管棚超前预支护技术作为隧道开挖的辅助工法,能够有效地解决隧道在穿越浅埋大偏压、软弱破碎围岩、泥流地下水活动较强等特殊困难地段的隧道开挖问题。该工法已广泛应用于城市地铁等隧道施工当中,并发挥了重要作用,国内的多个软土地层的地下工程实例表明其可靠性。本研究以管棚预支护结构与围岩的相互作用机理研究为对象,分别就管棚的设计与施工、管棚支护结构与围岩的相互作用、工程实际量测及管棚支护效果的有限元分析四方面开展研究,主要研究工作如下: (1) 对超前预支护技术及各支护类型的优缺点进行了系统的总结与评价;对国内应用较多的超前支护方案的特点进行了详细比较分析。针对管棚预支护结构的特点,对其地层适应性、参数设计与施工进行了系统总结,提出了施工中易出现问题的解决方法。 (2) 以土与基础的相互作用理论为基础,建立了基于双参数模型之上的管棚支护结构与围岩相互作用模型,采用解析解得到了管棚结构的扰度方程、转角、弯矩方程及地基反力方程;建立了基于地基反力方程的隧道开挖面边坡稳定评价模型。将该模型应用于实际工程当中,计算出了某隧道在管棚支护下的扰度曲线、地基反力和在该地基反力作用下隧道开挖面的安全系数,同时将管棚结构扰度计算结果与实际测试进行了比较,证明了建立的管棚支护结构与围岩相互作用模型正确,能够与实测结果吻合。 (3) 以某浅埋隧道工程为例,通过对管棚支护下隧道CRD工法开挖时,地表及拱项沉降、管棚应变等进行了量测,结果证明了管棚支护对控制地表下沉、稳定开挖面起到有效作用。 (4)系统分析了地下工程中常用支护措施的力学效果分析方法。通过对管棚超前支护工法的力学效果分析,根据支护结构作用的等效原则,建立了管棚支护效果等效力学模型。利用二维及三维有限元方法分别就两隧道的管棚支护效果进行了评价,再次证明管棚超前支护结合开挖方式能够很好地抑制地表沉降和拱顶下沉,满足工程设计要求。