在复杂地质条件及特殊地段下，隧道开挖通常需要限制地表沉降及拱顶沉降，所以开挖前要进行预加固措施。管棚超前支护技术作为一种隧道开挖的有效加固方案，现已得到广泛应用。但管棚施工及参数设计等方面的研究大多基于经验类比法，该方法主观臆断性较强，往往不能满足施工技术发展的需要，所以进行管棚预支护作用机理及管棚参数设计的研究，对于隧道建设的设计和施工具有重要的现实意义。　　本文在基于国内外管棚支护作用机理研究基础上，根据松动范围内岩体的极限平衡状态得出最大松动高度，以此来确定隧道的深、浅界限，进而得到管棚受力荷载。又根据Winkler弹性地基梁理论，建立出管棚的两类力学模型，并运用数学解析法得到管棚的挠度方程组，转换成矩阵方程求解未知系数。以下穿高速公路段大顶山高铁隧道为研究背景，将该矩阵方程组运用到工程实例中进行求解，得出不同开挖步距及管棚参数对管棚支护效果的影响。　　应用数值模拟软件，依据工程实际选取材料参数，模拟研究了不同开挖方案下管棚的支护效果。通过选取具有一定安全储备的全断面开挖方案，模拟分析了有无管棚下围岩稳定情况、不同开挖进尺及不同管棚参数下管棚支护效果。并结合管棚力学模型解析解的研究结果，对管棚支护参数进行了设计，得出了适宜的管棚参数。　　根据管棚设计后的参数，针对下穿高速段隧道施工进行数值模拟计算，计算结果显示管棚支护有效控制了地表及拱顶沉降，设计后的管棚参数具有合理性。将管棚设计参数运用到工程实际当中，经对现场观测数据与数值模拟结果对比分析，得出两者的地表、拱顶沉降及周边收敛变化趋势基本吻合，进一步证实了管棚参数设计选取的科学有效性，为类似工程设计和施工提供了一定的指导作用。