交通基础设施建设技术研究

文章来源:《交通强国战略研究(第二卷)》

技术发展现状

近年来,我国交通运输业实现了历史性大发展。交通基础设施建设领域攻克了高速铁路、长大桥梁和隧道、离岸深水港建设等关键技术,建成京沪高速铁路、青藏铁路、三峡船闸和升船机等一大批超级工程,中国交建、中国中铁和中国铁建等一批大型国有企业已成为技术先进、体系完备的国家建设队伍;在行业重点科研平台建设方面,建成以高速铁路建造技术国家工程实验室为代表的一批科研平台,形成了合理的科研体系。

随着行业发展,交通基础设施建设技术也得到了快速发展,但与发达国家相比,通用技术和个性技术方面仍然存在相对不足。

1.通用技术

通用技术集中体现在信息技术、材料技术、标准规范和监测检测技术等。

在信息技术方面,发达国家在大型工程的设计、施工及管理中心迅速推动并应用BIM技术,许多大型企业已经具备了BIM技术应用能力,熟练运用BIM技术已经成为设计和施工单位承接项目的必备能力之一;而我国起步相对较晚,各行业BIM标准体系尚不完善,对建设期各施工环节的自动化监测与信息采集尚未全面普及,各种信息数据与BIM的融合与应用也还处于探索阶段。

在材料技术方面,工程材料是保障交通基础结构质量的重要基础,国际上美国等国将功能材料与智能结构逐渐引入到混凝土结构中,为交通基础工程结构混凝土裂缝的抑制与预防提供了新的技术途径,具有自诊断、自修复、自愈合特点的混凝土材料也成为研究热点,功能材料与智能结构逐渐引入到混凝土材料中;国内高性能混凝土已经在交通基础设施结构中得到广泛应用,但随着建设规模的扩大,我国需加强材料高性能化、智能化、轻型化的研究,提高工厂化预制水平和使用寿命;为进一步提高土木工程用钢材的性能,强度更高的钢材、钢丝及钢绞线的研发和应用成为亟待解决的问题。

对于施工标准与规范,各发达国家规范体系和理论标准体系基本健全,并基本形成了以“技术法规——技术标准”为主的标准规范体系,在国际标准制修订方面占据有利地位;我国自改革开放以来,交通运输标准化工作取得了重大进展,相关标准基本满足了行业发展需求,但仍需着力于促进交通行业设计标准体系之间的融合、与国际的接轨和搭建BIM技术标准体系等。

在监测技术方面,国外一些国家和地区在结构状态监测检测和健康管理方面采用了很多先进技术,建立了较完善的监测检测技术标准及装备技术标准,比如在道路、桥梁、码头建造及海洋水文监测等方面,运用无线传感技术、全球定位系统、物联网等传感测试技术,建立了集成化、智能化程度较高的监测系统。日本的UTMS提出了一种基于红外线感应器和光信标传感器的信息采集和处理系统,可以建立智能化道路监控系统,并能够将信息迅速传递至交通参与者;近年来我国的桥梁监测、检测技术得到快速发展,建成不少长大桥梁健康监测系统;港航方面,研发了基于“数字航道”和“智能航道”理念的长江电子航道图系统,全面提升了航道的公共服务能力和水平;在公路道路检测方面,我国也相继研制了路面横向测试车、路况快速检测系统等多种设备,可快速检测路面技术状况。但与国外相比,我国交通行业检测监测技术在运用大数据、人工智能等技术方面还存在一定的不足。

2.个性技术

个性技术集中体现在应用理论与创新、设计理论与方法、施工设备和工艺和养护与维修技术。

在应用理论与创新方面,发达国家基本建立较完整体系,近年来在结构劣化机理与状态理论、结构振动与控制理论等应用理论开展了研究工作,并取得了一些进展,我国交通运输行业始终瞄准国际交通科技发展前沿,在桥梁防灾减灾理论、车辆-轨道-桥梁耦合振动理论、高速铁路路基基床动力作用及微变形控制理论、高速铁路隧道空气动力学理论、土体极限分析-广义极限平衡法和粉沙质海岸泥沙运动分析理论取得突破进展,但需加强部分基础理论的创新性。

在设计理论与方法方面,我国需要加强针对全寿命设计理论方法、基于性能的设计理论方法的系统深化研究与应用,完善指标和规范体系;关于机场建设,需要尽快形成自己的设计理念和技术体系,开展对航站楼的消防性能化分析、绿色建筑设计以及耗能模拟与节能设计研究,具体对比如表1所示。

表1. 设计理论与方法

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       在施工设备和工艺方面,我国的隧道施工设备和工艺还存在一定的差距,整体技术水平还需要进一步提高,另外还需加强针对智能压实控制技术与多机联合作业交互技术的研究,根据国内外发展现状,大型、高效、环保、智能施工技术和设备是我国下一步发展重点,具体如表2所示。

表2. 施工设备与工艺

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在养护和维修技术方面,我国养护技术的研究缺乏系统性,基础数据积累和挖掘应用不够,另外还需积极探索新技术、新材料、新设备,具体如表3所示。

表3. 养护维修技术

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与实现我国“交通强国”战略相比,部分技术与国际领先水平还有一定的差距,总体体现在基础理论创新能力有待进一步提高、信息化水平有待提高、材料工业有待提升和绿色环保技术需进一步加强,具体体现在隧道结构设计与建设技术理论与标准体系的理论创新,更高速度轮轨系统、磁悬浮、真空管道等新型运输技术,BIM、大数据、云计算等信息技术在交通基础设施中的应用等;我国现行BIM标准体系尚不完善,对建设期各施工环节的自动化监测与信息采集尚未普及,对数据与BIM模型的结合与应用也还处于摸索阶段,与国际先进水平还存在一定的差距;关于材料,我国高强度、高韧性、高耐候性、易焊接性等高性能钢材的研发与应用水平还有待加强,高分子材料、复合材料及智能材料的研发与应用也尚需深入研究;绿色环保技术在设计技术、施工技术、施工设备、施工措施与工艺以及养护技术都应得到更高程度的重视与研究。

发展目标

我国交通基础设施建设技术发展以围绕交通强国战略目标,以建成“安全、便捷、高效、绿色、经济”的现代化综合交通运输体系为指导思想,以智能化、一体化、装配化和精细化为总体思路,迈向交通基础设施建设技术世界领先者的行列。

总体上,发展目标分为两个阶段,第一阶段(到2030年)的目标集中在提高创新能力、在重大科技研发上取得一系列新突破、有利于创新的体制机制成熟定型和成果应用推广取得新成效;第二阶段(到2045年)的目标为在第一阶段的基础上实现产业结构优化,产业价值链居于高端。

不同交通基础设施类别有着不同的发展目标和发展路线,具体如表4、表5和图1—图7所示。

表4.  不同交通基础设施发展总目标

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表5. 不同交通基础设施发展阶段目标

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图1. 桥梁工程技术发展路线图

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图2. 隧道工程技术发展路线图

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图3. 土木结构工程技术发展路线图

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图4. 疏浚与吹填造陆工程技术发展路线图

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图5. 港航和海岸工程技术发展路线图

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图6. 大型房屋建筑工程技术发展路线图

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图7. 路面、跑道和道床工程技术发展路线图

发展思路及重点任务

依据交通基础设施建设技术发展目标,确定了发展思路及重点任务。从总体来看,发展重点任务集中在通用技术(信息技术、材料技术、标准规范和监测检测技术)、个性技术(应用理论与创新、设计理论与方法、施工设备与工艺、养护和维修技术和既有基础设施提质改造)、智能建造和建设组织管理等方面。

在通用技术方面,工程材料的性能与设计理念及设计方法密切相关,它会对结构的施工工艺、全生命期服役性能、养护维修工程量及难度产生重要影响,面对目前的建养任务,我国需在高性能混凝土材料、高性能钢材与缆索、复合材料及智能材料方面开展研究。为适应我国交通基础设施规建设模庞大,未来发展重点将转为既有线路改造升级,应系统开展交通基础设施服役性能优化和提升技术研究。从安全保障与延寿技术来看,应围绕满足交通基础设施长寿命、安全发展要求,加强交通基础设施全息化智能感知、快速辨识、风险评估、预警和处置相关技术研究;从效能提升与成本控制来看,应围绕提升交通运输效能,重点研究铁路、公路、航空、水运等交通基础设施及运输系统提质改造工程建设方案、模式与关键技术。关于标准规范,应全面建成结构合理、技术先进、覆盖全面、适应经济社会发展需求的标准体系,并推进我国标准规范在海外的属地化应用。

在个性技术方面,基于现有轮轨关系基础理论建立的轮轨接触模型依靠诸多假设,且难以兼顾计算效率与精度,因此有必要研究高精度和高效率的轮轨接触模型和算法;同时随着轨道交通列车运营速度越来越高,轨道交通引发的噪声问题愈发突出,还需要深化噪声控制理论研究;高速飞行列车对线路的平顺度、超高、坡度、结构特征等参数提出了极高的要求,故应在真空管道技术标准、工程选线、基础设施建设与安全保障等方面开展研究。随着我国交通基础设施向着外海、山区等地区发展,有必要针对各类自然灾害开展防灾减灾技术研究,我国截止2017年底缺乏实用的基于状态结构和退化模型的长期性能预测、养护规划与决策等方面的理论与方法,亟待结合物联网、大数据、云计算在承载能力评估以及耐久性评估诊断技术等的研究上进一步取得突破;海上超大浮体结构是今后一段时间内海洋工程界的研究热点,需提出相应的设计理论、方法和施工技术,形成成套建设技术。随着经济社会的发展,人们对交通工程建设的要求不断提高,设计理论和方法需从基于全寿命周期的结构设计理论与方法、基于可靠性的结构优化设计理论与方法、基于性能的设计理论与方法和绿色交通基础设施设计理论和方法四个方面进行突破。

在建设组织管理方面,我国在现有基础上需应用现代科技手段、大数据分析和理性思维进行研究,我国工程管理理论形成体系,在世界工程管理理论中占有一席之地;在实际应用中,建立单项工程开工时序的数学模型,工期受影响时方案调整和分期投产的数学模型,以及工期、质量、安全、环境保护、投资控制、队伍稳定等多目标管理的数学模型;另外我国工程质量较多存在失控的情况,需基于国情开展新的工程质量管理方法研究。目前我国交通基础设施进入了一个新的发展阶段,我国在预防性养护技术研究方面还缺乏系统性的研究,基础数据积累和挖掘利用还不够,需以信息化、智能化及大数据技术为基础,建立国家及区域级交通基础设施养护管理平台,同时围绕提高交通基础设施检测精度和效率,以远程、智能、自动化、快速、同步等为目标,突破远程智能检测技术及装备,研发分布式全域传感智能监测感知与传感网络技术等。

智能建造是信息与智能技术通过技术链和产业链两条主线广泛渗透与深度融合的产物,具体体现在智能设计、智能建造技术与装备和智能管养及建养一体化。今后一段时间内,施工设备和工艺将以重大工程需求为导向,以智能化、一体化、装配化、精细化“四化”为目标进行研发,具体研究方向如表6所示,研发设备如表7所示。

表6. 施工工艺及施工控制技术研究

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表7. 施工设备研究

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重点专项与措施建议

针对经济社会发展对交通基础设施建设技术创新的迫切要求,提出了面向交通强国目标的交通基础设施建设技术发展重大科技专项及重点工程布局,积极开展重大工程前期研究以及立项开展“智能交通基础设施建设技术研究”、 “超级智能高速铁路基础设施技术研究”、 “超级智能高速铁路基础设施技术研究”、深远海交通基础设施建设关键技术研究”等,并抓紧开展“川藏铁路建设技术研究”。

为了更好地实现交通强国战略目标,建设性提出了交通基础设施建设技术发展的保障措施和政策建议。第一,需要加强资源统筹和组织实施,需从城市规划、土地资源、建设资金、产学沿用结合、关键技术攻关等方面为交通基础设施建设发展提供全方面保障,建立符合交通基础建设技术发展的管理机制和保障措施。第二,发挥各主体责任担当,确保资金来源及投入合理稳定。通过财政直接投入、税收优惠等多种财政投入方式,增强政府投入调动全社会科技资源配置的能力,合理制定差异化的资金政策,形成财政资金、金融资本、社会资本多方投入的新格局。第三,把握交通基础设施建设技术发展的方向,重视人才队伍建设。人才是创新能力体系最重要的组成要素,要依托重大科研、建设项目、科研基地以及国际学术交流与合作项目,加大学科带头人的培养力度,积极推进创新团队建设。第四,健全创新过程管控和保障机制。需建立面向质量保障、过程淘汰、围绕创新目标的创新资源重组的过程管理与控制机制,保障科技创新规划目标的实现。第五,推进建设“交通基础设施建设技术国家实验室”。实验室应最终成为我国交通基础设施建设技术基础理论和前沿技术研发基地、学术交流中心、交通智库和人才培养载体,代表我国最高研究和技术水平,形成科技创新体系。

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