管棚超前预支护技术作为一种主要的隧道开挖辅助工法,有效地解决了在某些特殊困难地段面临的问题,如软弱破碎围岩地段、浅埋大偏压地段、地下水活动较强的地段等。然而,工程实践中依然存在许多问题,如管棚系统的支护力、支护效果没有量化,管棚预支护的设计未能优化。基于此,本文采用理论分析、模型试验与数值计算相结合的方式进行研究。主要工作和成果如下：(1)将隧道埋深、管棚条件、围岩的力学性质等因素综合考虑,确定管棚的力学模型与计算参数。分别考虑管棚在纵向、横向的力学模型：以Pasternak弹性地基梁理论为理论依据的纵向计算方法和以微拱理论为基础的横向计算方法结合；提出了管棚系统的极限支护力P管。(2)结合工程实例,自主设计了立体相似试验模型系统,可以实现纵向开挖过程,设计了具有12组36个室内模型试验的正交表,考虑不同管棚布置(无管棚、120°布置、150°布置)、不同覆跨比(H/D=1,2,3)、不同工法(全断面法和台阶法)、不同进尺(D/3和2D/3)等工况；并在试验中使用粒子成像测速(PIV)技术。(3)试验条件下,采用管棚预支护不仅能有效防止坍塌,还能减少59.5%-76.8%的地表最大沉降值；通过试验数据给出了Peck公式中的沉降槽宽度参数K的建议区间,管棚预支护后K值增大0.15左右,在一定范围内管棚布置越密K值越大；分析隧道开挖和加载中围岩破坏过程,受到管棚系统支护力P管作用的围岩在破坏试验中承受的荷载值提高了一倍左右,破坏形式由拱顶坍塌转变为侧壁挤扩。(4)针对南京地铁南北线一期工程珠江路站-鼓楼站-玄武门区间软弱围岩隧道,使用有限差分软件F1ac3D分析,结果显示：使用管棚预支护能够减少74.3%的地表最大沉降和69.0%的拱顶最大位移,与模型试验得到的规律相符,并与现场实测数据比对,验证了管棚预支护系统控制地层变形的实际效果；得到了每一个施工步管棚的内力值,有无管棚情况下围岩塑性区发展和初期支护受力截然不同。本文的研究结果表明：不同覆跨比(H/D=1,2,3)、不同工法(全断面和台阶工法)、不同进尺(D/3和2D/3)等条件下管棚预支护显著减小地表沉降、防止围岩破坏、增加极限加载值。