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落石灾害是我国三大地质灾害之一,而隧道洞口段属于落石灾害的频发区,一旦发生后果将更为严重。本文采用理论推导、概率分析、数值模拟、软件编程、实例验算等方法,对隧道洞口段落石崩塌风险评价体系的建立、落石冲击运动轨迹的预测、冲击力及侵彻深度的准确计算以及耗能减震棚洞结构的设计和优化等开展研究。(1)首先结合“落石潜能”、“落石历史事件”两方面构建出落石风险初步评判卡。其次考虑结合“地形因子”、“地质因子”、“气象水文因子”、“危石因子”、“公路因子”5个方面建立了落石崩塌风险评价的RRES评价系统。采用AHP-FUZZY模糊评判法建立了隧道洞口段落石灾害的“崩塌-冲击”风险评价体系,其中包含“坡体危岩崩塌的评价体系”及“已崩塌的落石冲击至隧道洞口段的评价体系”。给出了落石击中隧道洞口段7种承灾体的概率及损失计算方法。考虑人员伤亡及经济损失,建立了隧道洞口段落石冲击灾害导致生命损失的“S-N判断法”及导致经济损失的“J-M判断法”。编制了《隧道洞口段落石灾害预测-风险评价-损失评估系统》(DRLSRTES V1.0软件系统)。(2)以关宝树算法为基础,采用正弦积分算法得出了隧道洞口段落石冲击力及侵彻深度的正弦积分算法解。给出了落石冲击棚洞垫层土体的冲击力及侵彻深度的空腔膨胀算法解和能量守恒算法解。考虑垫层材料、垫层厚度、落石质量、落石下落速度因素的影响,共进行了120组落石冲击模拟实验,将数值模拟计算结果与关宝树算法结果进行比较获得冲击力放大系数,给出了冲击力的LS-DYNA算法表达式。(3)提出了落石对棚洞顶板冲切破坏的四个阶段。采用理论算法推导了棚洞顶板最大应力算式。在顶板形成贯穿块的基础上,推导了棚洞顶板最大冲板内配筋阻滞作用的表达式。采用LS-DYNA数值模拟软件研究了棚洞主体结构(包括顶板结构+立柱结构+立柱结构基础+侧墙基础+横向系梁)的力学响应规律。研究了不同的落石冲击速度、冲击时间、冲击位置、入射角度情况下,棚洞顶板与立柱结构的力学响应情况。(4)采用LS-DYNA数值模拟方法,系统地研究了“砂土+EPE+顶板”、“砂土+EPE+顶板+橡胶支座”复合型棚洞结构,在不同落石冲击工况和不同结构组成下的力学特性。(5)给出了隧道洞口耗能减震棚洞结构的设计流程、设计工况划分及建议参数,并将其应用于依托工程中。