港珠澳大橋主體混凝土結構耐久性實時監測設計

湯雁冰，熊建波，方翔，陳龍，李海洪

（中交四航工程研究院有限公司，水工構造物耐久性技術交通行業重點實驗室，廣東 廣州 510230）

1 概述

1.1 工程概況

港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋海域，是連接香港、珠海、澳門的大型跨海通道，是國家高速公路網規劃中珠江三角洲地區環線的組成部分和跨越伶仃洋海域的關鍵性工程。

大橋海中橋隧工程總長約35.6 km，其中香港段長約6 km，粵港澳三地共同建設的主體工程長約29.6 km。主體工程分為橋梁工程和島隧工程兩部分，其中島隧工程包含2個面積各約10萬m2的人工島以及長約6.7 km的沉管隧道，橋梁工程長約22.9 km，分為青州航道橋、江海直達船航道橋、九洲航道橋、深水區非通航孔橋、淺水區非通航孔橋。

1.2 開展耐久性監測的必要性

港珠澳大橋北靠亞洲大陸，南臨熱帶海洋，氣候溫暖潮濕，屬南亞熱帶海洋性季風氣候區。根據相似環境的工程調查和暴露試驗研究結果[1-3]，鋼筋混凝土結構因氯離子侵入誘發鋼筋銹蝕，導致耐久性下降的現象十分嚴重，這嚴重威脅了大橋的耐久性和服役安全性。為確保港珠澳大橋的服役安全性，必須實時了解和掌握影響大橋混凝土結構耐久性關鍵參數的變化規律，評估其耐久性健康狀況，預測其耐久性剩余使用壽命，為港珠澳大橋混凝土結構耐久性再設計提供必要的數據支撐。當預測大橋耐久性狀況不能滿足120 a的設計使用壽命時，采取相應的補救措施，變被動維修為主動預防，不僅可確保港珠澳大橋120 a設計使用壽命，還可顯著降低大橋的全壽命周期費用成本，具有重要意義。

2 腐蝕環境劃分

不同的腐蝕環境，混凝土結構的耐久性劣化速率不同，因此，弄清楚港珠澳大橋的腐蝕環境劃分區域是進行耐久性實時監測設計的前提，表1給出港珠澳大橋腐蝕環境劃分區域[4]。

表1 港珠澳大橋腐蝕環境劃分Table1 Corrosion environment division of the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge

3 耐久性監測傳感器的選用

3.1 選用依據

1）港珠澳大橋作為一項超級工程，其耐久性設計壽命長達120 a，其選用的耐久性監測傳感器必須是在實體工程中應用過的成熟產品。

2）氯離子侵入誘發鋼筋銹蝕是導致港珠澳大橋主體混凝土結構耐久性劣化的最主要因素，因此定量監測混凝土中氯離子的滲透狀況是進行耐久性評估和耐久性再設計最為關鍵的問題。

3.2 耐久性監測傳感器

目前，市場應用較多的混凝土結構耐久性監測傳感器主要有德國的陽極梯傳感器（圖1（a））、丹麥的 CorroWatch傳感器 （圖 1（b）） 以及美國的ECI-2耐久性監測傳感器（圖2）。陽極梯傳感器和CorroWatch傳感器是基于宏觀電池原理，主要有鋼筋陽極和惰性陰極組成，通過監測鋼筋陽極和惰性陰極之間的電偶腐蝕電流密度和腐蝕電位來判斷鋼筋的腐蝕狀態，定性地評估鋼筋混凝土結構的耐久性健康狀況。這兩種傳感器只能定性的判斷鋼筋的腐蝕狀態，無法定量監測混凝土中氯離子的滲透情況。

圖1 基于宏觀電池原理的耐久性監測傳感器Fig.1 Durability monitoring sensor based on the macro battery principle

ECI-2耐久性監測傳感器中包含有鋼筋電極、輔助電極、參比電極，采用線性極化測試方法能夠實時監測鋼筋的腐蝕速率以及鋼筋的腐蝕電位。另外，傳感器中還集成了氯離子探針和混凝土電阻率探針，可以實時定量監測混凝土中的氯離子濃度和混凝土的電阻率。因此，港珠澳大橋主體混凝土結構耐久性監測的傳感器選擇ECI-2耐久性監測傳感器。

圖2 ECI-2耐久性監測傳感器Fig.2 Durability monitoring sensor ECI-2

3.3 ECI-2耐久性監測系統工作原理及技術參數

3.3.1 監測系統的工作原理

ECI-2耐久性監測系統主要有ECI-2耐久性監測傳感器、數據采集與傳輸設備和軟件組成。通過將ECI-2耐久性監測傳感器預埋于混凝土內，監測混凝土中的氯離子濃度、腐蝕速率、腐蝕電位、混凝土電阻率等耐久性關鍵數據。傳感器監測的數據再由電纜傳輸到數據采集儀，數據采集儀將多個傳感器采集的數據通過有線或無線的方式將數據匯總傳輸到監控中心，監控中心采用LoggerNet軟件對數據進行記錄和存儲（見圖3）。

圖3 ECI耐久性監測系統工作原理Fig.3 Working principle of ECI

3.3.2 技術參數

ECI-2耐久性監測系統可實現氯離子濃度、鋼筋腐蝕速率、鋼筋腐蝕電位、混凝土電阻率和溫度的實時監測，其技術參數見表2[5]。另外，傳感器內部還設有Dummy電池，可對監測系統的運行狀態進行自檢，判斷監測系統是否正常運行，數據傳輸還可利用3G網絡進行遠程無線傳輸。

表2 ECI-2耐久性監測系統的技術參數Table 2 Technical data of ECI-2

4 監測點分布設計

4.1 監測點分布設計的原則

1）監測點設置需涵蓋所有的混凝土構件（主塔、承臺、橋墩、混凝土箱梁和沉管），以保證監測數據的全面性。

2）同一類型的構件具有相似的混凝土（原材料和配合比）和施工工藝，且它們所處的腐蝕環境也相似，它們應具有相似的耐久性劣化過程，考慮到經濟性，挑選具有代表性的構件和區域進行布點設置。

3）同一混凝土構件應布置在發生腐蝕最為嚴重的位置。

4）處于水下區的混凝土構件，因其面臨的耐久性問題并不嚴重，對處于水下區的混凝土構件不設置監測點。

4.2 監測點的分布

基于以上監測點設置原則，全橋共設置13個監測點，其中，通航孔橋的主塔及承臺設置4個監測點，非通航孔橋的橋墩設置3個監測點，島橋結合部的混凝土箱梁設置3個監測點，沉管隧道設置3個監測點。

4.2.1 通航孔橋監測點設置

港珠澳大橋所處的伶仃洋海域以東風和東南風為主，通航孔橋主塔的東側相對于其它側腐蝕風險更大，腐蝕更為嚴重，因此，通航孔橋主塔的監測點設置在主塔的東側。共設置4個監測點，其中，3個監測點位于浪濺區，1個監測點位于大氣區。考慮到處于水變區和浪濺區的混凝土構件均為主塔的承臺，其混凝土體系、保護層厚度和施工工藝均相同，因此未在水變區設置監測點。浪濺區的監測點分布在57號、140號和207號橋墩，設置標高為+4.8 m，大氣區的監測點設置在57號橋墩，設置標高為+8.5 m，監測點位置如圖4所示。

圖4 通航孔橋監測點布置示意圖Fig.4 Monitoring point arrangement of navigable bridge

4.2.2 非通航孔橋監測點設置

與通航孔橋一致，非通航孔橋的監測點也布置在橋墩的東側。非通航孔橋共設置3個監測點，其中2個監測點位于浪濺區，1個監測點位于大氣區。浪濺區的監測點分布在119號橋墩和162號橋墩，設置標高為+3.5 m，大氣區的監測點設置在119號橋墩，設置標高為+8.5 m，如圖5所示。

圖5 非通航孔橋監測點設置位置示意圖Fig.5 Monitoring point arrangement of non-navigablebridge

4.2.3 混凝土箱梁監測點設置

東西人工島島橋結合部的混凝土箱梁是面臨耐久性問題較為嚴重的混凝土構件，因此需要在箱梁上設置監測點。東西人工島島橋結合部的混凝土箱梁共設置3個監測點。箱梁底面，尤其是底面的中部是受拉應力最大的位置，在腐蝕環境條件下，其耐久性劣化相對于其它部位更加嚴重。綜合考慮腐蝕環境和受力狀態這兩種影響箱梁耐久性的因素，3個監測點均設置在箱梁底部，其中2個位于浪濺區，1個位于大氣區，浪濺區監測點的標高為+5.5 m，大氣區監測點的標高為+8.5 m。

4.2.4 沉管隧道監測點設置

沉管隧道是港珠澳大橋的重要組成部分，沉管隧道位于海底，一旦出現耐久性問題，帶來的后果將是災難性的。因此，必須實時監測沉管隧道混凝土結構的耐久性，確保沉管隧道的安全服役。港珠澳大橋沉管隧道分為暗埋段和敞開段，監測點的設置分布于暗埋段和敞開段，共設3個監測點，其中，沉管內壁設置2個監測點，分別位于西人工島敞開段（距暗埋段洞口140 m） 和E14管節的頂面（靠近E15管節接頭處）；沉管外壁設置1個監測點，位于E14管節的側面，見圖6。

圖6 暗埋段沉管隧道監測點設置示意圖Fig.6 Monitoring point arrangement of thehiddenburying immersed tube tunnel

5 傳感器的預埋設計

單一的ECI-2耐久性監測傳感器僅能監測混凝土保護層中某一深度的氯離子含量，不能監測不同深度的氯離子濃度，無法預測耐久性剩余使用壽命。為了實時監測混凝土保護層中氯離子濃度及其深度分布，在每個監測點等間距預埋安裝4個ECI-2耐久性監測傳感器，以實現保護層中不同深度氯離子濃度的實時監測，得出氯離子濃度深度分布，判斷大橋混凝土結構的耐久性狀況和預測剩余使用壽命。浪濺區和沉管外壁的保護層厚度為70 mm，傳感器監測面距混凝土表面的距離為15 mm、30 mm、45 mm和60 mm；大氣區的混凝土構件混凝土保護層厚度為50 mm，傳感器監測面距混凝土表面的距離為12 mm、25 mm、37 mm和50 mm。

傳感器的預埋安裝見圖7。

圖7 傳感器預埋安裝示意圖Fig.7 Sensor embedded installation instruction

6 數據的采集與傳輸

考慮到大橋的施工特點和前期相關配套設施尚不完備，為獲得港珠澳大橋主體混凝土結構從建設期開始，服役期間的耐久性關鍵參數的變化規律，數據的采集與傳輸采用三種方式進行。建設期，由于現場的供電和光纖尚不完備，數據的采集與傳輸主要采用定期的現場人工采集；大橋通車后，為實現實時數據采集與傳輸，數據的采集與傳輸以3G網絡進行遠程無線傳輸，將監測數據傳輸給相關單位，同時，考慮到3G網絡的不穩定性（如網絡中斷或沒有信號），為及時獲得耐久性關鍵參數的數據，還利用大橋中鋪設的通信光纖將數據實時傳輸到監控中心。

7 結語

通過預埋耐久性監測傳感器可以真實反映大橋主體混凝土結構的耐久性健康狀況，再輔助以工程配套的暴露實驗以及有針對性的工程檢測，為耐久性再設計提供大量的分析數據。

港珠澳大橋所處的環境嚴酷，面臨的耐久性問題嚴峻，要實現120 a設計使用壽命，除科學的設計、精細的施工外，還需對大橋后期的耐久性狀況進行實時監測，獲取大橋主體混凝土結構耐久性關鍵參數，以便采取及時有效的管理維護措施，以保證大橋120 a設計使用壽命。

[1] 潘德強，洪定海，鄧恩惠，等.華南海港鋼筋混凝土碼頭銹蝕破壞調查報告[R].廣州：中交四航工程研究院有限公司，1982.PAN De-qiang，HONG Ding-hai，DENG En-hui，et al.Investigation report on thereinforced concrete corrosion of seaport wharf in south China[R].Guangzhou：CCCC Fourth Harbor Engineering Institute Co.，Ltd.，1982.

[2] 王勝年，黃君哲，張舉連，等.華南海港碼頭混凝土腐蝕情況的調查與結構耐久性分析[J].水運工程，2000（6）：8-12.WANGSheng-nian，HUANGJun-zhe，ZHANGJu-lian，et al.An investigation of concrete corrosion of seaport wharf in south China and analysisof structures′durability[J].Port&Waterway Engineering，2000（6）：8-12.

[3]港珠澳大橋混凝土結構耐久性設計研究 [R].中交四航工程研究院有限公司，清華大學，2011.Design research on concrete structure durability of the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[R].CCCC Fourth Harbor Engineering Institute Co.，Ltd.，Tsinghua University，2011.

[4] Embedded corrosion instrument model ECI-2 product manual[M].Virginia Technologies Inc，2010.