鐵路橋梁水下墩臺基礎檢測技術研究

劉吉元 王振軍 馬林 劉靜

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.鐵道戰備舟橋處，山東齊河 251000）

鐵路橋梁水下橋墩的使用條件和使用環境比水上結構更為惡劣，極易造成損傷和發生病害，從而導致橋梁承載力和耐久性降低，嚴重時危及鐵路行車安全和運營壽命。部分鐵路橋梁水下橋墩因使用年限長、周邊環境變化大、人為采砂等原因，尤其是受暴雨、洪水、浮冰撞擊等影響，不同程度地存在著安全隱患［1］。近年來，我國曾發生外福線南平閩江橋、京滬線徒駭河大橋、集通線沙力河大橋墩身傾斜和隴海線灞河大橋、寶成線廣漢石亭江鐵路大橋垮塌等事故，給國家財產帶來巨大損失。為了預防和避免嚴重事故，對鐵路橋梁水下橋墩進行定期體檢，及時掌握其健康狀況，開展鐵路橋梁水下橋墩檢測技術研究勢在必行。

1 國內外研究現狀

國外橋梁水下墩臺基礎的安全檢測與監測有明顯的固定化、自動化趨勢，并且逐步建立了相應的報警機制，橋梁運營單位能及時了解橋梁水下墩臺基礎的安全問題。

美國早在1968年就建立了國家橋梁檢測標準，并制訂了橋梁檢測人員培訓方案［2］。1987 年紐約斯科哈里跨河橋因洪水沖刷倒塌的事故，引起了全世界范圍內專家和學者的關注，因為事故發生前一周該橋還進行過檢查但仍舊發生了水毀。由此，針對不同水域條件下的橋墩沖刷問題，各國研究人員開展了大量的理論、試驗和現場監測研究，認識到水下墩臺檢查只能檢測到洪水過后或惡劣海況發生后的沖刷深度，而不能測出動態沖刷過程中的最大沖刷深度，但直接影響到橋梁安全的最大沖刷深度卻是最重要的。隨后美國頒布了國家橋梁檢測標準修訂版，其中要求列出所有需要水下安全檢測的大橋名單，確定水下檢測的步驟，并要求所有橋梁至少每5年進行一次水下檢測。日本為避免橋墩已經傾斜時修復橋梁的高額成本和阻斷交通的損失，在以往主要以測量橋墩傾斜程度的方案中，增加了測量振動情況來估計橋梁水下橋墩的安全狀況，可以一定程度上降低橋梁維護的成本。印度鐵道部在2008 年頒布了《橋梁水下檢查指南》用于指導橋梁管養部門對橋梁水下結構進行檢查，其中規定了檢查的類型、頻率和等級，并提出了部分病害的檢測方法和設備。國外20 世紀50 年代就開展了水下結構檢測機器人的研究，并陸續開發多種型號、多種用途的水下機器人用于水下結構物的檢測與監測。如伍茲霍爾海洋研究所研制的雙體結構水下機器人，可以在大水深和高危險環境中完成高強度、大負荷的工作，比如海底資源調查、海底地貌繪制、海底管道敷設等工作。

我國橋梁水下橋墩沖刷的大規模現場觀測可以追溯到20 世紀50 年代。鐵一、鐵二、鐵三、鐵四院、大橋局、鐵科院以及交科院，先后開始進行橋墩沖刷洪水觀測和研究工作。1960 年，鐵道部和交通部將橋墩沖刷列為部頒科研課題，由鐵科院和交科院負責，將全國分成4個片區，進行橋墩沖刷和洪水觀測的研究。我國一些鐵路局也長期不間斷地對重要橋梁進行汛期橋下河床洪水沖刷觀測和橋墩周圍局部沖刷觀測［3］。近些年在蘇通大橋、滬通長江大橋［4］等橋梁應用了多波束測深儀、GPS 定位等技術［5］，對橋墩的防護工程進行過水下檢測，但并沒有在洪水期間進行過連續監測，也沒有監測過沖刷隨洪水過程的發展過程。2010 年西堠門大橋“跨海懸索橋結構監測、巡檢管理關鍵技術研究”達到了國際領先水平，但仍然只針對水上部分進行實時監測和管理，水下安全監測方面仍然處于空白狀態。在結構檢測機器人方面，研究機構主要為上海交通大學、中國科學院沈陽自動化研究所等幾家單位，從事應用型產品開發的公司較少，而且探測技術、工藝水平、導航與定位、復雜環境中的運動控制等方面與國外存在一定差距。近年來通過引進國外技術和設備，加之國內的自主開發研究，用于海洋結構的檢測與維修能力已有較大提高。

我國水工行業對混凝土結構物的檢測頒布了SL 713—2015《水工混凝土結構缺陷檢測技術規程》、DL/T 5251—2010《水工混凝土建筑物缺陷檢測和評估技術規程》、JTS 239—2015《水運工程混凝土結構實體檢測技術規程》、JTJ 302—2006《港口水工建筑物檢測與評估技術規范》等，但鐵路行業尚未形成統一的規范。2010 年4 月，原鐵道部施行的鐵運〔2010〕38 號《鐵路橋隧建筑物修理規則》明確提出對鐵路橋梁水下橋墩進行定期檢測的要求。但橋梁水下橋墩部分屬于隱蔽工程，檢測作業難度大，既沒有行業技術標準、規范可依，又沒有相對成熟的案例可循。橋梁水下橋墩檢測儀器設備少、功能低，檢測方法單一，沒有水下橋墩檢測專業隊伍，尚處于探索研究、逐步規范階段。鐵路橋梁水下橋墩全面檢測仍處于空白狀態。

2 水下墩臺基礎常見病害

鐵路橋梁水下墩臺基礎的病害主要是由設計、施工、管理維護、自然環境、人為因素等多方面原因造成的，其主要的常見病害有混凝土表觀病害、沖刷病害、變位病害和其他病害，水下橋墩病害如圖1所示。

圖1 水下橋墩病害示意

2.1 表觀病害

鐵路橋梁水下橋墩絕大多數是鋼筋混凝土、混凝土和磚石砌筑而成，受上部結構荷載或基礎缺陷的直接影響，易產生損壞。在船舶撞擊或漂浮物沖擊等突然外載作用下，水下橋墩會產生局部破損，造成材料剝落或者剝離，還易受干燥、潮濕、寒暑、凍結、冰融等氣候條件以及海水、工業腐蝕性水等的作用而產生病害。建筑材料隨使用時間的增長也會老化。常見的水下橋墩表觀病害有以下幾類：

1）表觀裂縫。造成裂縫的原因主要有材料、施工、環境、結構與荷載等，混凝土裂縫根據縫寬和縫深可以分為龜裂或細微裂縫、表面或淺層裂縫、深層裂縫和貫穿性裂縫。工業腐蝕性水、感潮河段極易產生裂縫，此外施工不當、運營維護不到位、基礎不均勻沉陷、溫差影響、局部應力等原因都可造成表觀裂縫。

2）混凝土表面的蜂窩麻面、骨料外露和疏松脫殼。這些主要受水流沖蝕、磨損作用而形成，影響結構的耐久性和安全性。

3）混凝土表面的孔洞、銹蝕露筋。這類病害往往是由施工原因造成，受水流沖刷、水中酸根離子的侵蝕，鈣離子由內向外擴散導致氫氧化鈣溶解，引起混凝土強度和密實度下降，影響結構的承載能力和對鋼筋的保護作用。

4）混凝土破損、刮擦。這類病害是由多種原因引起的，例如機械、船舶、漂流物等的撞擊。

5）水生物侵襲。感潮河段混凝土表面滋生的海生物及內陸河段滋生的微生物造成混凝土腐蝕。

2.2 基礎沖刷

基礎沖刷是水下橋墩的重要病害形式。橋墩及基礎影響原水流的方向，導致水流在基礎周圍迅速改變，帶走基礎下面及周圍的土，引起沖刷病害。沖刷會改變結構的受力狀態，對橋梁的使用安全有顯著影響。沖刷形態分為一般沖刷與局部沖刷2種。一般沖刷通常由河道輸沙不平衡或泥沙超限開挖所致，局部沖刷主要由建造水工結構物所致。橋墩結構屬于水工結構物，其基礎沖刷屬于局部沖刷。

2.3 結構變形

混凝土結構變形包括長期變形和短期變形2 種。長期變形是由外部條件緩慢變化和收縮、徐變等混凝土固有性質所致。外部條件緩慢變化包含地基下沉、地基變形引起的永久性殘余變形等情況。而短期變形是外力作用下產生的塑性變形，如結構在交通荷載、地震荷載、船撞等外力作用下發生的塑性變形。結構下沉、傾斜等變形影響構件的受力狀態，當變形過大時，直接影響橋梁的使用安全。

2.4 其他病害

設計時橋位選址、橋墩結構形式、尺寸選擇不合理，以及結構調治物、防洪設施等未按要求設計或設計不合理，對橋墩結構的安全性會產生不利影響。施工原材料選擇不當、質量不可靠等原因會造成橋墩的耐久性降低。施工時水下質量難以控制，造成質量缺陷又不易被發現，從而對橋墩的使用造成影響。

3 水下墩臺基礎檢測內容和方法

在大量檢測實踐的基礎上，研究確定了水下橋墩檢測的6項主要內容：外觀檢查、結構測量、地形地貌、水文檢測、無損檢測和振動測試。

3.1 外觀檢查

1）表觀狀態，包括外觀輪廓、平整度、表面附著物、淤積物。主要方法為潛水員水下摸探、目視檢查、水下照相、水下錄像等。通過潛水員的目視檢查結合水下錄像，能夠及時反饋水下結構的使用情況。

2）裂縫，主要檢測裂縫部位、數量、走向、長度、寬度、裂縫開裂部位鋼筋銹蝕及析出物，并了解裂縫的變化情況，一般采用目視檢查配合水下錄像。裂縫長度可用鋼尺檢測，寬度用塞尺、測縫計、讀數放大鏡等工具進行檢測，裂縫深度可采用鉆孔取芯法。

3）混凝土損傷，主要檢查剝蝕、沖蝕、疏松以及表面磨蝕、空蝕情況的面積和深度等。混凝土損傷宜采用專用工具測量，水下檢測常用的設備儀器及工具包括水下攝像系統、鋼尺和卷尺。

4）鋼筋銹蝕，主要檢查外露鋼筋的外露部位、鋼筋分布、外露數量、銹蝕面積、銹蝕程度。鋼筋銹蝕宜采用專用工具測量，水下檢測常用的設備儀器及工具包括水下攝像系統、鋼尺、卷尺和游標卡尺。

5）孔洞/蜂窩麻面，主要檢查混凝土孔洞/蜂窩麻面所在的部位、面積、深度等。宜采用專用工具測量，水下檢測常用的設備儀器及工具包括水下攝像系統、鋼尺和卷尺。

3.2 結構測量

水中結構在施工時一般條件較困難，施工精度也不易控制，施工完成后的結構物可能與原設計有一定的誤差。通過對結構的外形輪廓尺寸進行測量并與原設計對比，掌握結構實際的結構尺寸和使用狀態。

1）墩臺、基礎外輪廓尺寸

主要測量結構的長度、寬度和高度，圓形或圓端形橋墩測量其周長或直徑，繪制得到結構的三維尺寸。宜采用專用工具測量，水下測量常用的設備儀器及工具包括水下攝像系統、鋼尺和卷尺。

2）橋墩垂直（傾斜）度

一般橋墩為軸向受壓或偏心受壓結構，在豎向保持豎直（特殊設計的結構除外），測量橋墩墩頂橫橋向中心、縱橋向中心與水面位置對應處的坐標，用于判斷其豎向是否傾斜。橋墩垂直（傾斜）度宜采用幾何測量法、垂線測量法、光學測距等間接測量方法，或通過測量水中墩臺及橋跨結構形態參數的變化推定其變位的方法，常用的設備儀器及工具包括全站儀、經緯儀、水準儀、傾斜儀等精密儀器。

3.3 地形地貌

1）河床斷面測量（水深測量）

河床斷面測量是河道地形測量的主要內容，包括縱斷面測量和橫斷面測量。河道橫斷面測量的主要任務是測量出河道斷面線上的各個地形點的高低起伏情況，并繪出河道橫斷面圖，以掌握鐵路橋梁橋墩基礎沖刷情況和橋址處河道變遷及河床沖刷、淤積情況，對孔徑渡洪能力作出評估，同時為水文檢算提供依據。通常鐵路橋梁河床斷面測量任務是分別對橋址處和橋軸線上下游各25 m 處橫斷面進行測量，并繪制河床斷面圖。岸上河床斷面測量相對簡單，可以用智能定位儀直接測取測點的三維坐標。水中河床斷面測量均需要采用沖鋒舟等水上交通設備，通常采用雙頻測深儀和智能定位儀聯測、便攜式測深儀和智能定位儀聯測、便攜式測深儀和全站儀聯測、智能定位儀直接測量等測量方式。

2）地形地貌測量

對橋位處及上下游一定范圍內河床地形地貌進行掃測，并生成河床的地形、地貌三維圖像。其目的是：①全面掌握橋位范圍內河床的地形地貌，有無沖刷、淤積，河床的變化情況和河床覆蓋層的土質特征；②查找橋基有無局部沖刷、淘空病害、周邊有無堆積物、拋填物等；③取得詳細的河床標高，為潛水輔助裝備的安裝提供可靠依據。地形地貌測量宜采用多波束測量法，常用儀器設備及工具包括檢測船、多波束測深系統、小型發電機、卷尺等。有特定要求時，可選用三維成像系統檢測。

3.4 水文檢測

1）水流速度檢測。測量橋位處的水流速度，為判定橋墩處的沖刷狀態提供依據，同時也作為潛水員下水探摸時機的依據。水流速度檢測宜采用浮標法和流速儀測量法，常用儀器設備及工具包括檢測船、浮標、旋槳式流速儀、聲學多普勒流速剖面儀。

2）渾濁度檢測。測量橋位處水的渾濁度，為判定橋墩處的沖刷狀態提供依據，同時也作為潛水員下水探摸時機的依據。渾濁度檢測宜采用濁度儀。

3）腐蝕性物質含量檢測。提取橋位處的水樣，化驗水中的腐蝕性物質。腐蝕性物質含量檢測宜采用氯度分析法和鹽度計法，常用儀器設備及工具包括氯化物測定儀、鹽度測試儀。

4）水流流向觀測。根據河面上的浮標或漂浮物的流向來判斷水位流向。

3.5 無損檢測

無損檢測是判斷結構使用狀態的輔助手段，對于長期位于水位以下的結構目前較難直接進行無損檢測，如混凝土強度、碳化深度、鋼筋分布、鋼筋銹蝕檢測等。但對于水面以上、水位變動區域在條件允許條件下可以進行無損檢測。

1）混凝土強度。可采用回彈儀測量結構表面的回彈強度，必要時可鉆取混凝土芯樣制成標準試件測得混凝土抗壓強度。

2）碳化深度。采用酒精酚酞溶液測量混凝土結構的碳化深度。水下混凝土不受碳化作用。

3）鋼筋分布及保護層厚度。采用鋼筋探測儀探測墩臺、基礎的鋼筋布置情況及保護層厚度，常用儀器為鋼筋保護層厚度測定儀。

4）鋼筋銹蝕。采用半電池電位法測試結構內鋼筋的銹蝕情況，常用儀器為鋼筋銹蝕儀。

3.6 振動測試

墩臺基礎的檢測往往只在儀器設備、機器人或人工能夠到達的地方開展，反映地表以上結構或環境的狀態，而對于墩臺結構整體受力性能的判斷依據不足。墩臺結構的振動性能則是墩臺及基礎結構綜合性能的反映，通過對振動性能的檢測可以得到墩臺結構在當前環境條件下的使用性能，可以作為墩臺基礎檢測評估的一項依據。結構動力特性包括結構自振頻率、振型和阻尼比等內容；結構動力響應包括結構動態參數、結構振動形態、結構動力系數等內容。

3.7 檢測項目劃分

按照檢測項目可分為一般檢測項目和專項檢測項目2種。

一般檢測包括表觀狀態、裂縫狀態、混凝土損傷、鋼筋外露銹蝕、混凝土蜂窩麻面等。此外，還包括結構的外輪廓尺寸、河床斷面及地形地貌，橋位處水的流速及渾濁度。必要時，應調查缺陷發展變化過程、基礎和結構的變形情況。

專項檢測包括橋墩垂直度測量、水中腐蝕性物質含量檢測、無損檢測及振動性能測試等。

4 檢測案例

2016年以來，陸續開展了26座鐵路橋梁水下橋墩的檢測，發現了破損、裂縫、孔洞、鋼筋外露、鋼筋銹蝕、沖刷、掏空等多種病害。

4.1 外觀病害

水下橋墩外觀檢測時，潛水員攜帶水下攝像系統的攝像頭和照明設備，對水下橋墩外觀質量進行初步檢查、摸探和攝像。然后組織潛水員和專業技術人員對病害和關鍵部位進行詳細檢測，利用鋼尺等小型工具對病害尺寸進行測量，詳細記錄病害的位置、形狀、數量等，水下攝像系統見圖2。

圖2 水下攝像系統

4.2 橋墩沖刷

使用船載多波速測深系統對橋墩周圍河床進行掃測，發現有沖刷、淤積等情況時，再由潛水員水下采用碼桿尺等輔助工具進行目視、探摸和水下攝像檢測，通過2 種檢測方法測量數據比對確定沖刷的面積和深度。檢測儀器設備和檢測出的沖刷病害見圖3。

圖3 沖刷檢測儀器布設及橋墩沖刷病害

多波束測深系統掃測成果圖中，不同的水深用不同的顏色顯示，從圖上可以直觀地對河床沖刷、淤積情況進行初步判斷，同時可以通過抽取任一特定斷面的水深數據繪制成河床斷面圖，通過河床斷面圖對比分析，得到精確的沖刷、淤積深度。

4.3 水下地形測量

河床斷面測量利用中海達iRTK 定位儀和HD-380雙頻測深儀進行測量。測量地點在橋下、橋梁承臺或基礎外緣及上下游各25 m 的5 個斷面上進行，并利用南方cass繪圖軟件繪制河床斷面圖。測量時，iRTK 定位儀和HD-380 雙頻測深儀需要安裝在船舷一側水流較穩定的位置，測深儀現場安裝如圖4（a），測得的某橋梁河床斷面對比分析圖見圖4（b）。

圖4 河床斷面測試

4.4 水文檢測

1）流速測量

水流速度采用轉子式流速儀測量，水流速度測量的目的主要是積累潛水員下水進行檢測作業時的水流速度數據，判斷檢測區域水流是否適合潛水員作業。經過近3 年的水流速度檢測數據積累發現，水流速度小于0.75 m/s時，潛水員可以正常下水作業；水流速度大于等于0.75 m/s且小于1.5 m/s時，潛水員不宜下水作業，在配備其他輔助潛水設施確保安全的前提下潛水員可以下水作業；水流速度大于1.5 m/s 時，潛水員無法下水作業。

2）濁度測量

渾濁度采用濁度儀測量。濁度測量的目的主要是測量記錄潛水員下水作業時的水下能見度情況，為判斷檢測區域水下渾濁度是否滿足潛水員水下目視和攝像檢測要求提供數據參考。

在檢測實踐的基礎上，通過試驗得出，在照明充足的情況下，適合潛水員水下目視作業的最大濁度為80 NTU。當濁度大于80 NTU 時，潛水員目視檢測能見度會受到很大限制，工作效率也會極大降低。當水下能見度低不易直接采用水下攝像檢測時，可采用清水箱（圖5）輔助攝像的方法得到清晰的水下照片。

圖5 清水箱背面、正面

5 結語

橋梁水下橋墩屬隱蔽工程，檢測作業難度大且尚處于探索研究、逐步規范階段。根據水下墩臺檢測內容的必要性和檢測設備的發展水平，將檢測內容劃分為一般檢測項目和專項檢測項目，在進行水下墩臺基礎檢測時應根據現場實際情況確定檢測項目。通過對多座鐵路橋梁水下橋墩檢測的實踐，發現了諸多水下橋墩病害和河床地形地貌變化，驗證了開展鐵路橋梁水下橋墩檢測工作的必要性。水下檢測工作的迫切性應引起管養部門的重視。