成兰铁路是目前国内铁路建设史上线路穿越地质条件最为复杂的铁路,其穿越龙门山区和岷江上游的高山深谷区,沿线地形海拔高差达4000m,越岭段隧道比例占90%以上。其间遭遇落石灾害的挑战非常严峻。本文以此为背景,首先对典型的6座隧道洞口进行了调研,获取了这些洞口仰坡和落石的数据,计算得到了落石的冲击速度和影响范围。然后,在现场调研的基础上,利用动力有限元软件LS-DYNA对框架棚洞遭受落石冲击作用进行了模拟,主要包括：1框架棚洞在不同冲击能量下的动力响应；2轻质土相对于普通土的抗冲击性能研究；3框架棚洞的最优轻质土垫层厚度研究；在做了以上的工作之后,本文从结构形式出发提出了拱形棚洞的概念,并根据现场情况设计了拱形棚洞。同样,首先利用有限元软件LS-DYNA计算其在落石冲击下的力学量,并与框架棚洞进行对比研究。在对比研究的基础上,得到了拱形棚洞具有更加抗冲击的特性之后,设计了棚洞遭受落石冲击的室内模型试验,考虑了不同的工况,重点对拱圈各部分应变、冲击力、位移进行了监测,分析得到了各物理量的规律。最后对模型进行了破坏形态的研究,观察棚洞遭受损伤最严重的区域,为该结构在实际工程中的使用提供更加可靠的建议。最后结合数值模拟和模型试验的结果,给出拱形棚洞用于工程实际的相关指导意见。