港珠澳大橋深水區(qū)非通航孔橋基礎(chǔ)及墩身耐久性監(jiān)測(cè)施工技術(shù)研究

朱武華

摘 要：港珠澳大橋所處環(huán)境屬于強(qiáng)海洋腐蝕環(huán)境，大橋的主要構(gòu)件采取長效的重腐蝕防護(hù)措施。耐久性監(jiān)測(cè)的主要對(duì)象為混凝土結(jié)構(gòu)和鋼管樁。通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性狀況、鋼管樁腐蝕防護(hù)的狀態(tài)、防護(hù)效果等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)控，自動(dòng)收集歷史數(shù)據(jù)，可建立相應(yīng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫。通過分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可給出大橋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性狀況、鋼管樁的腐蝕防護(hù)狀態(tài)及犧牲陽極的消耗狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)探頭、耐久性;

1. 工程背景

港珠澳大橋主體工程橋梁CB03合同段工程樁號(hào)范圍為K13+413～K22+083，全長8.670km，包括部分深水區(qū)非通航孔橋、青州航道橋和跨崖13-1氣田管線橋。根據(jù)施工圖紙要求，深水區(qū)非通航孔橋的16#、26#、36#、46#、66#、76#、86#橋墩需安裝耐久性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（每個(gè)橋墩安裝1套）。

2. 耐久性監(jiān)測(cè)內(nèi)容

在綜合評(píng)估各類耐久性監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合非通航孔橋基礎(chǔ)及墩身的結(jié)構(gòu)特征和所處環(huán)境，耐久性系統(tǒng)包括陰極保護(hù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和腐蝕監(jiān)測(cè)兩部分，而腐蝕監(jiān)測(cè)則包括對(duì)材料本身腐蝕狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和對(duì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)，具體內(nèi)容如下：

（1） 陰極保護(hù)參數(shù)

陰極保護(hù)參數(shù)監(jiān)測(cè)包括保護(hù)電位和犧牲陽極發(fā)射電流。保護(hù)電位用以評(píng)價(jià)陰極保護(hù)效果。陽極發(fā)射電流用以判定陽極消耗情況和推算陽極剩余使用年限。

（2） 材料腐蝕狀況

監(jiān)測(cè)混凝土中鋼筋的腐蝕速率，用以評(píng)價(jià)鋼筋的腐蝕狀況。

（3） 材料周圍環(huán)境的腐蝕因子（電阻率）

腐蝕因子監(jiān)測(cè)包括兩部分：不同深度位置鋼管樁周圍海泥或海水的電阻率;處于海泥區(qū)、水下區(qū)、潮差區(qū)和大氣區(qū)內(nèi)混凝土的電阻率。通過對(duì)腐蝕因子的監(jiān)測(cè)可了解材料周圍環(huán)境的腐蝕性，從側(cè)面反映材料的腐蝕狀況。

3. 基礎(chǔ)及墩身監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的簡要介紹

港珠澳大橋耐久性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置（包括現(xiàn)場(chǎng)傳感器和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀器）、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、監(jiān)控中心和輔助支持系統(tǒng)等四個(gè)部分組成。其中，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀器和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)裝置均置于位于墩身上方的控制箱中。整套耐久性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能如下：

1）數(shù)據(jù)采集處理：實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程采集鋼管樁電位、保護(hù)電流、鋼管材料腐蝕速率、鋼筋腐蝕速率、混凝土電阻率和鋼筋自然腐蝕電位等參數(shù)。

2）應(yīng)答查詢：定時(shí)或手動(dòng)查詢現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，實(shí)時(shí)掌握鋼筋和鋼管樁的腐蝕與防護(hù)狀態(tài)。

3）數(shù)據(jù)庫管理：原始、歷史數(shù)據(jù)庫的形成、檢索、查詢等。

4）數(shù)據(jù)輸出：可通過顯示器、打印機(jī)、繪圖儀等設(shè)備輸出電位統(tǒng)計(jì)圖。

5）聯(lián)網(wǎng)通訊：可實(shí)現(xiàn)多計(jì)算機(jī)通訊。

6）異常報(bào)警：根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對(duì)未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，評(píng)估腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

4. 耐久性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的施工及技術(shù)措施

4.1 施工總體安排

本項(xiàng)目的主要內(nèi)容是監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)部件的預(yù)埋設(shè)和現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試。因此，從工期安排上來看，主要工作集中在三個(gè)時(shí)間段：

1） 在橋墩、承臺(tái)等施工部位鋼筋綁扎完成后，澆筑混凝土開始之前;

2） 鋼管樁施打之前，雙參比電極和三電極傳感器布置之時(shí);

3） 承臺(tái)、墩身等施工完成后，現(xiàn)場(chǎng)安裝和調(diào)試監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)部件之時(shí)。施工進(jìn)度計(jì)劃安排主要依據(jù)結(jié)構(gòu)施工的控制節(jié)點(diǎn)，并考慮到監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)和施工要求編制總體施工計(jì)劃安排。

4.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的施工工藝

埋設(shè)入海泥海水區(qū)的雙參比電極和電阻率探頭按設(shè)計(jì)要求布置于指定位置，做好相應(yīng)的保護(hù)工作，并確認(rèn)各探頭及監(jiān)測(cè)電纜狀況。承臺(tái)、橋墩鋼筋綁扎完畢后，將監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)探頭安裝在指定位置，并用綁扎帶固定牢固，然后將監(jiān)測(cè)電纜（包括陰極保護(hù)監(jiān)控電纜和探頭電纜）引至控制箱應(yīng)安裝的位置，電纜接頭進(jìn)行保護(hù)處理。檢測(cè)電纜的通斷和監(jiān)控系統(tǒng)的完好性，在確保電纜和監(jiān)控系統(tǒng)完好的前提下進(jìn)行澆筑。鋼管樁施打、混凝土澆筑、以及墩身和承臺(tái)施工前做好交底工作，過程中做好監(jiān)控工作，確保系統(tǒng)的連通性。施工完成后對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行整體性檢查和調(diào)試。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的施工工藝流程見下圖。

4.3 耐久性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝方法

4.3.1 鋼管樁監(jiān)測(cè)傳感器的安裝

（1） 鋼管樁監(jiān)測(cè)傳感器的安裝工藝

鋼管復(fù)合樁在打樁完成后，鉆頭將由鋼管內(nèi)深入下鉆，可能對(duì)安裝在鋼管內(nèi)壁的探頭組電纜線管造成破壞。因此，本方案采用在鋼管樁外表面安裝探頭和電纜線管的方式。為減少鋼管樁外表面探頭在打樁過程中因受到?jīng)_擊、海泥的擠壓等而造成機(jī)械損傷，探頭電纜采用無縫鋼套管保護(hù)，傳感器采用鋼制保護(hù)盒保護(hù)，此外在鋼套管的底部安裝導(dǎo)向頭便于整體下沉。

雙參比電極和電阻率探頭的安裝在鋼管樁堆場(chǎng)或相關(guān)陸上施工區(qū)域進(jìn)行。首先，按設(shè)計(jì)要求明確探頭布置位置，然后自樁底而上安裝探頭及布設(shè)電纜，焊接保護(hù)套管和鋼制保護(hù)盒保護(hù)，并安裝導(dǎo)向頭。鋼護(hù)管導(dǎo)引監(jiān)測(cè)電纜至鋼管樁替打段，并置于臨時(shí)儲(chǔ)線盒中保護(hù)，施工過程中做好電纜的保護(hù)工作。現(xiàn)場(chǎng)探頭將隨鋼管樁打入地基中，打樁結(jié)束并切割替打段后，對(duì)探頭組電纜做整體性檢查和調(diào)試。鋼管樁澆筑混凝土和布置鋼筋籠時(shí)，注意監(jiān)控，保護(hù)探頭組裝置。在鋼管樁與預(yù)制承臺(tái)連接之前，要做好尾電纜的保護(hù)工作。鋼管樁與承臺(tái)連接時(shí)，監(jiān)控施工過程，待施工結(jié)束后按要求布設(shè)電纜，做好保護(hù)工作和相關(guān)檢查，并澆筑于混凝土中。澆筑完成后做整體性檢查和調(diào)試（如電阻率和自然腐蝕電位測(cè)試）。對(duì)于現(xiàn)澆承臺(tái)，在布設(shè)電纜時(shí)同樣要做好相關(guān)的保護(hù)和檢查調(diào)試工作。

（2） 鋼管樁監(jiān)測(cè)傳感器的安裝細(xì)節(jié)和注意事項(xiàng)

鋼套管表面涂環(huán)氧富鋅底漆二道、環(huán)氧云鐵漆一道、聚氨酯漆面漆二道，總干膜厚度不小于120μm。鋼制探頭保護(hù)盒長500mm，寬度為270mm，高度為100mm，板厚10mm或16mm。保護(hù)盒前后兩端安裝有U型管，方便與鋼制套管的連接，在保護(hù)盒四面增設(shè)斜板方便在下樁過程中減少海泥的阻力，防止保護(hù)盒破損。每個(gè)保護(hù)盒內(nèi)安裝1套高純鋅探頭、1套銀/氯化銀參比探頭、1套三電極電阻率探頭。

鋼管探頭的安裝在鋼管完成涂裝后在鋼管預(yù)制場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行，監(jiān)測(cè)探頭沿鋼管自下而上分別安裝，測(cè)量點(diǎn)間隔10米左右（具體尺寸以圖紙標(biāo)注為準(zhǔn)），每根鋼管根據(jù)實(shí)際長度安裝4～6組探頭進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

按照4～6個(gè)保護(hù)盒和1個(gè)接線盒在鋼管上預(yù)留保護(hù)盒長度的距離，鋼套管按照?qǐng)D紙要求擺放焊接，每隔0.5米套管與鋼管焊接一段，每段焊縫不小于10cm，套管兩面均焊接。在套管焊接完成后，由鋼管底部第一組探頭保護(hù)盒開始安裝，將電纜由套管穿入到第二個(gè)保護(hù)盒位置穿出，保護(hù)盒U型口壓在套管端口后焊接在鋼管表面，底座四面滿焊，焊角高度10mm。由已穿電纜套管口部灌注環(huán)氧樹脂密封。

在鋼管樁頂+2.5m處安裝臨時(shí)儲(chǔ)線盒，儲(chǔ)線盒于穿線管通過護(hù)套相連接，監(jiān)測(cè)探頭內(nèi)的電纜線頭臨時(shí)放置在儲(chǔ)線盒內(nèi)，對(duì)應(yīng)不同位置的探頭電纜末端進(jìn)行逐一標(biāo)識(shí)，并保證標(biāo)識(shí)浸泡后不脫落。

在第一個(gè)探頭保護(hù)盒朝向鋼管樁底部方向10cm處安裝導(dǎo)向頭，導(dǎo)向頭四面滿焊，焊角高度10mm。

在整個(gè)安裝工作完成后，采用環(huán)氧樹脂對(duì)焊縫和涂料破損位置進(jìn)行補(bǔ)涂。

鋼管樁內(nèi)探頭電纜采用耐海水型PVDF/HMPE電纜，為了保證電纜機(jī)械強(qiáng)度和降低電阻電纜銅芯截面采用2.5mm2。在饋電電纜電連接后，臨時(shí)儲(chǔ)線盒可去除，取出監(jiān)控探頭PVDF/HMPE電纜與在混凝土中使用的VV電纜連接，電纜連接采用銅管壓接后，測(cè)量接頭處電纜和承臺(tái)頂部預(yù)制探頭電纜的阻值，明確其電連接狀態(tài)，在VV電纜端頭依照PVDF/HMPE電纜作永久性標(biāo)示后外套Φ100PVC套管。

4.3.2 混凝土中耐久性監(jiān)測(cè)探頭的安裝

按照鋼筋在混凝土中的分布位置，選擇處于海泥、海水和空氣中的混凝土區(qū)域安裝ECI埋入式腐蝕監(jiān)測(cè)探頭，分別監(jiān)測(cè)各區(qū)域鋼構(gòu)件的腐蝕狀態(tài)，實(shí)時(shí)測(cè)量鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的各種腐蝕參數(shù)。根據(jù)深水區(qū)非通航孔橋的結(jié)構(gòu)特征和腐蝕規(guī)律，每個(gè)橋墩安裝8套腐蝕監(jiān)測(cè)探頭，其中海泥和海水區(qū)域各埋設(shè)3套探頭，空氣區(qū)域埋設(shè)2套探頭。

探頭埋設(shè)時(shí)，首先將探頭安裝在鋼筋層外側(cè)，然后沿向內(nèi)側(cè)向內(nèi)側(cè)依次安裝余下的探頭，探頭之間距離為7cm。探頭根據(jù)每根鋼管標(biāo)高采用不銹鋼絲固定在承臺(tái)、墩身鋼筋上，探頭電纜外套Φ30PVC套管沿鋼筋與鋼管電纜套管匯合，電纜套管每隔1m用不銹鋼絲與鋼筋捆扎固定，各種探頭電纜沿套管到達(dá)墩身頂部與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀器連接。安裝過程中，對(duì)各個(gè)探頭的狀態(tài)進(jìn)行檢查，確保其完好，并做好探頭以及探頭與電纜連接部位的保護(hù)工作，以免遭到人為或其它因素（如雨淋等）破壞。

4.3.3 GPRS天線的安裝

GPRS發(fā)射天線安裝在墩身頂部外邊緣支架上，ECI綜合腐蝕監(jiān)測(cè)儀的數(shù)據(jù)發(fā)射電纜，由墩頂預(yù)埋套管伸出到墩頂外邊緣與天線電纜連接。

4.3.4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀器的安裝

接線箱為鋁合金材質(zhì)，防護(hù)等級(jí)IP45，接線箱安裝在墩身頂部。各種探頭測(cè)試電纜由箱體底部鎖頭進(jìn)入接線箱與各接線排連接，ECI-1綜合腐蝕監(jiān)測(cè)儀安裝在接線箱內(nèi)部，不僅能夠防止腐蝕介質(zhì)的腐蝕也方便接線。供電電源可采用太陽能供電系統(tǒng)或現(xiàn)場(chǎng)預(yù)留電源，可根據(jù)具體情況確定。考慮到工程建設(shè)時(shí)期，現(xiàn)場(chǎng)可能長期無法通過電纜供電，可采用太陽能供電系統(tǒng)。但若現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器附近預(yù)留了220V/380V電源且可保證長期供電，則可直接使用該電源，無需再安裝太陽能供電系統(tǒng)。

4.3.5 監(jiān)測(cè)電纜敷設(shè)

混凝土中監(jiān)測(cè)電纜布設(shè)前先用數(shù)字萬用表確定其是否連通，然后按照設(shè)計(jì)要求將合格的電纜沿鋼筋布置，并延伸至控制箱應(yīng)安裝的位置。敷設(shè)時(shí)電纜布置在鋼筋側(cè)面，減少被振搗器觸及的可能性。傳感器電纜需有一定的伸縮余量，并注意電纜接頭和電纜的保護(hù)。電纜做好標(biāo)記工作，以便準(zhǔn)確、順利得將電纜引入控制箱。敷設(shè)完成后對(duì)探頭及電纜進(jìn)行整體檢查以確保探頭和電纜的完好性。

4.3.6 混凝土澆筑

混凝土澆筑過程是決定系統(tǒng)能否成功的關(guān)鍵程序，應(yīng)提前與混凝土澆筑施工人員進(jìn)行充分溝通，講明注意事項(xiàng)，將澆筑過程中有可能出現(xiàn)的情況及處理的措施對(duì)施工人員進(jìn)行交底。首先要避免施工人員活動(dòng)對(duì)已安裝完畢探頭和電纜的損壞。混凝土澆筑時(shí)，避免混凝土直接沖擊到探頭和電纜。當(dāng)使用振搗棒振搗時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離探頭，該過程配專人監(jiān)控。在專人現(xiàn)場(chǎng)目測(cè)控制的同時(shí)，視澆筑面積的大小分若干組不斷監(jiān)測(cè)是否有電路連接狀態(tài)。若發(fā)生異常情況立即通知混凝土澆筑人員停止?jié)仓瑧?yīng)該迅速找出問題出現(xiàn)位置迅速解決，不應(yīng)由于該原因而長時(shí)間停止?jié)仓炷痢仓瓿珊髮?duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行整體性檢查。

4.3.7 電纜的保護(hù)

由于橋梁結(jié)構(gòu)施工特點(diǎn)以及接線箱和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置保護(hù)的要求，在結(jié)構(gòu)中引出的電纜不能立刻接入控制箱，而是要經(jīng)過一段時(shí)間。為防止在這段時(shí)間內(nèi)電纜被有意或無意的破壞，應(yīng)該對(duì)外露電纜進(jìn)行臨時(shí)的保護(hù)，將其置于臨時(shí)儲(chǔ)線盒中。具體保護(hù)措施可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的條件進(jìn)行，但必須做到電纜頭的密封防水處理，避免電纜直接暴露于露天環(huán)境、雨淋暴曬及受力拖曳。

4.3.8 系統(tǒng)調(diào)試

調(diào)試內(nèi)容包括監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各主要部分，即現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)傳感器、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀器、無線數(shù)據(jù)收發(fā)裝置、供電系統(tǒng)以及監(jiān)控中心的運(yùn)行狀況。首先，按照設(shè)計(jì)、規(guī)范、系統(tǒng)使用說明書等的相關(guān)要求，在現(xiàn)場(chǎng)施工階段，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)傳感器、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀器、現(xiàn)場(chǎng)無線數(shù)據(jù)收發(fā)裝置和供電系統(tǒng)分別進(jìn)行調(diào)試，確保現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的正常運(yùn)行。然后，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，設(shè)置相關(guān)傳輸參數(shù)（IP地址、端口號(hào)等），保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)。為確保傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，可利用帶有監(jiān)控軟件的便攜式計(jì)算機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)接收采集數(shù)據(jù)，并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。最后，對(duì)監(jiān)控中心的服務(wù)器和控制軟件的各功能進(jìn)行調(diào)試，并運(yùn)行整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)，綜合跟蹤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各部分的運(yùn)行情況，及時(shí)處理可能存在的問題，保障整個(gè)腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常使用。形成相關(guān)的調(diào)試記錄，與維護(hù)使用說明書、現(xiàn)場(chǎng)安裝資料等一并交給業(yè)主。

5. 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行管理及維護(hù)

在腐蝕監(jiān)控系統(tǒng)和犧牲陽極組安裝完成后，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試，并對(duì)業(yè)主管理人員進(jìn)行操作及維護(hù)保養(yǎng)培訓(xùn)。在缺陷保修期結(jié)束前，每年一次對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并制作腐蝕監(jiān)測(cè)報(bào)告，詳細(xì)分析評(píng)估腐蝕狀況和保護(hù)效果，對(duì)需要采取的維護(hù)方法提出建議。

參考文獻(xiàn)

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[5] 其它相關(guān)技術(shù)文件。