云南公路桥梁与隧道建设中的技术难题与制约因素

桥梁篇：云南省地处青藏高原南延部分，全省地势自西北向东南分三大阶梯递降，横断山脉广布，断陷盆地星罗棋布，山川湖泊纵横交错，山高谷深，沟壑纷呈，工程地质与水文地质复杂，立体型垂直气候明显，地质灾害频发，地震烈度高，加之地处我国西南偏远山区，经济社会发展相对落后，这些客观实际，给云南省公路桥梁和隧道的建设带来了诸多技术难题与制约因素。“十二五”以来，云南省交通人迎难而上，开拓进取，大胆创新，攻克难题，突破瓶颈，使一批震撼世界的大桥如雨后春笋般矗立于云贵高原。如：世界第一高桥——尼珠河大桥、双塔单跨钢箱梁悬索桥——普立大桥以及亚洲山区最大钢箱梁悬索桥——龙江特大桥等。这些世界级桥梁的建成，使云南省高速公路桥梁的设计、施工和养护技术不断成熟，也为国家培养了一批桥梁建设专家，更作为交通命脉贯穿祖国的大西南，成为西南边区经济社会发展不可或缺的重要支撑。而作为云南省桥梁史最重大突破的龙江特大桥，更是云南省“十二五”桥梁建设的最高成就。科研人员日夜辛劳，围绕龙江大桥的建设开展了“龙江特大桥设计施工及营运关键技术研究”“悬索桥主缆‘缠包除湿’新型防护体系施工关键技术研究”等工作，在国内首创了无人机驾驶飞行器牵引先导索过江技术，为大桥建设提供技术保障与支撑。“十二五”期间，桥梁领域共获省科技进步二等奖1项，省科技进步三等奖5项。

·在超长灌注桩钢筋笼上安装传感器

一、桥梁设计、施工、检测和养护

（一）超长灌注桩承载性能试验研究

项目获奖情况：2011年云南省科学技术进步三等奖

主要承担单位：云南省公路开发投资有限责任公司等

1.背景。本项目以解决昆安高速公路建设中的软基超长灌注桩设计和施工技术难题入手，深入开展了软土地区高速公路桥梁超长钻孔灌注桩从设计、施工再到检测阶段的研究，为云南高速公路的建设提供重要指导意义和宝贵借鉴经验。通过大规模的试验研究，掌握软基地带超长灌注桩的实际受力机理和沉降机制，为今后超长灌注桩的设计提供参考价值。以昆安超长钻孔灌注桩实体工程为依托，研究并提出了适宜云南软土地基的超长钻孔灌注桩施工技术及工艺。对桩基承载力的检测技术进行改进，能准确测评超长钻孔灌注桩桩基的承载性能，以利于控制工程质量。

2.主要研究成果

（1）设计了安全可靠、经济适用、结构新颖、具有创新性的最大堆载吨位为20000千牛的加载系统。

（2）提出3个更具通用性的确定大直径超长灌注桩有效桩长的公式。

（3）编制《超长钻孔灌注桩桩基设计技术指南》《超长钻孔灌注桩施工技术指南》《超长钻孔灌注桩桩基检测技术指南》。

·2000吨超长灌注桩加载平台及加载液压系统

·加载平台及数据采集系统

3.应用。项目在大直径超长灌注桩方面的研究成果总体达到国内先进水平，为西部软土地区高速公路桥梁的修建总结了宝贵经验，具有较高的参考价值；在大吨位堆载试验方面达到国内领先水平，大幅提高了云南省高速公路桥梁检测技术水平。对带动相关软基处置技术的发展起着重要作用，应用前景广阔，社会效益与经济效益显著。

·修建中的昆安高速公路桥梁群

（二）超长桩、体外索、钢箱拱桥新技术研究

项目获奖情况：2012年云南省科学技术进步三等奖

主要承担单位：大理市交通运输局、云南省公路科学研究院等

1.背景。随着经济社会和科学技术的不断发展，云南省交通运输事业和公路建设行业得到迅猛发展，但由于云南省江河湖泊众多，六大水系纵横交错，遍布全省的软土地基与日益增长的桥梁建设需求矛盾加剧，对云南省处理建于软基地带的桥梁技术提出了新要求与新挑战。本课题主要针对建于软基地带且处于建筑抗震不利地段桥梁的结构安全性与可靠性进行研究，从群桩基础的超长灌注桩单桩容许承载性能、拱桥抗震性能、体外索平衡水平推力的多跨连拱拱桥等方面展开深入研究。具体以大理兴盛大桥为例，解决了大桥所采用的新结构体系——软土地基体外预应力（体外索）平衡水平推力的上承式钢箱肋拱桥中的一系列关键技术，研究内容包括：软弱地基上超长桩单桩容许承载性能研究、连拱体系抗震技术研究、体外预应力（体外索）技术应用研究和体外索平衡水平推力的上承式多跨连拱拱桥技术研究。

·大理兴盛大桥竣工后全貌

·全桥静载试验

·超长灌注桩静载加载现场

2.项目主要研究成果

（1）针对大理兴盛大桥位处地质条件差、地震烈度大、经济性能好且景观要求高等特点，开展了对大桥所采用的新结构体系的研究：全面、细致地分析研究软土地基体外预应力（体外索）平衡水平推力的多跨上承式连拱体系，在运用体外预应力平衡连拱桥水平推力的技术前提下，实现了新结构体系在各种复杂条件下的功能要求，使大桥的结构安全可靠，外形新颖美观。

（2）兴盛大桥研究并采用了恒载完全由水平体外索平衡拱桥推力来提供的创新思想，在国内首次采用了无推力基础的多跨上承式连拱桥体系，并开展了软弱地基上超长桩单桩容许承载性能研究、连拱体系抗震技术研究、体外预应力(水平索)技术应用研究和体外索平衡水平推力的上承连拱拱桥参数和设计技术研究。

·超长灌注桩静载试验

·拱肋吊装

·体外索布置

（三）桥梁预应力管道注浆效果检测技术研究

项目获奖情况：2011年云南省科学技术进步二等奖

主要承担单位：云南省公路开发投资有限责任公司等

1.背景。本项目针对桥梁预应力管道施工中不可避免地经常出现预应力孔道注浆不密实，导致管道中高应力状态下的金属材料快速锈蚀而影响桥梁的耐久性、安全性问题，以及针对因出现注浆质量缺陷后致使混凝土应力集中出现混凝土结构破坏，引起预应力管道的预应力损失而改变梁体的设计受力状态和影响桥梁的使用寿命等问题进行研究，以改善当前越来越多应用于桥梁建设的桥梁预应力管道质量。本项目通过试验与现场验证，深入研究联合无损检测方法对注浆质量进行二维时频分析评价，以利根据检测出的缺陷及时采取补救措施，达到消除隐患、确保工程质量的目的。

2.项目主要研究成果

（1）研究了预应力管道注浆缺陷检测方法和识别技术，建立了桥梁预应力管道注浆质量缺陷与探测图像特征的对应关系模式。

（2）首次提出了对桥梁预应力塑料波纹管和金属波纹管注浆质量分别采用雷达散射技术和声波散射技术进行检测的方法。

（3）通过实际工程应用，不断完善测试系统，编制《探地雷达法检测桥梁塑料波纹管注浆饱和度技术指南》和《超磁声波反射法检测桥梁金属波纹管注浆饱和度技术指南》。

（4）通过雷达波波谱特征和声波散射技术进一步研究，开发了桥梁预应力波纹管注浆质量检测二维时频分析专用软件。

3.应用。课题进展同时，研究成果及时应用于保龙高速公路桥梁建设，为科学地指导施工和加强施工质量发挥重要作用；在蒙新高速公路连续钢构大桥检测中及时发现施工期的预应力管道注浆质量缺陷，为后期的针对性处治设计方案提供了重要依据。另外，本课题的研究成果在重庆已运营的渝黔高速公路和在建的渝湘高速公路酉武段和水武段桥梁中进行了应用，为已运营桥梁病害诊治和在建桥梁的施工质量控制发挥了重要的技术支撑作用，确保了在建桥梁的施工质量和运营桥梁的安全，取得了良好的社会效益，有广泛的应用前景。

·保龙高速公路怒江大桥

（四）山区在役大跨桥梁结构动力特性演化机理与实时监测评估技术研究

项目获奖情况：2013年云南省科学技术进步三等奖

主要承担单位：云南省公路开发投资有限责任公司等

1.背景。随着科学技术的进步以及交通运输的需求，一批大跨度桥梁应运而生，尤其是悬索桥以其跨度大、造型优美、节省材料而备受青睐，成为大跨度桥梁的首选。但随着跨度的增大，加劲梁的高跨比越来越小，安全系数也随之下降。另外，由于其柔性大、频率低，对风的作用很敏感。而由于缺乏必要的监测和相应的养护，世界各地出现了大量桥梁损坏事故，给国民经济和生命财产造成了巨大损失。本项目以监测大型桥梁结构安全性、整体性和耐久性确保其安全运营为出发点，针对山区环境下大跨在役桥梁，尤其是连续刚构桥普遍存在跨中下挠、跨中底板及腹板裂缝等典型病害进行理论研究与科技研发。

2.项目主要研究内容及成果

（1）通过理论分析、缩尺模型试验和依托工程验证，建立了基于车桥耦合振动声纹概率稳定性的结构裂缝损伤识别技术体系，突破了低阶自振频率对结构损伤敏感性不足的局限，构建了基于混沌非线性特征指标的连续刚构桥的状态评估模型。

（2）研发了微光发电控制装置，构建了基于智能控制的低日照山区桥梁健康监测软件系统以及太阳能供电系统，使太阳能电池板输出功率提高10%～20%。

（3）研发了视频监控与挠度监测的协同性系统，实现了结构异常变形时车辆信息的自动识别。

（4）研发了基于压力传感的大跨大纵坡桥梁挠度高精度动态监测装置及系统，形成了融合结构线性、倾斜等监测信息的全体系在役桥梁健康监测和安全评估技术体系。

3.应用。项目研究成果获国家发明专利6项、软件著作权2项，发表论文16篇（其中SCI检索2篇， EI检索7篇），出版专著2部，编制施工技术指南1部。项目成果主要技术指标优于国内外同类技术，总体水平达到国际领先水平，在云南省及重庆、贵州等地区的保龙怒江大桥、祥临澜沧江悬索桥等共11座大型在役桥梁中得到成功推广应用，培养了上百名交通科技人才，取得直接经济效益近1.17亿元，环境和社会效益显著，推动了行业科技进步。

二、伸缩装置的设计和养护

（一）无伸缩缝半整体式桥梁设计与施工技术研究

项目获奖情况：2013年云南省科学技术进步三等奖

主要承担单位：云南省交通规划设计研究院等

1.背景。随着桥梁建设的不断发展与交通量的迅猛增长，桥梁伸缩缝所引起的破坏得到了越来越多的重视。伸缩缝作为桥梁的薄弱部分，直接承受车轮荷载的反复冲击作用，极易遭到破坏又难以修补，给桥梁管理带来诸多不便。同时，云南省位于地震多发、地震烈度较高地块，而无缝桥梁因全桥取消了伸缩装置，不仅显著改善了行车条件，减少了桥梁运营维护成本，而且提高了桥梁的整体性，增加了梁端超静定约束，具有良好的抗震性能。因此，无伸缩缝半整体式桥梁的研究与推广，对云南省桥梁的建设有着重要意义。

2.项目主要研究及成果。本项目以安宁至晋宁高速公路建设项目为研究对象，结合模型试验、理论计算分析、设计与施工、成桥监测等关键技术问题，系统研究半整体式无缝桥梁的技术适用性、设计理论与计算方法、接线路面耐久性、构造设计与施工技术及空间动力响应分析。同时，还开展了无伸缩缝桥梁设计与施工技术的研究、半整体式无缝桥抗震性能研究。

通过研究，项目取得了如下结论：

（1）揭示了新型半整体式全无缝桥梁长度与温差的关系系数，提出了不同温差下半整体式全无缝桥梁长度的参考值。(www.xing528.com)

（2）从构造特点着手，进行受力性能分析，通过模型试验、理论计算、成桥监测等手段，提出两种结构类型半整体式无缝桥梁的设计理论与计算方法。

（3）通过室内实验和大型非线性计算软件来模拟分析车辆荷载作用下的无缝桥变形，论证了半整体式无缝桥良好的抗工后沉降能力。

（4）系统地进行无缝桥抗震性能研究，提出了完整的抗震设计方法和构造措施。

（5）首次采用1∶1足尺模型试验，进行了连续配筋接线路面耐久性研究。

（6）通过试验，积累大量数据资料，用于指导试验桥的设计与施工；提出半整体式无缝桥的构造设计与施工技术措施；在结构关键部位安装了位移计、钢弦传感器、土压力盒，收集了4座试验桥竣工运营一年内的监测数据，为理论计算分析提供依据。

3.应用。项目研究成果成功应用于昆明绕城高速公路西南段安宁至晋宁依托工程，在项目中采用两种结构类型的半整体式无缝桥技术，成功建造了4座（双幅8座）试验桥，试验桥全无缝长度达160米，为国内最长。4座试验桥竣工后运行良好，取得了显著的社会经济效益。

·室内试验图

·无伸缩缝半整体式桥梁

·浸长1号桥

·小海口桥

（二）高速公路桥梁伸缩缝快速更换关键技术研究

项目获奖情况：2012年云南省科学技术进步三等奖

主要承担单位：云南省公路开发投资有限责任公司等

1.背景。公路桥梁伸缩缝装置，在桥梁结构中直接承受车轮荷载的反复作用，而且长期暴露在大气中，使用环境比较恶劣，是桥梁结构最易遭到破坏而又较难以修补的部位。特别是高等级公路，交通量流量大且车速高，伸缩缝修补时经常需要实行交通管制，往往造成不良的社会影响及经济后果。因此，本项目主要针对高速公路交通要求、桥梁伸缩缝的特点，研究和探索了能够最小限度影响交通的伸缩缝快速更换技术。

2.项目主要研究成果

（1）研发了高速公路伸缩缝快速更换的热塑性弹性体增韧环氧树脂新型材料。

（2）建立了高速公路桥梁伸缩缝综合状态评价体系，提出了最佳更换时间优选方法。

（3）编制了《高速公路桥梁伸缩缝快速更换技术指南》。

·“高速公路桥梁伸缩缝快速更换关键技术研究”项目依托工程实施现场

隧道篇：云南是“山的王国”，交通基础设施建设面临极大困难，而作为克服山区地形的有效措，隧道在云南省高速公路建设中显得极其重要。云南第一座隧道——东川铜矿公路隧道1951年起步，到1995年40多年间，步履蹒跚，发展缓慢。高速公路起步至今20年，云南公路隧道平均每年新建约40千米，科技人员大胆探索和创新，围绕设计及施工难点开展科技攻关，攻坚克难，以科研成果指导施工，在交通基础设施的建设中起到了重要的作用。近年，在城市建设中，以节约土地和保护环境为宗旨，城市道路隧道方兴未艾，城市及公路隧道设计、施工技术不断进步，通过监控量测实现动态设计，通过大量监测数据的统计分析，不断优化设计、施工工艺技术。施工中通过地质超前预报、控制爆破、锚喷支护、现场监测、新材料、施工工艺工序优化、工程质量监测技术等的成功应用，提高了云南省的公路隧道建设水平。“十二五”期间，结合云南省公路隧道建设的特点，又在基础理论、施工工艺技术、快速检测技术等方面开展了进一步的探索研究，取得多项成果，获省科技进步二等奖2项，省科技进步三等奖1项。尤其在隧道运营安全方面，取得较大突破，代表性的研究有“双向交通隧道运营、通风、照明与安全技术研究”和“山区公路隧道灾害预警集成技术与集成装备研究与应用”。

三、隧道施工、检测及运营

（一）小角度近距离立体交叉地铁盾构下穿昆明火车站的关键技术

项目获奖情况：2014年云南省科学技术进步二等奖

主要承担单位：中铁十六局集团轨道公司西南分公司等

1.项目背景

为解决昆明市轨道交通首期工程八标地质软硬不均、深基坑距离既有高层建筑较近（最小距离仅1.6米）、盾构隧道重叠下穿复杂建筑物群、昆明火车站股道（期间不间断运营）等技术难题，开展“小角度近距离立体交叉地铁盾构下穿昆明火车站的关键技术”研究。

2.项目主要内容及成果

（1）提出了滇池沉积层的地铁盾构响应机理，解决了湖相软弱地层地铁盾构机选型的问题。

（2）提出适用于湖相软弱地层的盾构施工控制参数和施工方法体系，解决了该类地层小角度、近距离立体交叉下穿大型火车站建筑群、站场股道的技术难题。

（3）提出滇池湖相承压水砂层、粉砂层快速止水技术，实现了沉积层地下工程快速止水和土体改良，保证盾构安全。

（4）提出基于滇池沉积层特征的深基坑安全施工方法，保障紧邻建筑安全和施工安全。

（5）采用旋挖钻机泥浆护壁、普通混凝土代替超缓凝混凝土的咬合桩施工新工艺，提高了咬合桩施工效率，有效降低了工程投资。

3.应用：该技术在昆明地铁1号线、2号线、3号线施工中均有应用，取得了良好的经济效益和社会效益。

·地铁施工现场

（二）双向交通隧道运营、通风、照明与安全技术研究

项目获奖情况：2011年云南省科学技术进步三等奖

主要承担单位：云南省公路开发投资有限责任公司等

1.背景。我国公路隧道的建设规模举世瞩目，随着隧道建设的不断开展，二级公路隧道也不断增多，单洞对向交通隧道通风、照明与安全系统随之复杂，通风防灾技术的难度和要求也日渐提高，现有技术水平已难以满足工程要求。本项目在系统分析了公路隧道通风计算的特点和难点的基础上，引入公路隧道通风网络分析计算理论，建立了公路隧道通风数学模型，通过三维CFD数值仿真和试验测试分析，对隧道通风方案进行了优化分析；建立了隧道照明试验室，采用室内照明模拟试验，首次提出了组合照明概念，并将组合照明应用到依托工程上；对单洞对向交通隧道的防灾救援从隧道性能化和结构化两方面进行了分析研究，提出了单洞对向交通隧道防灾的对策和措施。

2.项目主要研究成果

（1）单洞双向交通隧道通风系统优化与验证分析，纵向射流通风升压效率优化研究。

（2）提出组合照明概念，在隧道加强照明中采用钠灯与LED组合照明。

（3）从隧道性能化和结构化两方面对单洞对向交通公路隧道火灾对策进行研究。

（4）提出了人烟分离模式之单侧检修道封闭方案和人火分离模式之单侧轨道车方案的防灾救援模式。

3.应用。研究开发的公路隧道组合照明技术在该实体工程中得到了应用，解决了隧道照明能耗高、费用高的难题，符合目前国家提倡节约能源的趋势。对单洞对向交通隧道通风防灾设计提供了新的方法和手段，定量描述单洞对向交通公路隧道防灾救灾系统新途径。成果对提高我国二级公路隧道建设及运营管理水平具有十分重要的意义，也对国际上特长公路隧道通风照明防灾设计方法提供了指导和示范作用。项目成果达到国际先进水平。

（三）山区公路隧道灾害预警集成技术与集成装备研究与应用

项目获奖情况：2014年云南省科学技术进步二等奖

主要承担单位：云南省公路开发投资有限责任公司等

1.背景。随着我国高速公路建设事业步入历史空前发展时期，高速公路里程不断增长，高速公路隧道不断增多，隧道安全事故预防也提上重要日程。根据隧道内重大安全事故的统计表明，大多数的事故都因地质灾害引起，不仅制约隧道建设工期、影响隧道施工安全，还给人民的生命和财产带来巨大的损失。本项目通过自主研发的公路隧道病害快速检测设备对公路隧道病害的快速检测，建立隧道灾害预警，为隧道施工安全和隧道养护提供参考性文件，充分发挥高速公路的经济效益与社会效益。项目组针对公路隧道病害的快速检测需求，在引进消化吸收再创新和集成创新的基础上，研制了具有自主知识产权的公路隧道病害快速检测车，实现了5～10千米/小时移动速度下的病害快速检测。

2.项目主要研究成果

（1）自主研发了非接触空气耦合雷达天线，实现了5～10千米/小时移动速度下10米深度以内、15厘米以上空洞的快速检测。

（2）设计开发了基于线阵CCD的隧道衬砌裂缝移动检测系统，实现了衬砌裂缝的快速动态扫描和识别，在10千米/小时移动速度条件下裂缝宽度辨识达到0.3毫米。

（3）开发了基于红外扫描的隧道衬砌渗漏水移动检测装置，提出了渗漏水图像识别方法，开发了相应的处理分析软件系统。

（4）建立了隧道病害分类识别库与结构安全评估系统。

3.应用。项目研究成果获得发明专利2项、受理发明专利5项、取得软件著作权2项、发表学术论文23篇（其中，SCI检索4篇、EI检索12篇），培养交通科技人才上百名。项目成果和样机在浙江藏山岭隧道、云南蒙新高速公路等多座隧道的运营维护中得到应用，共取得了6400万元的经济效益，产生了显著的社会效益，在有效支撑和保障了山区隧道营运安全的同时，为在役隧道健康及安全评估的科学研究和工程应用提供了可靠的理论和技术支撑。

·实现了5～10千米/小时移动速度下的病害快速检测