高速公路路基、桥梁、隧道衔接方案研究

2024-03-28李太平

运输经理世界 2024年2期

李太平

（甘肃公航旅天庄高速公路管理有限公司，甘肃天水 741000）

0 引言

高速公路不仅是连接城市和城市、城市和乡村的主要通道，也是推动经济发展的重要纽带。但在高速公路的设计与建设中，路基、桥梁与隧道的衔接始终是一个技术难点。这些衔接部分对整个交通体系的稳定性、安全性和持久性起决定性作用，如何优化衔接方案，确保高速公路平稳、安全、高效运行，已成为当前交通工程领域亟待解决的问题。

1 高速公路路基、桥梁、隧道衔接方案的重要性

1.1 保证交通流畅性与安全性

在现代交通工程中，高速公路施工涉及多种交通结构元素，如路基、桥梁和隧道，这些元素的有效衔接对保证交通流畅性与安全性有重要意义。交通流畅性不仅关乎道路的容量和效率，还直接影响民众的出行体验。良好的衔接方案能够确保各种结构元素之间平滑过渡，不仅可以提供舒适的驾驶体验，还可以避免交通拥堵和延迟。不合理的衔接方案容易造成交通事故，如车辆失控或撞击障碍物等。因此，在高速公路设计过程中，必须对路基、桥梁、隧道衔接方案进行科学论证与严格控制。

1.2 延长工程结构使用寿命

高速公路的综合设计不仅要考虑交通流畅性和安全性，还要考虑工程的持久稳定性。高速公路路基、桥梁、隧道衔接方案不合理可能导致结构早期损坏、裂缝扩展或不稳定，会使维修、维护或替换需求提前，从而增加安全风险和维护成本[1]。合理的衔接方案可以确保各种结构部分受力均匀，减少由于应力集中或材料不匹配引起的疲劳损伤。此外，路基、桥梁和隧道之间的合理衔接，各部分可以形成一个整体，共同抵御外部环境的影响，如地震、洪水和交通载荷等。从长远来看，高速公路路基、桥梁和隧道之间的合理衔接不仅可以为公共投资带来更好的回报，还可以确保基础设施在未来的很长一段时间内始终保持高效和安全运行。

1.3 促进技术创新与绿色施工

高速公路施工过程中，为更好地实现路基、桥梁和隧道的衔接，需要采用先进的材料、新型施工技术等，这能为工程领域带来持续的技术革新机会，促使工程师和研究者探索、开发更高效、更耐用和更经济的解决方案。与此同时，随着全社会环境保护意识的不断加强，绿色施工已成为工程项目的核心考量因素。为进一步减少施工中的材料浪费，降低能耗，并降低对周围环境的影响，需要持续创新绿色施工模式。例如，采用预制元件、使用可再生材料或采用低碳施工技术等，以提高高速公路工程的社会和环境价值。

2 高速公路路基、桥梁、隧道衔接面临的挑战

2.1 受力和应力的变化

在高速公路施工中，路基、桥梁和隧道衔接是一项至关重要的任务，关乎整体道路的安全性与稳定性。但是，这三部分结构体的性质和功能不同，在承受车辆和其他荷载时的受力模式也各不相同。路基主要承受来自车辆的垂直压力；桥梁除了承受垂直压力，还受到自身跨度带来的弯矩和扭矩压力；隧道则承受地下土壤压力和地下水冲刷等。应力集中常出现在这些结构的交接处，如果三者衔接不得当，可能导致裂缝、变形甚至失稳等问题。此外，随着时间的推移，交通荷载和环境因素会导致应力重新分布，可能进一步加大衔接处的受力差异。这些复杂的受力和应力变化，给高速公路路基、桥梁、隧道衔接设计带来巨大的挑战。

2.2 材料差异及影响

由于不同部分所使用的材料存在一定的差异，而材料差异性所带来的影响不仅涉及结构的稳定性，还直接关系到衔接部分的耐久性和安全性。

首先，每种材料都有其特定的物理和化学性质，如弹性模量、膨胀系数、抗压强度和耐腐蚀性。例如，路基常使用土壤和砂石混合物，桥梁大多由混凝土和钢材构成，隧道可能使用钢筋混凝土或其他特种材料。当这些具有不同性质的材料相互衔接时，可能由于温度、湿度等外部条件的变化引起不均匀膨胀或收缩，从而在接触区产生应力集中或裂缝。

其次，材料之间的界面黏附性也是一个关键因素。若黏附不良，可能会在衔接部分产生水渗、气泡或其他有害物质的渗透，久而久之可能引发腐蚀、剥离等问题。

最后，不同材料的耐久性也有很大差异。在同一环境条件下，某些材料可能会出现老化、疲劳损伤等现象，而与其衔接的其他材料可能还处于相对稳定的状态，这也会导致结构整体性能下降。

2.3 技术与设备的局限性

现代基础设施建设对精度、安全性和效率的要求不断提高，传统的工程技术和设备已经无法完全满足这些需求，在一定程度上影响衔接质量和工程进度。

首先，一些传统的施工技术在精度控制上存在较大难度。例如，对于大跨度桥梁的对接或隧道穿越，实现两端对接精确无误是一大技术挑战。如果对接位置出现偏差，可能导致结构受力不均、应力集中，甚至影响交通安全。

其次，传统的施工设备在功能、效率和环保性上可能存在局限性。例如，一些老旧的钻掘设备可能在隧道开挖中速度较慢、精度不足，且可能产生大量的废弃物和污染。

最后，技术更新换代速度快，而部分施工团队的技能培训和设备更新往往相对滞后，导致在一些项目中采取先进的技术方案，而操作者的技能不足，可能无法充分发挥方案优势。

2.4 地质和气候条件影响

地质和气候条件变化会影响高速公路路基、桥梁、隧道衔接质量，以及工程的整体稳定性、安全性和寿命[2]。

第一，地质条件的影响。不同的土壤类型（如黏土、砂土、碎石土等）对压力和振动的响应不同，可能导致地基沉降不均匀或产生位移。此外，地下水、岩层裂缝或地壳活动等因素可能对隧道穿越和桥梁基础产生不利影响，导致衔接部分的受力改变或结构变形。

第二，气候条件对衔接部分的长期稳定性和耐久性有显著影响。温度的周期性变化会引起材料膨胀和收缩，特别是在寒冷地区，冻融作用可能导致路面开裂或桥梁结构损伤。湿度、雨水和雪水的侵蚀和冲刷也可能对衔接部分的材料和结构造成损害。此外，强风、暴雨和其他极端天气条件可能加剧结构的受力变化，影响其稳定性。部分地区的地质和气候特点还可能引起特有的问题。例如，沿海地区可能受到盐雾腐蚀的影响；高山地区可能面临滑坡和泥石流的威胁；在地震活跃区域，地震可能对结构产生冲击。

3 高速公路路基、桥梁、隧道衔接

3.1 优化方案设计

进行高速公路的路基、桥梁、隧道衔接方案设计时，方案优化的关键在于对几何形状、受力稳定性的准确分析。

在几何形状设计方面，应确保各部分平滑对接，以降低应力集中。例如，桥梁与路基的交接部位可以设计为曲线过渡段，确保车辆在进出桥梁时平稳驾驶，同时降低由于结构高差产生的受力不均。隧道出口部位也可采用类似的设计，使车辆从隧道驶出至路面时获得平稳的过渡[3]。

受力稳定性分析是确保结构安全的核心。需要对交接部位可能承受的所有荷载进行估算，包括车辆荷载、环境荷载（如风荷载和雨水等），以及由于温度变化导致的热应力。这些荷载的分布和大小直接影响衔接部分的稳定性。为此，可以采用有限元分析方法模拟各种工况下的受力情况，结合分析结果对衔接部分的材料、尺寸和加固措施进行调整。例如，经分析发现某一部位受力过大，可能需要增加该部位的横截面尺寸，或使用强度更高的材料。预应力锚固、加装钢筋或使用高强度混凝土等措施，都可以提高结构的承载能力和稳定性。

通过合理的几何形状设计和精确的受力稳定性分析，并采取针对性的加固措施，可以有效优化高速公路路基、桥梁、隧道的衔接方案，确保工程的长期安全稳定。

3.2 材料选取与处理

施工材料的选取与处理至关重要，其中强度、耐久性及其相容性是关键决策指标。

材料必须具有足够的强度，以承受预期的荷载和环境应力。例如，选择混凝土时，必须保证其抗压强度、抗拉强度和抗弯强度满足设计要求。同时，用于桥梁支撑和隧道固定的钢材必须满足一定的屈服点，具备较高的抗拉强度。对这些材料进行适当的处理，如加热处理或添加特定的混合物，可以进一步优化其性能。

由于高速公路工程需要长时间暴露在自然环境下，因此所选用的材料必须具有良好的耐腐蚀、耐冻融和耐老化性能。例如，为了防止钢筋混凝土中的钢筋腐蚀，可以选用不锈钢或经过防腐处理的钢筋；通过添加防水剂或使用高抗渗混凝土，提高混凝土的耐久性。针对特殊的环境条件，如盐雾侵蚀或酸雨，还需要对材料进行特殊的处理，如涂层。

高速公路路基、桥梁、隧道衔接部分涉及多种材料的结合，它们之间的相容性至关重要，因此不同材料的热膨胀系数、弹性模量和蠕变性能必须考虑到设计中，确保在温度变化、荷载及长时间的服役过程中，这些材料能够和谐工作，不会产生过大的内部应力或变形。例如，混凝土与钢筋结合时，必须保证二者之间的附着性和黏结性，进而保证结构的完整性。

3.3 施工技术与质量控制

预制技术的应用可大大加速工程进度，确保结构部件达到高品质标准。预制部件如桥梁梁段、隧道壁板等在工厂中生产，可以确保其尺寸精度和结构质量，之后运输到施工现场[4]。预制部件衔接是一个关键环节，通常采用现场浇筑技术，如梁间、梁与柱间的衔接。高强度的混凝土和特制的连接件，如预应力筋、连接箱等，能够确保部件稳固衔接，保证整体结构的强度和持久性。

近年来，随着现代传感器技术和信息技术的发展，实时监控已经成为施工现场的常态。例如，应变计、倾斜计和位移计可以实时监测结构状态；对于混凝土浇筑，可以使用内嵌式传感器监控混凝土的温度和强度发展，以确保混凝土达到预期强度。

质量控制是高速公路路基、桥梁、隧道衔接施工过程的关键。从原材料检验、生产过程监控到成品检测，每一个步骤都需要严格进行质量控制。特别是衔接部位的施工质量，其直接影响整体结构性能。因此，对于预制部件衔接质量、焊缝质量、螺栓紧固情况和混凝土浇筑质量等必须进行严格的试验检测。