在松散地层中建设隧道工程或采用浅埋暗挖法修筑城市地铁时,为了防止隧道围岩失稳、有效控制地表沉降,并全面保证围岩处于稳定状态,常采用一些辅助措施对围岩进行超前预支护。管棚预支护是其中广泛使用的一种隧道顶部预支护措施。该技术是在拟开挖的隧道外周边钻设水平孔,然后安装钢管,再进行灌浆固结,使拱顶形成加固的伞形保护环,在该保护环的支撑下,合理的安排施工方案并进行循环掘进和支护施工。该技术能同时提高隧道周边围岩的强度及抗渗性能,从而保证隧道的安全施工。本文基于隧道工程建设采用正交实验设计以管棚预支护条件下隧道围岩稳定性和不同施工方案下的考察指标为研究对象,以期望对以后的下穿隧道工程建设的设计和施工提供借鉴和科学参考依据。主要研究内容如下:(1)基于国内外松散地层中隧道下穿的研究,着重介绍了松散地层大断面隧道开挖的施工技术、隧道下穿既有公路和国内外管棚数值分析研究现状,简单总结超前支护的分类、作用机理以及管棚预支护的研究现状。(2)针对围岩稳定性分析,分析了围岩稳定性的影响因素以及围岩失稳的力学机理与形式,讨论了围岩失稳的判据,并对比围岩失稳判据,把特征点位移突变作为围岩失稳判据。借鉴隧道围岩压力的基本理论,综合考虑隧道埋深,围岩条件,明确了隧道开挖管棚受力荷载的确定以及荷载作用范围。阐述了管棚力学模型建立的基本依据和基本假设。(3)考虑到隧道工程的建设中,围岩稳定性的影响因素较多,引入了正交试验设计。阐述了正交试验的设计理论、相关原则和基本步骤。并根据工程实际情况,运用正交实验设计分析影响围岩稳定性的因素的显著性。(4)引入了 FLAC数值分析软件,建立有限元模型。并根据大顶山隧道下穿公路工程,合理的选取围岩力学参数,采用有限元数值模拟方法,研究了在不同的管棚管长、管棚间距和管棚管径参数条件下,隧道围岩拱顶沉降、塑性区体积和隧道围岩水平位移的大小和规律。通过对比分析确定管棚的最优支护参数。其次研究采用CD法开挖、三台阶开挖和全断面开挖方案下对围岩变形的影响,最终结合工程实际,选取最优的施工方案。