完整岩石块的剧烈抛射。形成一个深度约为 1.4 米的深 V 形坑，反映了积聚应变能的突然释放。

第六次岩爆（图 4(f)）进一步加剧了右拱腰处的破坏，显示出碎片抛射，伴随爆炸性声发射和大量粉尘产生。

与前序事件相比，这一阶段表现出更分散的破坏模式，表明在主要释放事件之后能量发生了渐进式重新分布，最大坑深约为 0.8 米。图 4 捕捉到的从拱顶到右侧拱肩的破坏空间迁移，突显了片麻状构造施加的强结构性控制，它引导了 ACRs 的局部化和演化。2024 年 3 月 19 日至 22 日，在桩号 H0+982 至 H0+973 之间的隧道轴线上发生了一系列四次岩爆，如图 5 所示。与 ACRs I 相比，ACRs II 中的所有四次岩爆事件都集中在隧道拱顶，破坏没有明显的侧向迁移。

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图 5. ACRs Ⅱ的破坏特征。

该系列包括三次轻微岩爆和一次中等岩爆。所有四次岩爆事件均位于隧道拱顶。岩爆坑表现出相对较浅的深度和龟壳状破裂模式，在第四次事件中尤为明显（图 5(d)）。第四次岩爆的最大坑深约为 0.6 米。图 6 总结了两组 ACRs 序列中最大岩爆坑深的演化过程。尽管空间破坏模式存在差异，但两组 ACRs 都表现出坑深随后续事件逐渐增加的整体趋势，表明在 ACRs 发展过程中能量累积和释放的渐进性。ACRs I 的坑深增加更为显著，而 ACRs II 的增加则更为平缓。

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图 6. 深埋高温隧道中两组 ACRs 序列期间最大岩爆坑深的演化。

### 2.3. 控制 ACRs 的地质条件

隧道开挖期间，记录了每个开挖循环的周围岩层地质条件和岩爆活动。图 7 展示了中高温区和低温 - 高温区 ACRs 的地质赋存情况。岩爆坑的空间分布与白色填充裂隙的几何形状和方向表现出明显的对应关系，表明 ACRs 的发展受到强结构性控制。

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图 7. 沿隧道的 ACRs 地质赋存图。

在 ACRs I 中（图 7 (a)），在桩号 H1+263 至 H1+242 范围内，多条层状白色填充裂隙从隧道拱顶连续延伸至右侧拱肩。这些裂隙形成了一条结构廊道，岩爆坑沿此廊道从拱顶向右侧拱肩逐渐迁移。裂隙迹线与岩爆坑之间的空间重合表明，ACRs 的演化是由这些低角度裂隙的连续延伸所引导的。ACRs II（图 7 (b)）受两条呈 Y 形排列的相交白色填充裂隙控制。这两条裂隙充当结构边界，限制了岩爆坑，岩爆坑主要分布在隧道掌子面前方。与 ACRs I 中观察到的渐进侧向迁移不同，ACRs II 中的岩爆破坏在空间上保持受限，反映了不同的结构控制模式。

与两组 ACRs 相关的白色填充裂隙的几何特征总结在表 2 中。尽管空间配置存在差异，但两组 ACRs 涉及的裂隙表现出两个共同特征：(1) 相对于隧道轴线的走向角较小，(2) 倾角较高。

**表 2. 典型案例中裂隙的描述。**

| 案例 | 倾向 (°) | 倾角 (°) |
| :--- | :--- | :--- |
| ACRs Ⅰ | 2 ～ 20 | 65 ～ 73 |
| ACRs Ⅱ | 2 ～ 5 | 63 ～ 77 |

对于 ACRs I，裂隙走向与隧道轴线的夹角小于 20°，而与 ACRs II 相关的裂隙几乎与隧道轴平行。这样的几何特征促进了沿隧道轴线的应力集中和能量累积，为轴向连锁岩爆的发展提供了有利条件。

对 ACRs II 的岩爆坑进行了详细的岩性调查，揭示了岩爆行为受到强岩性控制。如图 8 所示，周围基岩被识别为具有粒状结构的角闪石 - 黑云母斜长石片麻岩，而白色填充裂隙主要由含石榴石斜长石麻粒岩组成。

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图 8. 岩性和成分分析。

表 3 中总结的定量矿物学结果表明，基岩与裂隙填充物之间存在显著的成分差异。裂隙填充物中的斜长石含量达到约 72%，显著高于基岩（35-40%）。据报道，高斜长石含量会降低岩石强度同时增加脆性，从而促进突发破坏。相比之下，基岩含有较高比例的黑云母（20-25%），研究表明这与岩石强度呈负相关（ündül, 2016）。

**表 3. 隧道中基岩与填充裂隙的岩性和矿物含量对比分析。**

| | 岩性 | 矿物成分、含量 (%) 及粒径 (mm) | | || | | | | | |
| :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- |
| | | **A 斜长石麻粒岩** | **Pl** | **Q** | **Bt** | **Hbl** | **Grt** | **Chl** |
| | | | 72 | 10 | 5 | 5 | 5 | 3 |
| | | | 0.2–1 | 0.1–0.5 | 0.1–1 | 1–2 | 1–2 | 0.1–0.3 |
| | | **B 黑云母 - 斜长石片麻岩** | **Pl** | **Q** | **Bt** | **Hbl** | **Pl** | **Ep** |
| | | | 35–40 | 10 ～ 15 | 20 ～ 25 | 15 ～ 20 | 2 ～ 3 | 1 ～ 2 |
| | | | 2–4 | 1–3 | 0.2–2 | 0.5–2.5 | 1–2 | 1–3 |

注：Q - 石英，Pl - 斜长石，Bt - 黑云母，Hbl - 角闪石，Grt - 石榴石，Chl - 绿泥石，Px - 辉石，Ep - 绿帘石。

此外，与基岩相比，裂隙填充物的矿物颗粒更细。以往研究表明，较高比例的细粒矿物可以增强裂纹萌生应力和损伤应力，导致更突然的脆性破坏（Cowie and Walton, 2018）。因此，基岩与白色填充裂隙之间的岩性对比为岩爆在这些裂隙处的引发和局部化提供了有利的物质条件。

尽管 ACRs I 和 ACRs II 位于不同的地热区，但两者均发生在同一深埋隧道中，以片麻岩为周围岩层，且均受倾角陡峭、走向大致相似的结构面控制，走向与隧道轴线成小角度或几乎平行。在 ACRs I 中，主要结构面与隧道轴线的交角约为 2°-20°，倾角约为 65°-73°，而在 ACRs II 中，相应角度分别为 2°-5°和 63°-77°。因此，这两种情况在基本地质条件方面大致可比。

### 2.4. ACRs 区域的钻孔温度分布

为了准确表征 ACRs 区域周围岩层的地热条件，在隧道建设期间采用了分布式光纤布拉格光栅（FBG）温度监测系统来测量周围岩层的钻孔温度。测量方案和安装布局如图 9 所示。该系统最大可测量温度超过 120°C，测量精度为±0.5°C，满足深埋高温隧道温度监测的精度要求。

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图 9. 钻孔温度监测方案和光纤光栅传感器安装。

测温 FBG 传感器沿光纤间隔 2 米排列。在 ACRs 区域附近钻了近乎水平的测温钻孔。感应电缆通过锚固剂固定在 PVC 保护管内，并插入钻孔底部。随后，对钻孔环空和孔口进行密封（图 9(b)），以有效减少隧道通风和施工干扰对温度测量的影响。这种安装确保了记录的温度尽可能接近周围岩层的原位地热条件。在两个不同的地热区，钻孔分别布置在桩号 H1+228 和 H0+860 处。钻孔深度为 10 米，轴线大致水平，钻入隧道右侧壁周围岩层，以获取 ACRs 区域的温度剖面。

图 10 展示了两组 ACRs 区域钻孔温度随深度的变化。结果表明，在距隧道壁约 0-6 米的范围内，钻孔温度随深度迅速增加。当钻孔深度超过 6 米时，温度增加变得不那么明显并逐渐稳定。基于稳定温度段，从中高温区隧道壁到深部周围岩层的温差约为 35°C，而低温 - 高温区相应的温差约为 22°C。这些结果为后续高温条件下 ACRs 机理分析提供了可靠的热边界条件。

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图 10. ACRs 区域周围岩层温度随深度的变化。

### 3. 微震监测设备与高温真三轴测试系统

#### 3.1. MS 监测系统配置

MS 监测系统的布局设计符合 ISRM 岩石破裂过程原位 MS 监测建议方法（Xiao et al., 2016a），如图 11(a) 所示。监测系统由中央监控单元、多个 MS 传感器和信号传输电缆组成。传感器是单向速度传感器，频率响应范围为 10-2000 Hz，灵敏度为 100 V/(m/s)。数字数据采集系统的采样频率为 4000 Hz。传感器使用嵌入钻孔的波导杆安装在周围岩层中。每根波导杆的长度通常超过开挖引起的损伤区厚度，并使用锚固剂固定到位。类似的安装方法已广泛应用于其他深埋地下工程项目中。

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图 11. MS 监测设备、布局方案及数据处理流程。

如图 11(a) 所示，在隧道掌子面后方安装了两排单向 MS 传感器，每排布置四个传感器，总共八个传感器。为了减少爆破作业对传感器的潜在影响，靠近掌子面的一排安装在距掌子面约 70 米处。根据推荐的安装规范，监测段之间的最佳间距约为 30 米；因此，两排传感器之间的距离设置为 30 米。随着隧道开挖前进约 30 米，原来的前排传感器位于隧道掌子面后方约 100 米处。在此阶段，后排传感器被回收并重新安装在前进掌子面后方 70 米处。这种循环搬迁策略实现了紧密跟随隧道轴线沿掌子面的连续、实时 MS 监测。

#### 3.2. 微震事件识别与震源定位

为了提高 MS 数据中岩石破裂信号的识别准确性，采用了一种基于神经网络的信号识别方法来区分岩石破裂信号与施工噪声（Feng et al., 2019b）。该方法使用由纯岩石破裂信号和代表性噪声信号组成的标记数据集进行训练和验证。以往研究表明，在隧道施工条件下，该方法的识别准确率超过 94%，能够有效地识别真实的岩石破裂事件（Xiao et al., 2016b）。在本研究中，该方法被用作关键的数据筛选步骤，以确保 ACRs 分析仅基于有效的岩石破裂事件。此外，采用了一种基于深度学习的噪声过滤技术来进一步抑制施工活动引起的干扰。不同类型事件的典型波形如图 11(b) 所示。

由于 MS 传感器阵列安装在距隧道掌子面后方约 70-100 米处，大多数 MS 事件发生在传感器阵列之外。因此，确定和校准地震波速度对于减少震源定位误差至关重要。基于局部敲击试验，当 P 波速度设置为 4800 m/s 时，震源定位误差约为 6 米。由于沿隧道线路的地质条件变化，P 波速度被动态更新以保持 MS 事件定位的准确性。本研究采用的 MS 监测系统已广泛应用于引水工程和深埋隧道中，证明了其可靠性和工程适用性（Chen et al., 2024, Su et al., 2026）。

#### 3.3. 高温真三轴测试装置概述

实验使用东北大学深部金属矿山智能采矿与装备国家重点实验室独立开发的高温真三轴测试系统进行（Liu et al., 2023a）。该系统由应力加载单元、压力容器、温度控制模块和计算机控制单元组成，如图 12 所示。测试系统采用“两个刚性方向和一个柔性方向”的组合加载模式。最大主应力和中间主应力通过刚性加载施加，最大加载能力为 2000 kN。最小主应力使用液压加载施加，提供最大 70 MPa 的围压。该系统能够在高达 250°C 的实时温度下进行岩石力学测试。

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图 12. 高温真三轴压缩测试系统。

#### 3.4.

基础验证试验

为确保高温真三轴试验结果的可靠性和稳定性，在正式分析之前，使用相同设备对片麻岩试样进行了两组重复性试验。试验在相同的应力条件下进行，即 σ3 = 5 MPa，σ2 = 20 MPa，而温度分别设定为 34 °C 和 91 °C。这两个温度代表了所研究隧道的典型热条件，其中 34 °C 是沿隧道常见温度，而 91 °C 接近记录到的最高岩石温度。

图 13 展示了在 σ3 = 5 MPa 和 σ2 = 20 MPa 条件下，片麻岩试样在两个典型温度下获得的应力 - 应变曲线。结果表明，平行试验的应力 - 应变响应表现出相似的整体形态，峰值强度和关键能量相关参数的变化显示出良好的一致性，没有出现明显的异常波动。主要力学参数的离散度保持在可接受范围内，证明了试样制备、加载程序和数据采集具有良好的稳定性和可重复性。这些结果证实了高温真三轴实验数据的可靠性，为后续围岩破坏特征和潜在机制的分析提供了可信的数据基础。

图 13. 在 σ3 = 5 MPa 和 σ2 = 20 MPa 应力条件下，片麻岩试样在两个典型温度下的验证试验结果。

4. 深埋高温隧道中 ACRs 的微震特征

4.1. 深埋高温隧道中 ACRs 事件的演化

工程活动通常伴随着围岩中裂缝的产生（Tian 等，2025，Zhang 等，2020b）。微震（MS）监测技术和能量释放特征可以有效地表征岩体中发生裂缝的位置和强度。微震事件的空间分布提供了受损区域的可靠表示（Dong 等，2025，Zhao 等，2022）。图 14 展示了与 ACRs Ⅰ相关的微震事件的时空演化特征。在该图中，球体的颜色表示微震事件的发震时刻，而球体大小对应于各自微震事件的对数能量释放。

图 14. ACRs Ⅰ微震事件的空间分布与演化：(a) 当工作面距离岩爆区 3 m 时，由于开挖扰动发生裂缝起始；(b) 在开挖扰动下裂纹进一步扩展，伴随微震能量增加，导致第一次岩爆；(c) 高能级微震事件数量增加，标志着第二次岩爆；(d) 第三次岩爆的发展并向第四次演进；(e) 第四次岩爆期间微震事件集中在工作面右侧；(f) 微震事件持续增加触发第五次岩爆，随后发展为第六次；(g) 第六次岩爆发生，特征为高能事件；(h) 第五次和第六次岩爆位置的破裂事件集中，表明 ACRs 序列结束。

基于监测结果，本研究将 ACRs 成核的起始定义为在岩爆区附近检测到显著微震活动的时点。如图 14 所示，当工作面接近 ACRs 区 3 m 范围内时，由于爆破后的应力重分布和温度梯度引起的热应力，工作面前方发生了对数能量（lgE）大于 3 的微震事件（图 14(a)）。随着开挖扰动下裂纹的扩展和连接，第一次岩爆发生在 H1 + 260 处，伴随高的微震能量释放（图 14(b)）。图 14(c)-(e) 分别展示了与第二次、第三次和第四次岩爆相关的微震事件的空间分布。在第四次岩爆后，微震事件集中在工作面右侧，直到第五次强烈岩爆发生。在此事件之前，微震事件的数量在短时间内迅速增加到 27 个，集中在工作面右侧，包括高能事件（lgE > 5）（图 14(f)）。在第六次岩爆后，工作面前方的微震活动减少，标志着 ACRs 序列的结束。

图 15(a) 和 (b) 分别展示了两个 ACRs 的微震事件和能量释放演化，其中每个点代表 2 小时区间内的微震活动。观察表明，两个 ACRs 之前都伴随着微震活动和能量释放的急剧增加。在特定区域内微震事件数量从低水平向高水平的显著上升可被视为岩爆发生的前兆（Zhang 等，2020a）。此外，在 ACRs 的后期阶段，其中一个岩爆事件表现出了记录到的最高微震活动和能量释放值。

图 15. 两个 ACRs 的微震事件数量和能量演化。

如图 15(a) 和 (b) 所示，在 ACRs Ⅰ的演化过程中，微震活动和能量释放通常保持一定水平。例如，在第一次岩爆发生后，微震活动并未平息，而是在 1 到 5 个事件之间波动。相比之下，ACRs Ⅱ表现出显著更长的静止期，如图 15(b) 所示。这可归因于其发展过程中岩体内部结构相对稳定，导致仅触发了有限数量的微震事件。

4.2. 深埋高温隧道中 ACRs 的微震能量特征

图 16 展示了两个 ACRs 的微震事件能量分布。观察表明，两次岩爆引发的微震事件对数能量主要集中在 0–2 和 2–3.5 范围内。高能事件通常发生在 ACRs 的中后期。例如，在 ACRs Ⅰ中，最后四次岩爆期间记录了超过 3.5 的事件，其中一次事件在第五次岩爆期间甚至超过 5.5。同样，ACRs Ⅱ在其最后一次岩爆期间也产生了一个能量大于 4.5 的事件。因此，随着 ACRs 的进行，高能事件倾向于在后期出现，伴随高能微震事件比例的增加。

图 16. 两个 ACRs 的微震事件能量分布。

尽管两个 ACRs 的对数能量释放主要集中在 0–3.5 范围内，但 ACRs Ⅰ在 2–3.5 范围内的事件比例更高。此外，ACRs Ⅰ的平均能量释放高于 ACRs Ⅱ。这一发现与现有研究观察结果一致，即在 20-80 °C 温度范围内，岩爆过程中释放的能量随温度升高而增加，导致更强烈的岩爆（Li 等，2022）。

5. 深埋高温隧道中 ACRs 的形成机制

5.1. 基于微震信息的围岩破裂机制

在隧道工程中，识别围岩破坏机制的方法已得到广泛应用，包括 S 波/P 波能量比（Es/Ep）法、矩张量分析和 P 波发育程度法。先前的研究表明，矩张量分析在区分张拉和混合模式破坏事件方面是有效的；然而，在某些情况下，其在识别以剪切为主的破坏方面的能力相对有限，报告的准确率通常低于 30%。同样，P 波发育程度法也被证明在可靠识别混合模式破坏事件方面存在困难（Xiao 等，2016b）。考虑到本研究所考察的 ACRs 区围岩复杂的结构条件，其中张拉、剪切和混合模式破坏可能共存，Es/Ep 方法被认为更适合本分析。此外，Es/Ep 方法已广泛应用于深部地下工程围岩破坏机制的调查。因此，本研究采用 Es/Ep 比值来表征围岩的破坏机制。

在地震学中，S 波/P 波能量比（Es/Ep）是表征震源机制的关键参数（Gibowicz 等，1991）。该比值表明了岩石破坏的性质，已广泛应用于研究岩体中张拉、剪切和混合模式破坏机制，以及岩爆现象的分析。基于既定的能量比准则，张拉破坏通常与小于 10 的 Es/Ep 值相关，混合模式破坏与 10 到 20 的值相关，而剪切破坏与超过 20 的值相关（Wang 等，2022）。

确定岩爆过程中的岩体破坏类型在理解岩爆机制中起着关键作用。图 17 (a) 和 (b) 分别展示了两个 ACRs 的 Es/Ep 值。如图 17(a) 和 (b) 所示，两次岩爆的大多数 Es/Ep 值均小于 10，表明张拉破坏占主导地位。

从图 15(a) 中可以观察到，在 ACRs Ⅰ第五次强烈岩爆之前，剪切事件的数量增加了，伴随岩爆事件中大块岩石的抛出（图 4）。在第六次岩爆之前也记录到少量剪切事件。总体而言，张拉破坏事件占 ACRs Ⅰ的 92.29%，混合模式破坏事件占 4.15%，剪切破坏事件占 3.56%。

图 17 (b) 展示了 ACRs Ⅱ的 Es/Ep 值演化。观察显示，在第四次岩爆之前发生了一些混合模式和剪切破坏，最终表现为中等岩爆。在此序列中，张拉破坏事件占 87.34%，混合模式破坏事件占 6.33%，剪切破坏事件占 6.33%。

综上所述，两个 ACRs 在其演化过程中既有相似之处也有不同之处。共同点是，从微震角度来看，在两次中中等和强烈岩爆之前都观察到了剪切事件的发生和显著增加。不同之处在于，由于岩体结构和温度区的差异，ACRs Ⅰ涉及显著更多的小能量张拉事件，大约是 ACRs Ⅱ的 4.3 倍。

ACRs 的演化过程主要经历三个阶段：
阶段 Ⅰ：岩体中以张拉破坏为主。
阶段 Ⅱ：张拉破坏仍占主导，混合模式破坏增加。
阶段 Ⅲ：张拉破坏继续占主导，混合模式破坏进一步增加，剪切破坏出现并显著上升，导致中等和强烈岩爆。

5.2. 高温真三轴压缩下片麻岩的强度与储能

从不同地热区发生的 ACRs 区采集了岩石块体，如图 18(a) 和 18(b) 所示。根据 ISRM 建议的真三轴压缩试验方法（Feng 等，2019c），岩石块体在加工设施中被切割和研磨以满足试验要求。制备了尺寸为 25 × 25 × 50 mm 的矩形试样（图 18(c)）。

图 18. 深埋高温隧道的样本采集与制备。

根据图 1(b) 所示的原位应力条件，最大主应力相对于片麻理呈小角度取向。相应地，试样中的片麻理制备为与加载方向呈约 70°的倾角，如图 18(c) 所示。最小主应力与片麻理呈小角度相交。为了实验设计的简便，假设最小主应力方向平行于片麻理，中间主应力垂直于片麻理，最大主应力与片麻理呈小角度相交，如图 19(a) 所示。高温真三轴试验中应用的应力路径如图 19(b) 所示。为了模拟 ACRs 区开挖边界附近的应力状态，应力设定为 σ3 = 5 MPa 和 σ2 = 20 MPa。此外，采用了几个现场测量的代表性原位温度，即 33.4 °C、52.6 °C、73.3 °C、80.4 °C 和 91.3 °C。目标温度保持约 3 小时以确保试样内的热平衡。需要注意的是，温度是在加载最小主应力之后施加的。详细的实验程序见 Wang 等（2023）。

图 19.

高温真三轴试验中相对于片麻理和加载路径的应力加载方向。图 20 展示了不同温度下真三轴压缩状态片麻岩的应力 - 应变曲线及破坏模式。各温度下的峰值强度分别为 308.86 MPa、304.42 MPa、331.69 MPa、337.89 MPa 和 336.88 MPa。91.3 °C 时的强度比 34.4 °C 时增加了约 28 MPa，增幅约为 9 %，如图 20 所示。总体而言，温度对片麻岩峰值强度的影响有限。

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图 20. 不同温度下真三轴压缩状态片麻岩的应力 - 应变曲线及破坏模式。

加载过程中施加于岩石的总能量由弹性应变能和耗散能组成。采用前述方法 (Zhang et al., 2019) 计算了不同温度下片麻岩的峰值前总能量、弹性应变能和耗散能，结果如图 21 所示。结果表明，91.3 °C 时的总能量比 34.4 °C 时增加了 22.9 %。此外，弹性应变能随温度升高而增加。这些结果表明，在本研究考虑的高温地热温度范围内，围岩在失稳前具有更强的能量积累能力。因此，在失稳时刻有更多的能量可供瞬时释放，从而促进岩爆的发生并加剧其发展 (见图 21)。

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图 21. 不同温度下片麻岩的强度与能量特性。

综上所述，在高温真三轴压缩下，片麻岩的强度受温度影响较弱，而其储能特性——特别是总能量和弹性应变能——表现出显著的温度依赖性。先前的热力耦合实验也表明，在一定的温度范围内 (例如 60–90 °C)，岩石的储能能力和岩爆潜势可能会增强 (Liu et al., 2023b)。此外，对预热花岗岩 (20–100 °C) 的实验结果表明，在特定范围内，峰值弹性应变能随温度升高而增加 (Xu et al., 2022)。

5.3. 深埋高温隧道中活跃裂纹区 (ACRs) 的成核过程

理解活跃裂纹区 (ACRs) 的成核过程对于早期预警和预防具有重要意义。因此，基于微震 (MS) 特性和真三轴压缩实验，深埋高温隧道中活跃裂纹区 (ACRs) 的整个成核过程可分为四个阶段：

阶段 I：能量积累与初始破裂。当工作面前进进入活跃裂纹区 (ACRs) 区域时，高原位应力、高温以及开挖引起的应力重分布加剧了围岩的应力集中，导致初始张拉微裂纹的萌生，如图 22(a) 所示。

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图 22. 深埋高温隧道中 I 类活跃裂纹区 (ACRs) 成核过程的概念模型：(a) 随着隧道工作面前进至潜在岩爆区，局部应力重分布引起初始张拉开裂；(b) 随着隧道工作面的持续推进，裂隙在相邻结构段内扩展，导致首次岩爆；(c) 新形成的开挖边界导致应力集中区向前转移，引起相邻结构段的相继激活；(d) 张拉型和混合型裂隙的进一步扩展导致后续岩爆；(e) 连续的片麻理控制了破坏区沿轴向的逐步迁移，并伴随高能剪切事件的增加；(f) 隧道工作面前进超出连续结构控制的区域后，微震活动和破裂逐渐衰减，围岩进入暂时稳定状态。

阶段 II：渐进破裂与事件聚集。开挖扰动激活了片麻理等特征地质结构，促进裂隙的进一步扩展和贯通。随着隧道掘进，新产生的裂隙向前迁移，最终导致首次或后续岩爆 (图 22(a))。

阶段 III：相邻片麻理的相继激活与高能破坏。随着隧道工作面的持续前进，开挖引起的自由面和相关的局部应力重分布逐渐向未开挖岩体转移。新形成隧道工作面前方的高应力岩体，在开挖卸荷、爆破扰动和结构控制的共同作用下逐渐接近失稳状态。沿隧道方向连续发育的陡倾角片麻理为裂隙扩展提供了优先方向，为相邻破坏区的逐步迁移提供了结构通道。在此过程中，围岩的破坏机制从早期的以张拉破裂为主 (图 22(a) 和 (b)) 演变为张拉 - 剪切混合型破裂 (图 22(c) 和 (d))，随后在后期转变为相对高能剪切破裂 (图 22(e) 和 (f))。

阶段 IV：局部破裂衰减与围岩稳定。随着隧道工作面前进超出连续片麻理控制的区域，有利于相邻破坏区逐步激活的结构条件逐渐减弱。隧道工作面前方岩体中的微震 (MS) 事件数量和能量释放水平显著降低，局部裂隙的扩展受到抑制，围岩进入相对稳定状态。

6. 讨论

现场调查和微震监测表明，深埋高温隧道中活跃裂纹区 (ACRs) 的形成是高原位应力、地质结构、高地温温度和开挖扰动共同作用的结果 (Niu et al., 2024)。主要影响因素及其相互作用如图 23 所示。高原位应力为围岩弹性能量积累提供了基本条件，而开挖卸荷改变了工作面前方的边界条件，引起局部应力重分布和应力集中。在这些条件下，不利取向的劈理面为裂隙萌生、扩展和岩爆发展提供了优先通道，而高地温温度进一步改变了围岩的能量响应。

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图 23. 深埋高温隧道中活跃裂纹区 (ACRs) 主要影响因素概念图。

岩体结构主要控制活跃裂纹区 (ACRs) 的发生位置和破坏范围。在两种情况下，片麻理主要倾角为 60°–80°，其走向与隧道轴线的夹角较小或近乎平行。先前研究表明，结构面的方位和连续性及其与隧道的空间关系，可显著影响隧道横截面上岩爆破坏的位置和范围 (Hu et al., 2020, Wang et al., 2021)。结构面附近的局部应力集中和沿这些平面的剪切滑动也可控制岩爆相关微震 (MS) 事件的空间聚集及其相关的能量释放过程 (Feng et al., 2019a)。因此，当陡倾角片麻理沿隧道轴线连续发育且其走向近乎平行或以小角度相交隧道轴线时，局部破裂更容易沿结构持续扩展，从而促进活跃裂纹区 (ACRs) 的形成 (Li et al., 2025b, Ma et al., 2025)。

此外，每一次爆破循环都会引起卸荷和应力重分布。在多循环开挖过程中，先前受损区域改变了后续的应力场，导致岩爆在截然不同的阶段依次发生 (Li et al., 2025b)。因此，活跃裂纹区 (ACRs) 可被视为围岩在结构控制下逐步积累能量，然后在周期性爆破扰动下发生相继失稳的过程 (Li et al., 2025a)。

隧道开挖后，卸荷引起的应力重新分布，在此过程中岩石内部形成温度梯度并产生热应力 (图 23)。因此，整体应力增加，加剧了开挖后的应力集中程度 (Li et al., 2022)。这导致微震 (MS) 事件数量增加和能量释放增大，如图 15、图 16 所示。因此，在中等 - 高温活跃裂纹区 (ACRs) 的成核过程中，微震活动尤为显著。在真三轴试验中，总输入能量和峰值前弹性应变能均随温度升高而增加，91.3 °C 时的值比 33.4 °C 时高出约 40.4 %。这表明较高的温度有利于围岩在破坏前积累更多的能量，并可能因此在岩爆期间加剧能量释放。微震监测结果与实验发现一致。中等 - 高温区的 I 类活跃裂纹区 (ACRs) 在岩爆成核过程中表现出更持续的微震活动和更高比例的高能事件，而低 - 高温区的 II 类活跃裂纹区 (ACRs) 经历了更多的静默期。这些观察结果表明，高地温温度可能增强围岩的能量积累能力。

基于上述认识，深埋高温隧道中活跃裂纹区 (ACRs) 的风险评估应综合考虑原位应力水平、结构面的方位和轴向连续性、局部结构配置、地热分区以及微震 (MS) 活动的时空演化。在施工前，应特别注意识别陡倾角且连续发育的片麻理结构，这些结构近乎平行或以小角度相交隧道轴线。在施工期间，应在高温段和含有连续结构的区域进行加强监测，特别关注微震 (MS) 事件聚集、能量释放增加以及高能事件数量增长等异常特征。这些观察结果应与隧道工作面位置和开挖循环进行动态评估。在高风险区，可采用减少每个循环的开挖进尺、优化爆破参数、及时加强支护以及适当调整施工顺序和进度等措施，以降低相继发生活跃裂纹区 (ACRs) 的风险。

7. 结论

基于中国西南地区一条高温隧道的现场调查、微震监测和真三轴试验，本研究系统考察了深埋高温环境中活跃裂纹区 (ACRs) 的控制机制。主要结论总结如下：

(1) 活跃裂纹区 (ACRs) 倾向于发生在高温、干燥且含有多组陡倾角片麻理（平行或以小角度相交隧道轴线）的围岩中。随着这些岩爆的发展，岩爆坑的深度逐渐增加，其空间分布受片麻理走向的显著控制。

(2) 在岩爆发生之前，观察到微震 (MS) 事件和能量释放在短时间内急剧增加。高能微震 (MS) 事件的比例随着活跃裂纹区 (ACRs) 的进展而上升。中等 - 高温区在岩爆成核过程中表现出更活跃的微震性，而低温区则保持相对平静。

(3) 虽然片麻岩的峰值强度对温度敏感性有限，但其储能能力显著依赖于温度。随着温度升高，岩石储存弹性应变能的能力也随之增加——具体来说，在 91.3 °C 时，弹性应变能比 34.4 °C 时增加了 40.44 %。

(4) 在高原位应力、连续片麻理、高地温条件和开挖扰动的共同影响下，观察到的活跃裂纹区 (ACRs) 演化包括四个阶段：以张拉裂隙为主能量积累阶段；持续张拉破坏的渐进破裂与事件聚集阶段；伴随从张拉到混合型及高能剪切破坏转变的岩爆依次发生阶段；以及最终能量耗尽导致围岩稳定的阶段。

然而，本研究提出的活跃裂纹区 (ACRs) 概念模型主要适用于受高原位应力和高地温条件影响的隧道工程，其围岩特征为陡倾角片麻理以小角度相交隧道轴线。该模型属于概念性质，目前仅得到有限工程案例的支持。在本研究中，对地质条件大致相似的案例进行了比较，以突出高地温条件的影响。此外，高温真三轴压缩试验主要是为了获得不同温度条件下岩石力学强度和储能能力的相对差异，从而协助解释岩爆机制。在当前阶段，尚未明确考虑尺度效应和岩体各向异性。未来的研究将纳入更多具有相似地质条件的工程案例，以进一步验证提出的模型并改进对高地温条件影响岩爆的理解。此外，未来的研究应将数值模拟与微震 (MS) 监测数据相结合，以提高对活跃裂纹区 (ACRs) 发生的预测能力。

CRediT 作者贡献声明

Yongping Li：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，验证，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。Zaobao Liu：写作 – 审阅与编辑，验证，监督，方法论，调查，资金获取，概念化。Houyu Wang：写作 – 审阅与编辑，验证。

罗子龙：写作 – 审阅与编辑、调查。周宏远：写作 – 审阅与编辑、验证。李永平 | 刘兆宝 | 王厚宇 | 罗子龙 | 周宏远