随着我国城市建设进入高速发展时期，在城市中修建地下商业街、地铁等地下工程越来越普遍，但在城市开挖地下工程时，要求严格控制地表沉降，保证掌子面稳定，这就需要对开挖面前方的土体进行预支护处理。管棚预支护具有预支护距离长、施工速度快、安全性能高等优点，因而在地下工程施工中得到广泛应用。然而管棚预支护体系理论还有很多问题有待解决，随着城市地下工程的发展，基于工程经验的类比法已经不能满足管棚设计和施工的需求。因此，进一步研究管棚预支护体系的力学机理具有重要的现实意义。根据对国内外管棚预支护技术研究现状的了解，本文在管棚的设计参数、管棚的作用机理及其数值模拟等三个方面做了以下几点研究：（1）阐述了管棚预支护的作用机理、适用条件以及分类；对管棚的设计参数进行了探讨；（2）确定了浅埋隧道中管棚受力荷载的作用范围及计算方法；建立了基于变基床系数下Pasternak双参数地基梁理论的管棚力学模型，从而得到了管棚预支护在荷载作用下的挠度、转角、弯矩及剪力方程，并基于此对其设计参数进行了优化；（3）把管棚预支护隧道开挖的掌子面稳定问题看作在荷载作用下的边坡稳定问题，提出隧道的掌子面稳定性评价方法，从理论上判断掌子面的稳定性，保证隧道施工安全；（4）通过是否使用管棚支护两种情况对隧道开挖过程进行三维施工模拟，并对开挖引起的围岩变形规律进行了对比分析，结果表明采用管棚预支护，有利于控制围岩沉降，提高掌子面稳定性。本文的研究成果对管棚的力学机理研究和设计参数的优化有一定的参考价值。