公路工程桥梁与隧道施工技术的发展与应用

2024-05-16张婧菁

大众标准化 2024年7期

张婧菁

（甘肃省天水公路事业发展中心，甘肃天水 741000）

1 引言

在现代社会，公路交通作为地区之间互联互通的重要纽带，发挥着促进经济发展、人口流动和社会繁荣的关键作用。而桥梁和隧道作为公路工程中不可或缺的重要构筑物，不仅连接了人们的生活，也在交通基础设施建设中扮演着重要角色。随着城市化进程的加速和交通需求的增加，公路工程中的桥梁与隧道施工技术正经历着快速的发展和创新。

2 桥梁施工技术的发展与应用

2.1 传统桥梁施工方法

（1）砖石结构。在桥梁建设的早期阶段，砖石结构是一种常见且重要的传统施工方法，为各种规模的桥梁提供了坚固的基础。砖石结构的应用可以追溯到古代文明，从古罗马的拱桥到中国的石拱桥，这些古老的建筑工艺令人惊叹。砖石结构的成功应用得益于以下特点：首先，砖石结构以其优越的耐久性和稳定性著称。坚硬的砖块和石材能够承受时间的考验和外部环境的冲击。这种材料的优势使得这些桥梁在古代历史中留下了丰富的遗产，许多仍然屹立至今。其次，砖石结构具备一定的施工灵活性。由于砖块和石材相对易于加工和塑造形状，工匠们能够根据地理环境和建筑需要创造出多样的桥梁设计，这种灵活性使得砖石桥梁适应了各种地貌和跨越需求。

（2）钢结构。随着工业革命的兴起，钢结构在桥梁施工领域逐渐取代了传统的砖石结构，为桥梁建设带来了革命性的变革。钢结构的应用不仅在桥梁设计和施工上具有显著的优势，还推动了现代工程技术的进步。钢结构之所以在桥梁施工中得到广泛应用，主要因为其材料特性和结构优势。首先，钢材具有优异的强度和韧性，能够承受较大的荷载并保持结构的稳定性。这使得桥梁设计师可以采用更为轻巧的结构设计，从而减少了桥梁的自重，提高了桥梁的承载能力。其次，钢结构的制造和加工相对便捷，能够实现工厂化生产，然后在现场进行快速组装。这种工艺大大缩短了桥梁的施工周期，从而减少了交通中断和对周围环境的影响。

2.2 现代桥梁施工技术的演进

（1）预应力混凝土技术的应用。预应力混凝土是一种通过在混凝土中引入预先施加的张拉力，以对抗桥梁荷载产生的内部压力的材料。这项技术在桥梁工程中的应用不仅使得桥梁更具耐久性和稳定性，还提高了桥梁的承载能力和安全性。在预应力混凝土技术中，钢缆或螺栓被用作张拉材料，通过将混凝土表面的张拉杆与这些材料连接，使混凝土受到预先施加的张拉力。这种张拉力可以抵消荷载引起的压力，从而有效地减轻了混凝土的压缩应力。预应力混凝土桥梁因此能够更好地抵御荷载、震动和温度变化等外部力的影响，延长了桥梁的使用寿命。

（2）钢-混凝土组合桥的设计与建造。钢-混凝土组合结构将钢结构和混凝土结构有机地融合在一起，充分发挥了两种材料的优势，达到了强度、耐久性和经济性的最佳平衡。在钢-混凝土组合桥的设计与建造中，钢结构通常用于承担主要的受力部分，如桥梁的横梁和悬臂结构，而混凝土结构则用于填充和加固钢结构，提供稳定性和耐久性。这种组合结构使得桥梁不仅能够承受大荷载，还能够在恶劣的环境条件下保持良好的性能，延长使用寿命。在建造过程中，钢-混凝土组合桥通常采用预制构件与现场浇筑相结合的方式。预制钢构件可以通过工厂化生产，保证了构件的质量和准确性，同时加快了施工速度。而现场浇筑的混凝土部分则能够满足特定的形状和受力要求，确保桥梁的整体性能。

（3）斜拉桥和悬索桥的新型构造技术。斜拉桥和悬索桥作为大跨度桥梁的代表，在现代桥梁施工领域引入了新型的构造技术，为跨越河流、峡谷等地理障碍提供了有效的解决方案。这些新型构造技术不仅提高了桥梁的承载能力，还赋予了桥梁独特的美学和视觉效果。斜拉桥的特点是在桥塔顶部设置倾斜的拉索，通过拉索和桥面之间的受力传递，实现桥梁的跨度。悬索桥则是通过主悬索和斜拉索的受力平衡，将桥面悬挂在主塔之间。斜拉桥和悬索桥的新型构造技术主要体现在两个方面：结构设计和材料创新。在结构设计方面，采用了更加轻盈的桥塔和主跨设计，通过合理分布和传递荷载，实现了整体结构的均衡。而材料创新方面，高强度钢材和先进的施工材料的应用，增加了桥梁的耐久性和稳定性。这些桥梁的新型构造技术使得跨度更大、塔高更低、荷载更均衡，从而在不影响地理环境的情况下，提供更便捷的交通通道。

2.3 桥梁施工技术在公路工程中的应用

（1）快速施工技术在高速公路桥梁建设中的应用。随着交通需求的增加，高速公路桥梁建设的快速施工技术在公路工程领域日益受到重视和应用。这项技术的核心是通过优化施工工序、采用先进设备和材料，实现桥梁建设周期的缩短，以满足日益紧迫的工程进度和交通需求。在高速公路桥梁建设中，快速施工技术的应用主要体现在以下几个方面：首先，采用可以在工厂内进行生产的预制构件，避免了现场施工的不确定性。这不仅提高了构件的质量和精度，还减少了施工现场的噪音、尘埃和交通阻塞。其次，采用快速施工技术可以实现多项施工工序并行进行。例如在桥梁墩和墩帽施工的同时，桥面梁的预制和安装也可以进行，从而缩短了桥梁建设的整体时间。最后，快速施工技术还可以应用于桥梁的维护和修复工作中。通过采用新型的修复材料和施工方法，可以在短时间内完成桥梁的维修，减少对交通的影响。在保障公路安全和通行的同时，也为交通运输的可持续发展做出了贡献。

（2）环保施工材料在桥梁工程中的推广。环保施工材料的广泛推广应用已成为公路工程领域的重要趋势，尤其在桥梁建设中。这些新型材料不仅满足了建设质量和效率的要求，还在降低环境影响和资源浪费方面取得了显著成就。在桥梁工程中，环保施工材料的推广为可持续发展提供了实质性支持。环保施工材料的推广应用主要体现在以下几个方面。首先，可再生材料如再生骨料、工业废弃物等被广泛应用于混凝土和沥青混凝土的制备。这不仅有效利用了废弃资源，还减少了对天然资源的开采，有力地推动了生态环保。其次，高性能和高耐久性材料的应用也在桥梁工程中取得了积极效果。例如，使用高性能混凝土和耐久性涂料可以延长桥梁的使用寿命，减少维修和更换频率，降低了资源和能源的浪费。最后，新型环保施工材料的应用还可以减少施工阶段对环境的影响。例如低挥发性有机溶剂和水性涂料的使用减少了有害气体的排放，对施工人员和周边环境更加友好。

3 隧道施工技术的发展与应用

3.1 传统隧道施工方法

（1）掘进法。在隧道施工领域，掘进法是一种传统且重要的施工方法，被广泛应用于隧道的开挖和建设。这种方法基于地下掘进技术，通过挖掘岩石或土壤来创建隧道空间。掘进法可以分为多种，包括手工掘进、机械掘进和爆破掘进等。手工掘进是隧道施工的最早形式，工人使用手工工具如铁锹、镐等，一点一点地挖掘隧道，虽然这种方法在劳动强度和施工效率方面受到限制，但在狭小空间或特殊地质条件下仍然有一定的应用。随着工业化的发展，机械掘进技术逐渐成为主流，机械掘进利用隧道掘进机来进行挖掘作业，可以显著提高施工效率。这些机器配备了刀盘或盾构头，可以在地下进行持续的掘进工作，还能够同时进行支护和排水等工作，从而确保隧道的稳定性和安全性。爆破掘进是一种在岩石地层中应用的方法，通过爆破将岩石破碎并清除，然后再进行后续的清理和加固工作。

（2）开挖法。开挖法是另一种传统且广泛应用的隧道施工方法，其基本原理是通过直接开挖地下土壤或岩石，逐步形成隧道空间。开挖法的应用范围涵盖了不同地质条件和隧道类型，例如城市地铁、道路隧道等。开挖法根据地质情况的不同可以细分为切削法、涌浆法和爆破法等。①切削法。切削法是一种常见的开挖方法，通常使用削土机、挖掘机等设备进行土壤或软岩的削减和清理。这种方法适用于较为松软的地质环境，能够快速开挖，并且较少受到振动和噪音的影响，适用于城市区域等需要保护周围环境的场所。②涌浆法。涌浆法是在地下开挖过程中，通过注入混凝土浆液来控制地下水位和土层稳定性。这种方法适用于含水量较高的地质环境，能够减少涌水和坍塌等问题，提高施工安全性和效率。③爆破法。爆破法是在坚硬岩石地质中应用的一种开挖方法，通过爆破将岩石破碎，然后清理出隧道空间。这种方法在地质条件复杂且岩石坚硬的情况下具有优势，但需要严格控制爆炸力度，以避免对周围环境和地下结构造成影响。

3.2 现代隧道施工技术的演进

（1）盾构技术的引入与改进。盾构技术作为一种先进的隧道开挖方法，通过机械化装备实现隧道的开挖和支护，有效解决了传统手工开挖隧道所面临的困难和风险。盾构机是盾构技术的核心设备，它能够在地下开挖隧道并同时进行支护。盾构机分为硬岩盾构机和软土盾构机两种类型，根据地质条件的不同进行选择。隧道开挖时，盾构机会通过切削装置将土壤或岩石切割成小块，然后通过输送系统将其从隧道内运出。近年来，盾构技术在多个方面进行了改进和创新。首先，盾构机的控制系统不断升级，实现了更精确的定位和导向，提高了隧道的准确性和质量。其次，盾构机的环保性能得到了加强，减少了噪音和颗粒物的排放，降低了对周围环境的影响。

（2）岩石掘进机在隧道建设中的作用。岩石掘进机专门用于在岩石地层中进行隧道开挖。它的工作原理是通过旋转的刀盘将岩石切削成碎片，然后通过输送系统将碎片从隧道内运出。与传统的爆破方法相比，岩石掘进机具有更高的安全性和环保性，减少了对周围环境的影响。岩石掘进机在隧道建设中的作用体现在多个方面：首先，它能够适应不同地质条件下的开挖需求，包括软土、岩石和硬岩等，使得隧道建设更加灵活多样。其次，岩石掘进机的高效率可以显著缩短施工周期，提高工程的进度和质量。随着技术的不断创新，岩石掘进机也在不断改进和升级。新型刀盘设计、先进的刀具材料，以及自动化控制系统的应用，使得岩石掘进机的性能和稳定性得到了显著提升。

3.3 隧道施工技术在公路工程中的应用

（1）地下城市道路隧道的设计与施工。随着城市人口的增加，地下城市道路隧道作为一种创新的交通建设方案，日益受到关注和应用。这种隧道不仅可以缓解城市交通压力，还能够提高城市空间的利用效率，实现城市交通和建设的有机融合。在地下城市道路隧道的设计与施工中，隧道工程技术发挥了重要作用。首先，地下城市道路隧道的设计需要充分考虑地质条件、交通需求、城市规划等多方面因素，以确保隧道的安全性和功能性。随着数值模拟和地质勘探技术的不断发展，隧道设计能够更精确地预测地下环境的变化，为隧道的合理布局和施工提供依据。其次，隧道施工技术在地下城市道路隧道建设中起到了关键作用。现代化的隧道施工方法，如盾构技术和岩石掘进机的应用，能够在城市地下进行精确开挖和支护，减少地上施工对城市交通的影响。最后，地下城市道路隧道的建设不仅解决了交通拥堵问题，还创造了新的城市景观。隧道内部的照明、通风和安全设施设计，不仅保障了交通运行，还为市民提供了舒适的通行环境。

（2）水下隧道建设技术的挑战与突破。水下隧道建设不仅需要应对复杂的水下地质条件，还要克服水压、泥沙淤积等因素带来的困难，因此其技术创新和应用具有重要的意义。在水下隧道建设技术方面，挑战主要集中在以下几个方面：首先，水下地质条件复杂多变，地质勘探难度大。因此，通过地质勘探和数值模拟等手段，准确了解水下地质情况，为隧道的设计和施工提供可靠的数据，是关键的一步。其次，水下隧道施工需要克服水压和水流等环境因素的影响。施工过程中，必须采用合适的支护和排水技术，确保施工现场的安全和稳定。同时，还需要保护水下生态环境，减少对海洋生态系统的影响。