近年来,人们对深部地下资源及空间的需求日益增加,随之出现了大量的深部岩体工程。由于深部岩体工程处于“三高—扰动”的复杂力学环境中,围岩易发生分区破裂、岩爆及挤压大变形等众多工程灾害。一方面,在洞室开挖初期即需要对深埋围岩进行锚杆支护;另一方面,洞室围岩分区破裂又具有显著的时间效应。因此,工程实际中围岩分区破裂的发生发展过程实质上是杆岩耦合力学作用的结果。本文在总结分析国内外围岩分区破裂研究成果的基础上,以预应力全长锚固锚杆支护后的深埋洞室围岩为研究对象,通过对分区破裂条件下预应力锚杆受力特征的系统分析,建立了不同预应力下深埋洞室围岩分区破裂演化规律的反演分析方法,并提出了针对分区破裂围岩的支护优化设计方案,主要结论如下:(1)建立了锚杆预应力作用下围岩分区破裂的力学判据。考虑预应力锚杆的锚固效应对围岩强度的影响,基于格里菲斯强度理论,当洞室围岩弹塑性边界上的岩体在切向压应力作用下的拉应变到达极限拉应变时将发生径向拉裂破坏。通过分析不同大小锚杆预应力对洞室围岩强度参数的影响,探讨了洞室围岩应力在预应力锚杆支护前后的分布规律,揭示了锚杆预应力对围岩强度的影响机理。(2)分析了分区破裂条件下锚杆中性点沿其长度方向的分布规律。基于预应力锚杆与围岩的协调变形作用原理,构建了分区破裂条件下预应力锚杆与围岩的相互作用力学模型。依据中性点处围岩与杆体间相对位移为零这一特征,推导出围岩分区破裂时杆体中性点位置的不唯一解,为确定围岩分区破裂条件下预应力锚杆中性点位置提供了理论依据。(3)探讨了锚杆预应力对围岩分区破裂空间分布的影响规律。基于锚杆中性点理论,利用杆体中性点位置的多解性反演分析不同预应力条件下任一围岩分区厚度、塑性区厚度以及破裂区厚度,得到了锚杆预应力对围岩分区破裂空间分布的基本影响规律。结果表明:随着锚杆预应力的逐步增大,锚杆中性点逐渐向洞壁移动,洞壁破裂区厚度快速减小;洞壁破裂区范围随锚杆布设密度的增加而减小。(4)研究了预应力锚固条件下围岩分区破裂的时间效应。深埋洞室弹塑性界而上岩体具有显著的流变特性,当其所受切向与径向之间的最大偏应力超过其长期强度时即发生脆性拉裂。根据围岩弹塑性界面上岩体的非线性流变模型及其在切向与径向所受的最大偏应力,建立了计算分区破裂发生时刻的理论公式。算例分析表明,洞壁破裂区发生时刻随锚杆预应力的增大而有所提前。(5)提出了深埋洞室分区破裂的支护优化方案。在研究围岩分区破裂时间效应、破裂区位置、厚度及其数量的基础上,对分区破裂下锚杆的预应力、长度、间排距及其注浆量进行了优化设计,提出了分区破裂的最佳二次支护时机。通过采用中空分段螺旋式注浆锚杆对各破裂区围岩进行分阶段分区注浆,在注浆时间、注浆位置和强度恢复三方面实现对分区破裂围岩的优化支护。