目前国内外矿产资源开采、交通建设以及水电开发等的地下硐室埋深相继超过千米，出现了一系列新的破坏现象。分区破裂作为其中一种典型的破坏现象，造成岩体劣化、围岩稳定性降低，成为地下硐室围岩安全稳定性控制的关注焦点之一。为有效控制分区破裂，维护地下硐室围岩的稳定性和作业的安全性，采用三维光弹应力冻结试验法，直观定量表征硐室分区破裂围岩应力场。从最大主应力方向、最大主应力值和硐室断面形状三个方面，探究硐室围岩的应力场分布，揭示分区破裂形成机理;以此为基础，提出有效控制分区破裂的锚杆支护对策。 研制出三维光弹应力冻结试验加载装置，为实现硐室围岩应力场的直观定量表征奠定了硬件基础。为了保证应力冻结过程中荷载的恒定和不偏心，设计了三维光弹应力冻结试验加载装置，实现了光弹试验模型在恒压作用下的应力冻结，开展了不同最大主应力方向、最大主应力值和断面形状硐室围岩的分区破裂三维光弹应力冻结试验，配合数码光弹仪实现了硐室围岩应力场的有效表征。 揭示了最大主应力方向对硐室围岩分区破裂的影响机制。根据最大主应力垂直和平行于硐室轴向时围岩的应力场分布，采用十步相移法和光弹性应力-光学定律分别计算了硐室围岩全场剪应力和最大剪应力，基于Mohr-Coulumb屈服准则和应变局部化原理，判断了硐室围岩破裂形态。最大主应力垂直硐室轴向时，硐壁附近四个角处发生大块楔体破裂，无分区破裂现象产生;最大主应力平行硐室轴向时，硐室围岩产生分区破裂现象。确定了硐室围岩最大主应力方向平行于硐室轴向是分区破裂现象产生的前提条件。 探究了最大主应力值对硐室围岩分区破裂程度的影响及其形成机理。根据不同最大主应力值的硐室围岩应力场分布，计算了最大剪应力，基于Mohr-Coulumb屈服准则，确定了硐室围岩第一塑性区半径;结合弹塑性力学理论和深部岩体强度准则，定量表征了硐室围岩破裂范围、破裂圈数和破裂区宽度。结果表明，最大主应力值超过岩体抗压强度1.1倍时，硐室围岩开始出现分区破裂。随着最大主应力值的增大，硐室围岩分区破裂范围增大、破裂圈数增多、破裂区宽度增大。基于光弹试验应力场分布和弹塑性力学理论分析，揭示了分区破裂形成的机理为第一个破裂区形成后，应力在空间上多次重分布，进而形成多个破裂区。随着分区破裂向围岩深部发展，破裂区宽度逐层递减，未破裂区宽度逐层递增。 研究了硐室断面形状对围岩分区破裂形态的影响规律。根据断面为圆形、马蹄形、三心拱形和城门洞形的硐室围岩应力场分布，计算了全场剪应力和最大剪应力，基于Mohr-Coulumb屈服准则和应变局部化原理，判断了硐室围岩破裂形态。当硐室断面为圆形和马蹄形时，围岩分区破裂形态呈现出与硐室同心的完整圆环状;当硐室断面为三心拱形和城门洞形时，硐室上部围岩出现不完整圆环形分区破裂现象，而硐室两个底角围岩因应力集中而碎裂，不出现分区破裂现象，表明断面圆滑度较大的硐室围岩易出现分区破裂现象。 基于分区破裂形成机理，提出了“及时支护第一破裂区”的锚杆支护方案，采用数值模拟和理论计算验证了支护的有效性。第一个破裂区形成后，多次应力重分布以及弹塑性转化导致围岩产生分区破裂现象。基于此，通过锚杆支护第一个破裂区，以此控制后续破裂区的发生和演化。数值模拟与理论分析均表明，支护有效地减小了围岩分区破裂范围、破裂区宽度和破裂圈数，验证了锚杆支护方案对减弱和抑制分区破裂现象的有效性和合理性。 三维光弹应力冻结试验可直观呈现硐室围岩应力场分布，以此揭示最大主应力方向、大小和硐室断面形状对分区破裂的影响机理。基于分区破裂形成机理的锚杆支护对策是制定支护方案的基础，研究成果对深部硐室的施工设计及安全维护具有较好的指导意义。
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