公路工程橋梁與隧道施工技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

張婧菁

（甘肅省天水公路事業(yè)發(fā)展中心，甘肅 天水 741000）

1 引言

在現(xiàn)代社會(huì)，公路交通作為地區(qū)之間互聯(lián)互通的重要紐帶，發(fā)揮著促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口流動(dòng)和社會(huì)繁榮的關(guān)鍵作用。而橋梁和隧道作為公路工程中不可或缺的重要構(gòu)筑物，不僅連接了人們的生活，也在交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中扮演著重要角色。隨著城市化進(jìn)程的加速和交通需求的增加，公路工程中的橋梁與隧道施工技術(shù)正經(jīng)歷著快速的發(fā)展和創(chuàng)新。

2 橋梁施工技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

2.1 傳統(tǒng)橋梁施工方法

（1）磚石結(jié)構(gòu)。在橋梁建設(shè)的早期階段，磚石結(jié)構(gòu)是一種常見且重要的傳統(tǒng)施工方法，為各種規(guī)模的橋梁提供了堅(jiān)固的基礎(chǔ)。磚石結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可以追溯到古代文明，從古羅馬的拱橋到中國(guó)的石拱橋，這些古老的建筑工藝令人驚嘆。磚石結(jié)構(gòu)的成功應(yīng)用得益于以下特點(diǎn)：首先，磚石結(jié)構(gòu)以其優(yōu)越的耐久性和穩(wěn)定性著稱。堅(jiān)硬的磚塊和石材能夠承受時(shí)間的考驗(yàn)和外部環(huán)境的沖擊。這種材料的優(yōu)勢(shì)使得這些橋梁在古代歷史中留下了豐富的遺產(chǎn)，許多仍然屹立至今。其次，磚石結(jié)構(gòu)具備一定的施工靈活性。由于磚塊和石材相對(duì)易于加工和塑造形狀，工匠們能夠根據(jù)地理環(huán)境和建筑需要?jiǎng)?chuàng)造出多樣的橋梁設(shè)計(jì)，這種靈活性使得磚石橋梁適應(yīng)了各種地貌和跨越需求。

（2）鋼結(jié)構(gòu)。隨著工業(yè)革命的興起，鋼結(jié)構(gòu)在橋梁施工領(lǐng)域逐漸取代了傳統(tǒng)的磚石結(jié)構(gòu)，為橋梁建設(shè)帶來了革命性的變革。鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用不僅在橋梁設(shè)計(jì)和施工上具有顯著的優(yōu)勢(shì)，還推動(dòng)了現(xiàn)代工程技術(shù)的進(jìn)步。鋼結(jié)構(gòu)之所以在橋梁施工中得到廣泛應(yīng)用，主要因?yàn)槠洳牧咸匦院徒Y(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。首先，鋼材具有優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性，能夠承受較大的荷載并保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。這使得橋梁設(shè)計(jì)師可以采用更為輕巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而減少了橋梁的自重，提高了橋梁的承載能力。其次，鋼結(jié)構(gòu)的制造和加工相對(duì)便捷，能夠?qū)崿F(xiàn)工廠化生產(chǎn)，然后在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行快速組裝。這種工藝大大縮短了橋梁的施工周期，從而減少了交通中斷和對(duì)周圍環(huán)境的影響。

2.2 現(xiàn)代橋梁施工技術(shù)的演進(jìn)

（1）預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)的應(yīng)用。預(yù)應(yīng)力混凝土是一種通過在混凝土中引入預(yù)先施加的張拉力，以對(duì)抗橋梁荷載產(chǎn)生的內(nèi)部壓力的材料。這項(xiàng)技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用不僅使得橋梁更具耐久性和穩(wěn)定性，還提高了橋梁的承載能力和安全性。在預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)中，鋼纜或螺栓被用作張拉材料，通過將混凝土表面的張拉桿與這些材料連接，使混凝土受到預(yù)先施加的張拉力。這種張拉力可以抵消荷載引起的壓力，從而有效地減輕了混凝土的壓縮應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁因此能夠更好地抵御荷載、震動(dòng)和溫度變化等外部力的影響，延長(zhǎng)了橋梁的使用壽命。

（2）鋼-混凝土組合橋的設(shè)計(jì)與建造。鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)將鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)有機(jī)地融合在一起，充分發(fā)揮了兩種材料的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到了強(qiáng)度、耐久性和經(jīng)濟(jì)性的最佳平衡。在鋼-混凝土組合橋的設(shè)計(jì)與建造中，鋼結(jié)構(gòu)通常用于承擔(dān)主要的受力部分，如橋梁的橫梁和懸臂結(jié)構(gòu)，而混凝土結(jié)構(gòu)則用于填充和加固鋼結(jié)構(gòu)，提供穩(wěn)定性和耐久性。這種組合結(jié)構(gòu)使得橋梁不僅能夠承受大荷載，還能夠在惡劣的環(huán)境條件下保持良好的性能，延長(zhǎng)使用壽命。在建造過程中，鋼-混凝土組合橋通常采用預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)場(chǎng)澆筑相結(jié)合的方式。預(yù)制鋼構(gòu)件可以通過工廠化生產(chǎn)，保證了構(gòu)件的質(zhì)量和準(zhǔn)確性，同時(shí)加快了施工速度。而現(xiàn)場(chǎng)澆筑的混凝土部分則能夠滿足特定的形狀和受力要求，確保橋梁的整體性能。

（3）斜拉橋和懸索橋的新型構(gòu)造技術(shù)。斜拉橋和懸索橋作為大跨度橋梁的代表，在現(xiàn)代橋梁施工領(lǐng)域引入了新型的構(gòu)造技術(shù)，為跨越河流、峽谷等地理障礙提供了有效的解決方案。這些新型構(gòu)造技術(shù)不僅提高了橋梁的承載能力，還賦予了橋梁獨(dú)特的美學(xué)和視覺效果。斜拉橋的特點(diǎn)是在橋塔頂部設(shè)置傾斜的拉索，通過拉索和橋面之間的受力傳遞，實(shí)現(xiàn)橋梁的跨度。懸索橋則是通過主懸索和斜拉索的受力平衡，將橋面懸掛在主塔之間。斜拉橋和懸索橋的新型構(gòu)造技術(shù)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料創(chuàng)新。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，采用了更加輕盈的橋塔和主跨設(shè)計(jì)，通過合理分布和傳遞荷載，實(shí)現(xiàn)了整體結(jié)構(gòu)的均衡。而材料創(chuàng)新方面，高強(qiáng)度鋼材和先進(jìn)的施工材料的應(yīng)用，增加了橋梁的耐久性和穩(wěn)定性。這些橋梁的新型構(gòu)造技術(shù)使得跨度更大、塔高更低、荷載更均衡，從而在不影響地理環(huán)境的情況下，提供更便捷的交通通道。

2.3 橋梁施工技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用

（1）快速施工技術(shù)在高速公路橋梁建設(shè)中的應(yīng)用。隨著交通需求的增加，高速公路橋梁建設(shè)的快速施工技術(shù)在公路工程領(lǐng)域日益受到重視和應(yīng)用。這項(xiàng)技術(shù)的核心是通過優(yōu)化施工工序、采用先進(jìn)設(shè)備和材料，實(shí)現(xiàn)橋梁建設(shè)周期的縮短，以滿足日益緊迫的工程進(jìn)度和交通需求。在高速公路橋梁建設(shè)中，快速施工技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，采用可以在工廠內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件，避免了現(xiàn)場(chǎng)施工的不確定性。這不僅提高了構(gòu)件的質(zhì)量和精度，還減少了施工現(xiàn)場(chǎng)的噪音、塵埃和交通阻塞。其次，采用快速施工技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)施工工序并行進(jìn)行。例如在橋梁墩和墩帽施工的同時(shí)，橋面梁的預(yù)制和安裝也可以進(jìn)行，從而縮短了橋梁建設(shè)的整體時(shí)間。最后，快速施工技術(shù)還可以應(yīng)用于橋梁的維護(hù)和修復(fù)工作中。通過采用新型的修復(fù)材料和施工方法，可以在短時(shí)間內(nèi)完成橋梁的維修，減少對(duì)交通的影響。在保障公路安全和通行的同時(shí)，也為交通運(yùn)輸?shù)目沙掷m(xù)發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。

（2）環(huán)保施工材料在橋梁工程中的推廣。環(huán)保施工材料的廣泛推廣應(yīng)用已成為公路工程領(lǐng)域的重要趨勢(shì)，尤其在橋梁建設(shè)中。這些新型材料不僅滿足了建設(shè)質(zhì)量和效率的要求，還在降低環(huán)境影響和資源浪費(fèi)方面取得了顯著成就。在橋梁工程中，環(huán)保施工材料的推廣為可持續(xù)發(fā)展提供了實(shí)質(zhì)性支持。環(huán)保施工材料的推廣應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先，可再生材料如再生骨料、工業(yè)廢棄物等被廣泛應(yīng)用于混凝土和瀝青混凝土的制備。這不僅有效利用了廢棄資源，還減少了對(duì)天然資源的開采，有力地推動(dòng)了生態(tài)環(huán)保。其次，高性能和高耐久性材料的應(yīng)用也在橋梁工程中取得了積極效果。例如，使用高性能混凝土和耐久性涂料可以延長(zhǎng)橋梁的使用壽命，減少維修和更換頻率，降低了資源和能源的浪費(fèi)。最后，新型環(huán)保施工材料的應(yīng)用還可以減少施工階段對(duì)環(huán)境的影響。例如低揮發(fā)性有機(jī)溶劑和水性涂料的使用減少了有害氣體的排放，對(duì)施工人員和周邊環(huán)境更加友好。

3 隧道施工技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

3.1 傳統(tǒng)隧道施工方法

（1）掘進(jìn)法。在隧道施工領(lǐng)域，掘進(jìn)法是一種傳統(tǒng)且重要的施工方法，被廣泛應(yīng)用于隧道的開挖和建設(shè)。這種方法基于地下掘進(jìn)技術(shù)，通過挖掘巖石或土壤來創(chuàng)建隧道空間。掘進(jìn)法可以分為多種，包括手工掘進(jìn)、機(jī)械掘進(jìn)和爆破掘進(jìn)等。手工掘進(jìn)是隧道施工的最早形式，工人使用手工工具如鐵鍬、鎬等，一點(diǎn)一點(diǎn)地挖掘隧道，雖然這種方法在勞動(dòng)強(qiáng)度和施工效率方面受到限制，但在狹小空間或特殊地質(zhì)條件下仍然有一定的應(yīng)用。隨著工業(yè)化的發(fā)展，機(jī)械掘進(jìn)技術(shù)逐漸成為主流，機(jī)械掘進(jìn)利用隧道掘進(jìn)機(jī)來進(jìn)行挖掘作業(yè)，可以顯著提高施工效率。這些機(jī)器配備了刀盤或盾構(gòu)頭，可以在地下進(jìn)行持續(xù)的掘進(jìn)工作，還能夠同時(shí)進(jìn)行支護(hù)和排水等工作，從而確保隧道的穩(wěn)定性和安全性。爆破掘進(jìn)是一種在巖石地層中應(yīng)用的方法，通過爆破將巖石破碎并清除，然后再進(jìn)行后續(xù)的清理和加固工作。

（2）開挖法。開挖法是另一種傳統(tǒng)且廣泛應(yīng)用的隧道施工方法，其基本原理是通過直接開挖地下土壤或巖石，逐步形成隧道空間。開挖法的應(yīng)用范圍涵蓋了不同地質(zhì)條件和隧道類型，例如城市地鐵、道路隧道等。開挖法根據(jù)地質(zhì)情況的不同可以細(xì)分為切削法、涌漿法和爆破法等。①切削法。切削法是一種常見的開挖方法，通常使用削土機(jī)、挖掘機(jī)等設(shè)備進(jìn)行土壤或軟巖的削減和清理。這種方法適用于較為松軟的地質(zhì)環(huán)境，能夠快速開挖，并且較少受到振動(dòng)和噪音的影響，適用于城市區(qū)域等需要保護(hù)周圍環(huán)境的場(chǎng)所。②涌漿法。涌漿法是在地下開挖過程中，通過注入混凝土漿液來控制地下水位和土層穩(wěn)定性。這種方法適用于含水量較高的地質(zhì)環(huán)境，能夠減少涌水和坍塌等問題，提高施工安全性和效率。③爆破法。爆破法是在堅(jiān)硬巖石地質(zhì)中應(yīng)用的一種開挖方法，通過爆破將巖石破碎，然后清理出隧道空間。這種方法在地質(zhì)條件復(fù)雜且?guī)r石堅(jiān)硬的情況下具有優(yōu)勢(shì)，但需要嚴(yán)格控制爆炸力度，以避免對(duì)周圍環(huán)境和地下結(jié)構(gòu)造成影響。

3.2 現(xiàn)代隧道施工技術(shù)的演進(jìn)

（1）盾構(gòu)技術(shù)的引入與改進(jìn)。盾構(gòu)技術(shù)作為一種先進(jìn)的隧道開挖方法，通過機(jī)械化裝備實(shí)現(xiàn)隧道的開挖和支護(hù)，有效解決了傳統(tǒng)手工開挖隧道所面臨的困難和風(fēng)險(xiǎn)。盾構(gòu)機(jī)是盾構(gòu)技術(shù)的核心設(shè)備，它能夠在地下開挖隧道并同時(shí)進(jìn)行支護(hù)。盾構(gòu)機(jī)分為硬巖盾構(gòu)機(jī)和軟土盾構(gòu)機(jī)兩種類型，根據(jù)地質(zhì)條件的不同進(jìn)行選擇。隧道開挖時(shí)，盾構(gòu)機(jī)會(huì)通過切削裝置將土壤或巖石切割成小塊，然后通過輸送系統(tǒng)將其從隧道內(nèi)運(yùn)出。近年來，盾構(gòu)技術(shù)在多個(gè)方面進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新。首先，盾構(gòu)機(jī)的控制系統(tǒng)不斷升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了更精確的定位和導(dǎo)向，提高了隧道的準(zhǔn)確性和質(zhì)量。其次，盾構(gòu)機(jī)的環(huán)保性能得到了加強(qiáng)，減少了噪音和顆粒物的排放，降低了對(duì)周圍環(huán)境的影響。

（2）巖石掘進(jìn)機(jī)在隧道建設(shè)中的作用。巖石掘進(jìn)機(jī)專門用于在巖石地層中進(jìn)行隧道開挖。它的工作原理是通過旋轉(zhuǎn)的刀盤將巖石切削成碎片，然后通過輸送系統(tǒng)將碎片從隧道內(nèi)運(yùn)出。與傳統(tǒng)的爆破方法相比，巖石掘進(jìn)機(jī)具有更高的安全性和環(huán)保性，減少了對(duì)周圍環(huán)境的影響。巖石掘進(jìn)機(jī)在隧道建設(shè)中的作用體現(xiàn)在多個(gè)方面：首先，它能夠適應(yīng)不同地質(zhì)條件下的開挖需求，包括軟土、巖石和硬巖等，使得隧道建設(shè)更加靈活多樣。其次，巖石掘進(jìn)機(jī)的高效率可以顯著縮短施工周期，提高工程的進(jìn)度和質(zhì)量。隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，巖石掘進(jìn)機(jī)也在不斷改進(jìn)和升級(jí)。新型刀盤設(shè)計(jì)、先進(jìn)的刀具材料，以及自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用，使得巖石掘進(jìn)機(jī)的性能和穩(wěn)定性得到了顯著提升。

3.3 隧道施工技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用

（1）地下城市道路隧道的設(shè)計(jì)與施工。隨著城市人口的增加，地下城市道路隧道作為一種創(chuàng)新的交通建設(shè)方案，日益受到關(guān)注和應(yīng)用。這種隧道不僅可以緩解城市交通壓力，還能夠提高城市空間的利用效率，實(shí)現(xiàn)城市交通和建設(shè)的有機(jī)融合。在地下城市道路隧道的設(shè)計(jì)與施工中，隧道工程技術(shù)發(fā)揮了重要作用。首先，地下城市道路隧道的設(shè)計(jì)需要充分考慮地質(zhì)條件、交通需求、城市規(guī)劃等多方面因素，以確保隧道的安全性和功能性。隨著數(shù)值模擬和地質(zhì)勘探技術(shù)的不斷發(fā)展，隧道設(shè)計(jì)能夠更精確地預(yù)測(cè)地下環(huán)境的變化，為隧道的合理布局和施工提供依據(jù)。其次，隧道施工技術(shù)在地下城市道路隧道建設(shè)中起到了關(guān)鍵作用?，F(xiàn)代化的隧道施工方法，如盾構(gòu)技術(shù)和巖石掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用，能夠在城市地下進(jìn)行精確開挖和支護(hù)，減少地上施工對(duì)城市交通的影響。最后，地下城市道路隧道的建設(shè)不僅解決了交通擁堵問題，還創(chuàng)造了新的城市景觀。隧道內(nèi)部的照明、通風(fēng)和安全設(shè)施設(shè)計(jì)，不僅保障了交通運(yùn)行，還為市民提供了舒適的通行環(huán)境。

（2）水下隧道建設(shè)技術(shù)的挑戰(zhàn)與突破。水下隧道建設(shè)不僅需要應(yīng)對(duì)復(fù)雜的水下地質(zhì)條件，還要克服水壓、泥沙淤積等因素帶來的困難，因此其技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用具有重要的意義。在水下隧道建設(shè)技術(shù)方面，挑戰(zhàn)主要集中在以下幾個(gè)方面：首先，水下地質(zhì)條件復(fù)雜多變，地質(zhì)勘探難度大。因此，通過地質(zhì)勘探和數(shù)值模擬等手段，準(zhǔn)確了解水下地質(zhì)情況，為隧道的設(shè)計(jì)和施工提供可靠的數(shù)據(jù)，是關(guān)鍵的一步。其次，水下隧道施工需要克服水壓和水流等環(huán)境因素的影響。施工過程中，必須采用合適的支護(hù)和排水技術(shù)，確保施工現(xiàn)場(chǎng)的安全和穩(wěn)定。同時(shí)，還需要保護(hù)水下生態(tài)環(huán)境，減少對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響。

4 結(jié)語

綜上所述，公路工程橋梁與隧道施工技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用研究，是促進(jìn)城市交通發(fā)展和城市可持續(xù)建設(shè)的重要領(lǐng)域。通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新和實(shí)踐探索，可以更好地滿足交通需求，提高交通安全性和效率，同時(shí)也為城市環(huán)境保護(hù)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。未來，公路工程領(lǐng)域?qū)?huì)取得更多突破，為城市交通建設(shè)賦予更多活力。