随着城市的快速发展,为减轻地面上的阻力,城市地铁随之应用而来,而城市地铁中的浅埋暗挖法的分步开挖是一种比较常用的方法,开挖中的预支护方法尤其重要,超前小导管注浆支护凭借安全性能高、预支护效果明显、简单易形和操作灵敏等优点被广泛应用。城市地铁小净距隧道开挖会对既存管线和地表造成不利影响,掌握地下管线和地表的沉降规律工程意义重大。通过查阅文献和实际调研,依托郑州地铁4号线的工程实例,将有限元软件模拟、理论分析、现场试验监测和室内参数测定试验相结合的方法,对砂土地区的城市地铁浅埋暗挖法中的分步开挖中的超前小导管的预加固机理进行研究。通过查阅参考文献发现,不同的地区,超前小导管的地层预加固的作用和效果也不同,将本文的研究思想与实际的工程案例相结合,取得了部分的理论与实践的研究成果。本文的主要研究内容为:(1)查阅文献,概括了几种隧道超前预支护方法的优缺点,并从隧道变形和稳定性研究、现场工程实例、模型试验和数值模拟等方面对国内外研究进行归纳。(2)利用历时半年的郑州地铁四号线商都路站工程,得出隧道工作面在开挖通过前、通过中、通过后三种条件下,隧道上方地层的响应规律、地层响应的本质特征和围岩压力的分布特点。(3)介绍了在隧道开挖的过程中超前小导管的预加固机理和采用导管注浆预加固后隧道周围岩体的应力特征,在前人研究对在开挖过程中对隧道稳定性评判方法的基础上提出来一种评判方法的新思路,并且对超前小导管注浆后的围岩进行理论分析,得出开挖过程中围岩的弹塑性变化规律,给出加固后围岩的应力和位移的公式量化分析。(4)根据Winkler地基模型,建立了隧道上覆土体稳定的模型,并根据该模型对上覆结构土体中任一微单元进行力学平衡分析,推导出维持隧道上覆土体的稳定的水平推力的计算公式。在基于此理论建立在开挖过程中导管的力学模型,并对该模型进行受力分析,得出导管上任一点的挠度、弯矩和转角。(5)通过建立地层预加固力学行为模型的验证和Abaqus有限元软件的数值模拟,得出超前小导管预支护的效果,并对超前小导管的参数和支护方式进行了优化分析。