公路工程橋梁與隧道施工技術的發展與應用

張婧菁

（甘肅省天水公路事業發展中心，甘肅 天水 741000）

1 引言

在現代社會，公路交通作為地區之間互聯互通的重要紐帶，發揮著促進經濟發展、人口流動和社會繁榮的關鍵作用。而橋梁和隧道作為公路工程中不可或缺的重要構筑物，不僅連接了人們的生活，也在交通基礎設施建設中扮演著重要角色。隨著城市化進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正經歷著快速的發展和創新。

2 橋梁施工技術的發展與應用

2.1 傳統橋梁施工方法

（1）磚石結構。在橋梁建設的早期階段，磚石結構是一種常見且重要的傳統施工方法，為各種規模的橋梁提供了堅固的基礎。磚石結構的應用可以追溯到古代文明，從古羅馬的拱橋到中國的石拱橋，這些古老的建筑工藝令人驚嘆。磚石結構的成功應用得益于以下特點：首先，磚石結構以其優越的耐久性和穩定性著稱。堅硬的磚塊和石材能夠承受時間的考驗和外部環境的沖擊。這種材料的優勢使得這些橋梁在古代歷史中留下了豐富的遺產，許多仍然屹立至今。其次，磚石結構具備一定的施工靈活性。由于磚塊和石材相對易于加工和塑造形狀，工匠們能夠根據地理環境和建筑需要創造出多樣的橋梁設計，這種靈活性使得磚石橋梁適應了各種地貌和跨越需求。

（2）鋼結構。隨著工業革命的興起，鋼結構在橋梁施工領域逐漸取代了傳統的磚石結構，為橋梁建設帶來了革命性的變革。鋼結構的應用不僅在橋梁設計和施工上具有顯著的優勢，還推動了現代工程技術的進步。鋼結構之所以在橋梁施工中得到廣泛應用，主要因為其材料特性和結構優勢。首先，鋼材具有優異的強度和韌性，能夠承受較大的荷載并保持結構的穩定性。這使得橋梁設計師可以采用更為輕巧的結構設計，從而減少了橋梁的自重，提高了橋梁的承載能力。其次，鋼結構的制造和加工相對便捷，能夠實現工廠化生產，然后在現場進行快速組裝。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周圍環境的影響。

2.2 現代橋梁施工技術的演進

（1）預應力混凝土技術的應用。預應力混凝土是一種通過在混凝土中引入預先施加的張拉力，以對抗橋梁荷載產生的內部壓力的材料。這項技術在橋梁工程中的應用不僅使得橋梁更具耐久性和穩定性，還提高了橋梁的承載能力和安全性。在預應力混凝土技術中，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力。預應力混凝土橋梁因此能夠更好地抵御荷載、震動和溫度變化等外部力的影響，延長了橋梁的使用壽命。

（2）鋼-混凝土組合橋的設計與建造。鋼-混凝土組合結構將鋼結構和混凝土結構有機地融合在一起，充分發揮了兩種材料的優勢，達到了強度、耐久性和經濟性的最佳平衡。在鋼-混凝土組合橋的設計與建造中，鋼結構通常用于承擔主要的受力部分，如橋梁的橫梁和懸臂結構，而混凝土結構則用于填充和加固鋼結構，提供穩定性和耐久性。這種組合結構使得橋梁不僅能夠承受大荷載，還能夠在惡劣的環境條件下保持良好的性能，延長使用壽命。在建造過程中，鋼-混凝土組合橋通常采用預制構件與現場澆筑相結合的方式。預制鋼構件可以通過工廠化生產，保證了構件的質量和準確性，同時加快了施工速度。而現場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造技術。斜拉橋和懸索橋作為大跨度橋梁的代表，在現代橋梁施工領域引入了新型的構造技術，為跨越河流、峽谷等地理障礙提供了有效的解決方案。這些新型構造技術不僅提高了橋梁的承載能力，還賦予了橋梁獨特的美學和視覺效果。斜拉橋的特點是在橋塔頂部設置傾斜的拉索，通過拉索和橋面之間的受力傳遞，實現橋梁的跨度。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造技術主要體現在兩個方面：結構設計和材料創新。在結構設計方面，采用了更加輕盈的橋塔和主跨設計，通過合理分布和傳遞荷載，實現了整體結構的均衡。而材料創新方面，高強度鋼材和先進的施工材料的應用，增加了橋梁的耐久性和穩定性。這些橋梁的新型構造技術使得跨度更大、塔高更低、荷載更均衡，從而在不影響地理環境的情況下，提供更便捷的交通通道。

2.3 橋梁施工技術在公路工程中的應用

（1）快速施工技術在高速公路橋梁建設中的應用。隨著交通需求的增加，高速公路橋梁建設的快速施工技術在公路工程領域日益受到重視和應用。這項技術的核心是通過優化施工工序、采用先進設備和材料，實現橋梁建設周期的縮短，以滿足日益緊迫的工程進度和交通需求。在高速公路橋梁建設中，快速施工技術的應用主要體現在以下幾個方面：首先，采用可以在工廠內進行生產的預制構件，避免了現場施工的不確定性。這不僅提高了構件的質量和精度，還減少了施工現場的噪音、塵埃和交通阻塞。其次，采用快速施工技術可以實現多項施工工序并行進行。例如在橋梁墩和墩帽施工的同時，橋面梁的預制和安裝也可以進行，從而縮短了橋梁建設的整體時間。最后，快速施工技術還可以應用于橋梁的維護和修復工作中。通過采用新型的修復材料和施工方法，可以在短時間內完成橋梁的維修，減少對交通的影響。在保障公路安全和通行的同時，也為交通運輸的可持續發展做出了貢獻。

（2）環保施工材料在橋梁工程中的推廣。環保施工材料的廣泛推廣應用已成為公路工程領域的重要趨勢，尤其在橋梁建設中。這些新型材料不僅滿足了建設質量和效率的要求，還在降低環境影響和資源浪費方面取得了顯著成就。在橋梁工程中，環保施工材料的推廣為可持續發展提供了實質性支持。環保施工材料的推廣應用主要體現在以下幾個方面。首先，可再生材料如再生骨料、工業廢棄物等被廣泛應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，還減少了對天然資源的開采，有力地推動了生態環保。其次，高性能和高耐久性材料的應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。最后，新型環保施工材料的應用還可以減少施工階段對環境的影響。例如低揮發性有機溶劑和水性涂料的使用減少了有害氣體的排放，對施工人員和周邊環境更加友好。

3 隧道施工技術的發展與應用

3.1 傳統隧道施工方法

（1）掘進法。在隧道施工領域，掘進法是一種傳統且重要的施工方法，被廣泛應用于隧道的開挖和建設。這種方法基于地下掘進技術，通過挖掘巖石或土壤來創建隧道空間。掘進法可以分為多種，包括手工掘進、機械掘進和爆破掘進等。手工掘進是隧道施工的最早形式，工人使用手工工具如鐵鍬、鎬等，一點一點地挖掘隧道，雖然這種方法在勞動強度和施工效率方面受到限制，但在狹小空間或特殊地質條件下仍然有一定的應用。隨著工業化的發展，機械掘進技術逐漸成為主流，機械掘進利用隧道掘進機來進行挖掘作業，可以顯著提高施工效率。這些機器配備了刀盤或盾構頭，可以在地下進行持續的掘進工作，還能夠同時進行支護和排水等工作，從而確保隧道的穩定性和安全性。爆破掘進是一種在巖石地層中應用的方法，通過爆破將巖石破碎并清除，然后再進行后續的清理和加固工作。

（2）開挖法。開挖法是另一種傳統且廣泛應用的隧道施工方法，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。開挖法的應用范圍涵蓋了不同地質條件和隧道類型，例如城市地鐵、道路隧道等。開挖法根據地質情況的不同可以細分為切削法、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、挖掘機等設備進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環境，能夠快速開挖，并且較少受到振動和噪音的影響，適用于城市區域等需要保護周圍環境的場所。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定性。這種方法適用于含水量較高的地質環境，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。爆破法是在堅硬巖石地質中應用的一種開挖方法，通過爆破將巖石破碎，然后清理出隧道空間。這種方法在地質條件復雜且巖石堅硬的情況下具有優勢，但需要嚴格控制爆炸力度，以避免對周圍環境和地下結構造成影響。

3.2 現代隧道施工技術的演進

（1）盾構技術的引入與改進。盾構技術作為一種先進的隧道開挖方法，通過機械化裝備實現隧道的開挖和支護，有效解決了傳統手工開挖隧道所面臨的困難和風險。盾構機是盾構技術的核心設備，它能夠在地下開挖隧道并同時進行支護。盾構機分為硬巖盾構機和軟土盾構機兩種類型，根據地質條件的不同進行選擇。隧道開挖時，盾構機會通過切削裝置將土壤或巖石切割成小塊，然后通過輸送系統將其從隧道內運出。近年來，盾構技術在多個方面進行了改進和創新。首先，盾構機的控制系統不斷升級，實現了更精確的定位和導向，提高了隧道的準確性和質量。其次，盾構機的環保性能得到了加強，減少了噪音和顆粒物的排放，降低了對周圍環境的影響。

（2）巖石掘進機在隧道建設中的作用。巖石掘進機專門用于在巖石地層中進行隧道開挖。它的工作原理是通過旋轉的刀盤將巖石切削成碎片，然后通過輸送系統將碎片從隧道內運出。與傳統的爆破方法相比，巖石掘進機具有更高的安全性和環保性，減少了對周圍環境的影響。巖石掘進機在隧道建設中的作用體現在多個方面：首先，它能夠適應不同地質條件下的開挖需求，包括軟土、巖石和硬巖等，使得隧道建設更加靈活多樣。其次，巖石掘進機的高效率可以顯著縮短施工周期，提高工程的進度和質量。隨著技術的不斷創新，巖石掘進機也在不斷改進和升級。新型刀盤設計、先進的刀具材料，以及自動化控制系統的應用，使得巖石掘進機的性能和穩定性得到了顯著提升。

3.3 隧道施工技術在公路工程中的應用

（1）地下城市道路隧道的設計與施工。隨著城市人口的增加，地下城市道路隧道作為一種創新的交通建設方案，日益受到關注和應用。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，實現城市交通和建設的有機融合。在地下城市道路隧道的設計與施工中，隧道工程技術發揮了重要作用。首先，地下城市道路隧道的設計需要充分考慮地質條件、交通需求、城市規劃等多方面因素，以確保隧道的安全性和功能性。隨著數值模擬和地質勘探技術的不斷發展，隧道設計能夠更精確地預測地下環境的變化，為隧道的合理布局和施工提供依據。其次，隧道施工技術在地下城市道路隧道建設中起到了關鍵作用。現代化的隧道施工方法，如盾構技術和巖石掘進機的應用，能夠在城市地下進行精確開挖和支護，減少地上施工對城市交通的影響。最后，地下城市道路隧道的建設不僅解決了交通擁堵問題，還創造了新的城市景觀。隧道內部的照明、通風和安全設施設計，不僅保障了交通運行，還為市民提供了舒適的通行環境。

（2）水下隧道建設技術的挑戰與突破。水下隧道建設不僅需要應對復雜的水下地質條件，還要克服水壓、泥沙淤積等因素帶來的困難，因此其技術創新和應用具有重要的意義。在水下隧道建設技術方面，挑戰主要集中在以下幾個方面：首先，水下地質條件復雜多變，地質勘探難度大。因此，通過地質勘探和數值模擬等手段，準確了解水下地質情況，為隧道的設計和施工提供可靠的數據，是關鍵的一步。其次，水下隧道施工需要克服水壓和水流等環境因素的影響。施工過程中，必須采用合適的支護和排水技術，確保施工現場的安全和穩定。同時，還需要保護水下生態環境，減少對海洋生態系統的影響。

4 結語

綜上所述，公路工程橋梁與隧道施工技術的發展與應用研究，是促進城市交通發展和城市可持續建設的重要領域。通過不斷的技術創新和實踐探索，可以更好地滿足交通需求，提高交通安全性和效率，同時也為城市環境保護和社會可持續發展做出貢獻。未來，公路工程領域將會取得更多突破，為城市交通建設賦予更多活力。