交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)技術(shù)發(fā)展

文

“基礎(chǔ)設(shè)施布局完善、立體互聯(lián)”是交通強(qiáng)國建設(shè)的首要任務(wù)和先行領(lǐng)域。我國經(jīng)過多年大規(guī)模建設(shè)，除樞紐機(jī)場外，交通基礎(chǔ)設(shè)施就能力而言，基本適應(yīng)需求，供求關(guān)系逐步進(jìn)入“動(dòng)態(tài)平衡”狀態(tài)。2020年前后，我國將進(jìn)入基礎(chǔ)設(shè)施投資規(guī)模的“變坡期”，即從高速發(fā)展過度到高質(zhì)量發(fā)展的轉(zhuǎn)折期。建設(shè)強(qiáng)度逐步下降，養(yǎng)護(hù)需求逐步上升。未來10年將是優(yōu)化交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)變難得的“窗口期”。我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)方向和主要舉措也將隨之轉(zhuǎn)型。

交通基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展概況

截至2018年底，我國高速鐵路、高速公路里程位居世界第一。我國橋梁總數(shù)已超過100萬座，居世界首位。其中，公路橋梁總數(shù)接近80萬座，鐵路橋梁總數(shù)超過20萬座。

世界十大懸索橋、十大斜拉橋、十大梁橋之中，中國分別占據(jù)一半或一半以上。目前世界上主跨逾1000米的大橋中，我國擁有十座以上。在世界十大最高橋梁的名單中，除了第七和第八以外，其余均來自中國。其中，最有代表性的是南京大勝關(guān)長江大橋、五峰山長江大橋和港珠澳大橋。

京滬高速鐵路南京大勝關(guān)長江大橋，橋上承載京滬高速鐵路、滬漢蓉鐵路和雙線地鐵，采用三片主桁與整體橋面板結(jié)合的受力體系，是主跨為336米的連續(xù)鋼桁拱橋。設(shè)計(jì)時(shí)速高達(dá)300公里，是當(dāng)時(shí)高鐵橋梁中設(shè)計(jì)時(shí)速最高的。同時(shí)，它還是世界首座六線高速鐵路橋。南京大勝關(guān)長江大橋因具有高速、大跨、重載等特點(diǎn)，榮獲了第28屆國際橋梁大會(huì)“喬治·理查德森”獎(jiǎng)。

南京大勝關(guān)長江大橋

正在建設(shè)的五峰山長江大橋

正在建設(shè)的五峰山長江大橋是世界上第一座高速公路和高速鐵路合建的懸索橋，主跨1092米，是連接連淮揚(yáng)鎮(zhèn)鐵路和京滬高速公路南延的關(guān)鍵控制性工程。

港珠澳大橋是目前世界已建成的最長跨海大橋，全長55公里。工程名稱為“大橋”，只是一個(gè)大概念，工程實(shí)際為橋隧結(jié)合的跨海通道工程，其中主體工程長約29.6公里，由22.9公里的橋梁工程和6.7公里的海底沉管隧道組成，沉管建造技術(shù)世界領(lǐng)先。

截至2018年底，我國運(yùn)營隧道總里程數(shù)居世界首位，運(yùn)營隧道數(shù)已超過31600多座。其中，公路隧道16500多座，總長15900多公里；鐵路隧道15117座，總長16331公里。在世界最長50座隧道排名中，中國占據(jù)半壁江山。世界最長隧道是位于瑞士的圣哥達(dá)隧道，最長的海底隧道是日本跨越津輕海峽的青函隧道。

港口擁有生產(chǎn)用碼頭泊位27578個(gè)，在全球港口貨物吞吐量和集裝箱吞吐量排名前10名的港口中，中國港口占有7席；頒證民用航空機(jī)場達(dá)229個(gè)。

以上這些數(shù)據(jù)表明，我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模已走在世界前列。

國內(nèi)外交通基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展技術(shù)對(duì)比

綜合分析，我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)技術(shù)總體水平進(jìn)入世界先進(jìn)行列，部分技術(shù)已處于世界領(lǐng)先水平。主要優(yōu)勢體現(xiàn)在以下四個(gè)方面。

設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法先進(jìn)。精細(xì)的有限元分析理論在交通基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)中得到普遍應(yīng)用；開展了基于全壽命可靠度的工程結(jié)構(gòu)、大型結(jié)構(gòu)抗風(fēng)抗震設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)理論與方法的研究。研發(fā)了高速鐵路輪軌關(guān)系理論、海岸工程泥沙動(dòng)力分析、三維邊坡穩(wěn)定性分析、車線橋耦合作用等理論并應(yīng)用于交通基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)，保證了結(jié)構(gòu)的安全適用。

施工設(shè)備先進(jìn)。重大工程施工設(shè)備不斷創(chuàng)新，如平潭海峽公鐵兩用大橋直徑4.5米的超大直徑鉆孔樁鉆機(jī)，重慶菜園壩大橋420噸纜索吊機(jī)，直徑9.03米的國內(nèi)最大直徑“彩云號(hào)”硬巖掘進(jìn)機(jī)（TBM），世界最大斷面（寬11.83米、高7.27米）“陽明號(hào)”類矩形盾構(gòu)機(jī)，直徑14.93米“天和號(hào)”超大泥水氣壓復(fù)合盾構(gòu)機(jī)，還有每小時(shí)挖泥6000立方米的“天鯤號(hào)”自航絞吸挖泥船、7500噸級(jí)“藍(lán)鯨號(hào)”全回轉(zhuǎn)自航浮吊等施工設(shè)備，均處于世界先進(jìn)水平。

施工工藝先進(jìn)。在隧道和地下工程的方案中，提出了“液氮人工凍結(jié)法”，解決了長三角地帶、高壓富水地層盾構(gòu)隧道建設(shè)中的涌沙冒水關(guān)鍵難題。形成了隧道鉆爆法中的“三臺(tái)階、七步流水”，在路基填筑施工中形成了“三階段、四區(qū)段、八流程”。同時(shí)還包括大質(zhì)量立交橋轉(zhuǎn)體施工、大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋架頂推、鐵路軌道板“流水機(jī)組法”、快速成島施工等先進(jìn)工藝，提高了交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平。

建設(shè)組織水平高。組織建成了一批如京滬高速鐵路、港珠澳大橋等代表性的重大工程，施工質(zhì)量高、安全事故率低、創(chuàng)新成果豐碩。

我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)技術(shù)雖取得一系列重大突破，但部分技術(shù)與國際領(lǐng)先水平還有一定的差距，主要表現(xiàn)在以下方面：基礎(chǔ)理論創(chuàng)新能力有待進(jìn)一步提高、信息化水平有待提高、綠色環(huán)保技術(shù)需進(jìn)一步加強(qiáng)。

基礎(chǔ)理論創(chuàng)新能力有待進(jìn)一步提高。我國在建鐵路隧道總里程約8000公里，是世界其他國家在建鐵路隧道總和的1.5倍。鐵路隧道的施工工藝有“新奧法”（即新奧地利隧道施工方法）、“新意法”（即巖土控制變形分析法），就是沒有“中國法”。我國的隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建設(shè)技術(shù)理論與標(biāo)準(zhǔn)體系，混凝土結(jié)構(gòu)劣化與災(zāi)變機(jī)理，交通基礎(chǔ)設(shè)施建養(yǎng)一體化技術(shù)、交通基礎(chǔ)設(shè)施新材料、新技術(shù)開發(fā)等方面與發(fā)達(dá)國家相比，尚有差距。

信息化水平有待提高。比如，發(fā)達(dá)國家BIM技術(shù)應(yīng)用相對(duì)較為廣泛而成熟，而我國起步較晚，BIM標(biāo)準(zhǔn)體系尚不完整，對(duì)建設(shè)期各施工環(huán)節(jié)的自動(dòng)化監(jiān)測與信息采集尚未普及，數(shù)據(jù)與BIM模型的結(jié)合與應(yīng)用也還處于摸索階段。智能化建造剛剛起步。

綠色環(huán)保技術(shù)需進(jìn)一步加強(qiáng)。在施工技術(shù)方面，部分施工設(shè)備老舊，清潔能源使用比重較低，機(jī)械設(shè)備的能源清潔化水平有待提升；在養(yǎng)護(hù)技術(shù)方面，資源消耗量較大，垃圾收集處理不及時(shí)；在結(jié)構(gòu)耐久性方面，標(biāo)準(zhǔn)還不高，使用材料尚未達(dá)到綠色環(huán)保要求。

交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)技術(shù)發(fā)展的主要舉措

智能化

智能化包括智能建造和智能設(shè)施。本文以鐵路工程智能建造為例，重點(diǎn)闡述智能建造的內(nèi)涵。

從生命周期、管理層級(jí)和智能功能三個(gè)維度表述智能建造系統(tǒng)架構(gòu)

鐵路工程智能建造，是指把新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)設(shè)計(jì)施工技術(shù)深度融合，并貫穿于勘察、設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收等工程活動(dòng)各個(gè)環(huán)節(jié)，從而具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自適應(yīng)等功能的新型建造方式。

在鐵路工程中實(shí)施智能建造將實(shí)現(xiàn)對(duì)建造過程更精準(zhǔn)和高效的管控，提高工程質(zhì)量控制能力，提升鐵路工程品質(zhì)；將提升對(duì)鐵路工程建設(shè)全過程、全方位、全要素的系統(tǒng)集成能力和溝通協(xié)調(diào)水平，提高工作效率；將改善鐵路工程建造過程中人員作業(yè)環(huán)境，有利于提升職業(yè)健康與安全控制能力；將有效降低資源能源消耗，實(shí)現(xiàn)鐵路工程建造綠色化；還將促進(jìn)大量采用新設(shè)備、新技術(shù)、新工藝、新材料，使工程具備智能功能。

目前，根據(jù)信息化、人工智能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和智能技術(shù)本身的發(fā)展規(guī)律，可以將鐵路工程智能建造的發(fā)展劃分為三個(gè)階段，即以解決感知能力為技術(shù)核心的初級(jí)階段（或稱感知階段），部分替代人類的中級(jí)階段（或稱替代階段），以及能夠高水平替代人類，具有智慧的高級(jí)階段（或稱智慧階段）。

綠色化

落實(shí)國家綠色發(fā)展要求，交通基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)從以下七個(gè)方面發(fā)力。

生態(tài)保護(hù)。交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，從規(guī)劃、設(shè)計(jì)到施工，都要貫徹生態(tài)大保護(hù)的理念，將生態(tài)環(huán)境保護(hù)放在優(yōu)先的位置。

污染防治。交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，涉及到水源、空氣、土壤的污染防治，要改變傳統(tǒng)的施工方法和管理理念，淘汰老舊施工設(shè)備，大量采用環(huán)保材料和環(huán)保技術(shù)，使用污水處理系統(tǒng)，控制運(yùn)輸車輛揚(yáng)塵。

節(jié)能。從設(shè)計(jì)方面，推廣使用太陽能發(fā)電技術(shù)、地源熱泵技術(shù)、節(jié)能材料、節(jié)能燈具等；在施工方面，采用節(jié)能高效設(shè)備，盡量避免自發(fā)電施工、分散式供暖的現(xiàn)象發(fā)生。

節(jié)地。土地是不可再生資源，況且我國人均耕地資源只有世界平均水平的三分之一。因此，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)必須貫徹節(jié)省用地原則。近年來，鐵路節(jié)地措施得力，效果明顯，例如，京滬鐵路用地14969公頃，京滬高鐵因采用“以橋代路”方案，全線78%是橋梁，用地銳減至4081公頃，節(jié)約用地72.7%，證明設(shè)計(jì)理念和技術(shù)進(jìn)步潛力巨大。

降噪減排。一是降低施工機(jī)械噪音、振動(dòng)；二是研發(fā)新的鐵路公路聲屏障，提高隔音效果；三是研發(fā)新型軌下基礎(chǔ)，增加彈性、減少振動(dòng)噪音；四是生產(chǎn)生活垃圾分類回收、運(yùn)輸、處理。

節(jié)材。節(jié)材與節(jié)能、節(jié)地、環(huán)保緊密相關(guān)，因?yàn)榻ㄖ牧仙a(chǎn)需要能源，建筑垃圾在產(chǎn)生、運(yùn)輸、存放過程中會(huì)耗能、排污、占地等。因此，節(jié)材是綠色發(fā)展的重要一環(huán)。目前，鐵路、公路、機(jī)場的結(jié)構(gòu)物有的貪大求洋，有的寧強(qiáng)勿弱，浪費(fèi)嚴(yán)重；有的使用低強(qiáng)度材料，有的使用低品質(zhì)材料，增大建材使用量；這些問題必須克服。同時(shí)，要提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。

智能建造發(fā)展的三個(gè)階段

綠色化建設(shè)的七個(gè)發(fā)力點(diǎn)

生態(tài)大保護(hù)概念應(yīng)貫穿規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、養(yǎng)護(hù)、管理全過程。

打通行業(yè)和專業(yè)間的阻隔，實(shí)現(xiàn)一體化的體制機(jī)制創(chuàng)新。

大部件裝配化施工設(shè)備的研制應(yīng)加快步伐

綠化。鐵路公路兩側(cè)大部分已經(jīng)綠化，后一步重點(diǎn)要突破荒漠化、石漠化地區(qū)的綠化技術(shù)。

一體化

研究實(shí)施鐵路、公路、城市軌道交通、管道、高壓電纜等一體化跨越天然屏障的方案，包括一體化橋梁、一體化隧道，以節(jié)省土地、節(jié)省能源、節(jié)省投資，充分發(fā)揮大交通的優(yōu)勢，充分利用有限的江河通道資源。

研究實(shí)施橋梁、隧道、房屋、海岸、港口、房建等土建技術(shù)一體化創(chuàng)新的體制機(jī)制，打通行業(yè)間、專業(yè)間的阻隔，共同對(duì)基礎(chǔ)理論、設(shè)計(jì)施工技術(shù)、材料裝備技術(shù)、節(jié)能降噪技術(shù)、結(jié)構(gòu)耐久性技術(shù)等開展攻關(guān)，集中力量解決重大技術(shù)問題，提高科研效率，加快科研成果的轉(zhuǎn)化。

裝配化

大力開展裝配式房屋、橋梁、隧道、碼頭等結(jié)構(gòu)物的一體化集成設(shè)計(jì)研究，成熟一個(gè)應(yīng)用一個(gè)；開展大部件裝配化施工設(shè)備的研制，適應(yīng)設(shè)計(jì)要求，滿足現(xiàn)場機(jī)械化裝配需要。

開展預(yù)制件工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)研究，建設(shè)異地、重復(fù)使用的工廠，研制標(biāo)準(zhǔn)化的部件及生產(chǎn)工裝和工藝。

開展裝配化施工質(zhì)量檢測、評(píng)估技術(shù)研究，制定質(zhì)量評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，建立指標(biāo)體系。

精細(xì)化

精細(xì)化包括精心設(shè)計(jì)、精心施工、精細(xì)管理。

精心設(shè)計(jì)，研制工程勘察的新設(shè)備、新儀器，如研制高分辨率、高效率的探地雷達(dá)、紅外線探水儀，同時(shí)充分利用遙感衛(wèi)星，逐步實(shí)現(xiàn)地質(zhì)勘探工作的無損化和精準(zhǔn)化；將云計(jì)算、大數(shù)據(jù)與BIM、GIS技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)手段的智能化。

精心施工，以機(jī)械化、信息化、專業(yè)化、工廠化為支撐，以高素質(zhì)管理、技術(shù)、技能人才為依托，以工藝質(zhì)量保工序質(zhì)量，以工序質(zhì)量保整體工程質(zhì)量。

精細(xì)管理，從規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工到工程竣工驗(yàn)收，都明確工作目標(biāo)、工作流程和責(zé)任人，實(shí)行信息化實(shí)時(shí)監(jiān)控，使每項(xiàng)工作有序推進(jìn)，有序銜接，有效控制。

交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)

世界科技發(fā)展日新月異，必將推動(dòng)交通基礎(chǔ)設(shè)施向大型、環(huán)保、智能、低成本、高效率等方向發(fā)展。根據(jù)預(yù)測，主要交通基礎(chǔ)設(shè)施到2030年、2045年的發(fā)展目標(biāo)如右側(cè)圖所示。

要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，科技創(chuàng)新是關(guān)鍵。應(yīng)牢牢把握新時(shí)代基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的良好機(jī)遇，充分發(fā)揮人才優(yōu)勢，優(yōu)化創(chuàng)新體制機(jī)制，完善試驗(yàn)平臺(tái)資源，擴(kuò)大工程應(yīng)用范圍。

橋梁工程發(fā)展目標(biāo)

隧道工程發(fā)展目標(biāo)

路面、道床和跑道工程發(fā)展目標(biāo)