在城市中修建隧道时,为了能够有效地限制地表及拱顶沉降,全面保持土层的稳定性,需要在开挖前进行超前预支护加固。大直径管棚预支护作为超前预支护措施的一种,在施工中得到了越来越广泛地应用。目前,管棚支护的设计、施工和研究等方面基本上都是基于经验类比法,这已无法适应地下工程发展的需要。因此,在总结和借鉴国内外管棚支护研究成果的基础上,对大直径管棚预支护作用机理的研究非常有必要,是地下工程技术领域的一个重要的有现实意义的课题。 本文以大直径管棚预支护作用机理的研究为主线,北京地铁4＃线西单车站为工程背景,作了以下方面的研究： (1)在总结了国内外管棚预支护研究现状和国内地铁工程中应用实例的基础上,详细地分析了管棚的用途、分类和布置,以及管棚设计和施工的方法。 (2)分析大直径管棚的作用以及力学机理,以管棚的单根钢管作为受力研究对象,采用弹性地基梁模拟管棚的受力,建立管棚力学模型。 (3)利用双参数弹性地基梁理论,对大直径管棚预支护的内力特征进行分析,采用解析解得到了管棚力学模型中管棚的扰度、转角、弯矩和剪力的微分方程。将该模型应用于实际工程中,计算出了隧道开挖过程中管棚的扰度、转角、弯矩和剪力方程,验证了模型的合理性。 (4)以西单地铁车站过长安街暗挖段为工程背景,采用FLAC软件进行数值模拟。通过有无管棚支护两种工况的对比分析,得出大直径管棚预支护措施能够极大地减少地表和拱顶沉降,满足设计的要求。 (5)通过对比数值模拟和实际监测数据的结果,说明数值模拟的模型是合理的,证明了管棚对控制沉降起到重要作用。