橋面防水粘結層層間健康監測系統施工工藝研究

楊晨光 黃哲 柳海濤

摘要：為長期監測橋面防水粘結層的防水性，基于耐碾壓、耐高溫及耐腐蝕的施工原則，采用埋入式傳感器、振弦式采集器、無線通訊組網等組建的層間健康監測系統。論述層間健康監測系統的準備、刻槽、埋設、回填、預制后鋪設、安裝等施工流程，闡述基于橋面凈空的數據采集箱、太陽能板及其附屬裝置的施工方法，結合橋面鋪裝特點，提出不同類型傳感器的預埋設措施。

關鍵詞：橋面鋪裝；防水粘結層；健康監測；施工工藝

項目來源：陜西高速集團科研項目《高速公路橋面防水粘結層服役期性能健康監測及研究》（KY20-01）

0? ?引言

橋面防水粘結層作為橋面鋪裝的重要組成部分，若服役期內防水粘結層處破損，易導致防水功能失效，積水滲入橋面板易引起鋼筋銹蝕，不利于鋪裝層耐久性。近年來，埋入式傳感器由于穩定、隱蔽等特點，在路面結構受力狀況與溫度、濕度監測得到了廣泛應用，相關技術的研究也逐漸增多。

張敬川等[1]研究了傳感器寬度、厚度、埋設方法對混凝土構件強度的影響。夏紅衛等[2]研究了影響瀝青混合料應力集中的埋入式傳感器因素，提出測力桿長度、傳感器模量與荷載的敏感性依次降低。馮振剛等[3]基于美國足尺路面試驗路，推薦了高寒和重載地區瀝青路面層位的傳感器埋設類型、位置。熊成林等[4]基于瀝青混凝土施工特點，推薦了傳感器在瀝青混凝土中預設坑槽的施工方法。姜臻等[5]對路基埋設的應力傳感器存活性和有效性進行了驗證性試驗。

現行研究中，暫無測定橋面防水粘結層的傳感器施工工藝實踐與研究。由于傳感器的埋設與及其配套裝置的安裝涉及到橋面凈空，而在路基路面結構內安裝健康監測系統難以指導施工，鑒于此有必要進一步開展橋面防水粘結層層間健康監測系統工藝研究。

1? ?橋面防水粘結層層間健康監測系統組成

橋梁防水粘結層層間健康監測系統是以傳感終端、zigbee通信、計算機技術為依托，通過對防水粘結層層間受力狀況及環境參數的監控，分析與評估防水粘結層的結構完整性，為橋面日常運營、養護計劃的發布提供科學決策依據及高效預警。

完整的橋梁防水粘結層層間健康監測系統，集數據采集、傳導、分析為一體的，主要包含如下模塊：傳感器子系統（包括瀝青應變計、混凝土應變計、溫濕度應變計）、數據采集子系統（包括主機、數據采集器、配電箱）、數據傳輸處理子系統、中心數據庫子系統。

由于數據傳輸處理子系統、中心數據庫子系統屬于基站、后臺的管理與維護工作，不涉及現場施工，故防水粘結層健康監測系統的施工工藝研究，僅針對傳感器子系統、數據采集子系統的布設開展。

2? 橋面防水粘結層層間健康監測系統施工工藝

2.1? ?施工流程

太鳳高速采用SBR改性乳化瀝青作為防水功能層、SBS改性瀝青同步碎石封層，作為增強防水及應力吸收功能層，2種結構組成橋面防水粘結層。針對太鳳高速王家山大橋實體工程，制定橋面層間健康監測系統的施工流程如圖1所示。

2.2? ?施工準備

2.2.1? ?線纜防護準備

線纜耐高溫保護層選擇粗鋼絲彈性螺旋紋空心攬裝，與實際線纜長度比例為1：1。依據設計中確定的各傳感單元埋設點位，切割、分類標號不同傳感單元對應的耐高溫保護套備用。

2.2.2? ?回填材料準備

考慮到需要測定水泥混凝土面板的實際應變情況，回填的補坑材料盡可能與原水泥面板材料性能一致。王家山大橋設計文件提出“橋面鋪裝采用C40水泥混凝土”，故選擇C40自流平水泥。在埋設點位10～20m范圍暫存砂石、水泥等材料，用防雨篷布全面遮擋，待傳感器鋪設且單線程測試完成后，立即拌和、攤鋪自流平水泥砂漿。

2.3? ?橋面板刻槽

按埋設部位及監測目的不同，傳感單元在道路橋梁的安裝方式主要可分為3種：

2.3.1? ?直接布設法

直接布設法是通過將傳感單元直接安裝于結構表面或結構附近，通過傳感實時監測結構的振動情況，采用結構的實時撓度指標，獲取結構的動力響應特性、測定及損傷情況。目前應用較為普遍的是適用于橋梁損傷識別與監測。

2.3.2? ?預設坑槽埋設法

預設坑槽埋設法是在預鋪設的結構層攤鋪前，在設計部位安裝耐高溫保護套，將線纜連接，并保證其末端引導至保護套內。待攤鋪結束后取出保護套，再將應變計放入坑槽內，將線纜末梢與應變計連接，采用原攤鋪料充填坑槽并碾壓至平整。該方法通常用于厚度較大的瀝青路面結構層間的溫濕度測定[6]。

2.3.3? ?刻槽埋設補槽法

刻槽埋設補槽法是對已完工的下面層結構設計刻槽，在防水粘結層及瀝青混凝土施工前，預先埋設好線路走向及傳感單元在槽內。采用自流平水泥補坑后，依據健康監測的幾種技術類型需求，將傳感單元頂端探頭調整、固定至合理位置，再進行防水粘結層及面層的熱攤鋪及碾壓。

該方法可有效保證線纜和傳感單元不破壞防水粘結層，且不易被高溫高壓施工環境影響，故本文采用水泥混凝土刻槽機，在傳感器埋設橫向范圍雕刻寬5cm、深7cm的線纜、傳感器走線槽，待走線槽完全干燥后進行下一步傳感單元組裝工作。

2.4? ?傳感器及線纜現場鋪設

混凝土應變計、溫濕度傳感器應在SBR改性乳化瀝青灑布前進行埋設。砂漿回填時，應避免與瀝青應變計直接接觸，宜將瀝青應變計以耐碾壓保護套防護，并置于坑槽以外。所有線纜的鋪設工作應在水泥砂漿回填前完成，鋪筑傳感器之前，應先控制好傳感器的縱向埋設高程。

在引線槽的頂部中線部位，應緊貼水泥橋面板用細線固定，以控制高度。同時將瀝青應變計、濕度傳感器的探頭固定在細線上，保證瀝青應變計、濕度傳感器的探頭底部與引線槽頂部齊平。溫度傳感器的底部緊貼水泥橋面板頂部，混凝土應變計的頂部控制在距離水泥橋面板4～5cm的范圍內。

基于預設的層間埋設點位圖，人工在走線槽標注不同傳感單元的放置點。將線纜套上耐高溫高壓保護層，將傳感器以線纜與數據采集器連接，同時在應變計探頭部位采用可變形的橡膠套包裹。

技術人員檢查與線纜相連的兩端接口是否連接正常，按壓橡膠套的同時觀測數據顯示器是否顯示數據變化。當應變計可正常感應數據，數據采集器可正常收集數據，數據顯示界面可正常顯示數據時，將傳感器與云端成功連接。將已連接的傳感器安裝置于預先規劃好的放置點位，將瀝青應變計、濕度傳感器、溫度傳感器的芯片感應端固定在細線上，同時嚴格控制縱向埋設深度。

2.5? ?自流平水泥砂漿回填

按照施工配比人工拌和現場水泥砂漿，從引線槽的一端靠近路中央的部位開始，至橋面護欄方向勻速灌注水泥砂漿。待水泥砂漿液性不明顯，開始具有塑性時，去除固定的細線，同時解除對傳感器探頭的限制。施工人員在水泥砂漿開始形成強度之前應持續觀察，防止瀝青應變計及濕度傳感器探頭落入水泥砂漿內。

2.6? ?傳感器的預制后鋪設

瀝青應變計的厚度較大且為“工字”結構，瀝青應變計通過兩個法蘭之間的細微彎曲變化檢測瀝青材料的應變狀況。若在水泥橋面板上直接撒（灑）布防水粘結體系及瀝青鋪裝層，一旦經受攤鋪機直接碾壓，將使傳感器數據精準度大大降低，故需要對瀝青應變計進行預制埋設。

若瀝青應變計在防水粘結層施工前埋設，則存瀝青應變計底部漏灑瀝青、瀝青堆積膠連在法蘭表面、碎石撒布不均勻等問題，進而影響結構的防水功能。鑒于此，本文將瀝青應變計的層位，設置在水泥橋面板、SBR改性乳化瀝青防水層與SBS改性瀝青同步碎石封層之上。

在防水粘結層施工之前，將瀝青應變計與線纜的末端接口斷開并遮擋線纜接口。灑布完成后，重新連接、調試瀝青應變計與線纜，待中面層AC-20瀝青混凝土開始攤時，將瀝青應變計采用耐高溫耐壓保護套遮擋，灑（撒）布后去除保護套，在形成的坑槽中人工控制回填同源瀝青混合料，即可回歸面層碾壓工序，完成瀝青應變計的預制埋設。

2.7? ?橋面護欄安置架組裝

太鳳高速王家山特大橋的橋梁防撞護欄的厚度，需大于數據安裝箱的寬度，且太陽能供電板體積較大，若橫向安置將侵入橋面行車凈空范圍，影響橋面層間健康監測系統工程范圍內的緊急停車。鑒于此，必須采用相關措施，在不影響橋面凈空的前提下，保證太陽能板、數據集采箱的正常安裝，且部件的穩定性不受極端天氣影響。

橋面防撞護欄厚度有限，太陽能板、數據集采箱必須延伸至橋梁結構外部。鑒于此，課題組戶外空調電焊架為基礎，搭建數據采集箱、太陽能板及雨量計安置架，即采用螺栓將電焊架加工完整，再將太陽能板、數據采集箱底部四角固定在電焊架上，再借助高空作業吊籃升降機，將安置架焊在橋梁結構外部。基于凈空要求的健康監測結構安置架見圖2。

2.8? ?數據箱及其采集器安裝

一個數據采集器可收集4條線纜傳輸的傳感器數據，將數據采集器、太陽能蓄電池（預先蓄電等）固定在數據采集箱內，技術人員排查確定線纜連接對應正確無誤后，分別將數據采集箱、雨量計與太陽能板固定。將太陽能板向橋面內傾斜45°固定，雨量計及太陽能板引線從板底部連接至數據采集箱。

2.9? ?健康監測系統線纜防護

線纜應采用2.2.1的要求進行耐高溫耐高壓包裹防護。為避免埋設中材料的熱脹冷縮效應，線纜不宜緊繃，槽中埋設的線纜應留有富余，將線纜引導至橋面防撞護欄，再自下而上走線至數據采集箱。若外部走線暴露，存在雨水侵蝕及不可遇見外部損傷，必須對從橋面結構中引出至采集箱的線纜進行整體防護。可采用加耐侵蝕涂層的矩形金屬保護層，分引線槽進行包裹防護。

3? ?結束語

為長期監測橋面防水粘結層的防水性，本文基于耐碾壓、耐高溫及耐腐蝕的施工原則，采用埋入式傳感器、振弦式采集器、無線通訊組網等組建的層間健康監測系統。論述層間健康監測系統的準備、刻槽、埋設、回填、預制后鋪設、安裝等施工流程，闡述基于橋面凈空的數據采集箱、太陽能板及其附屬裝置的施工方法，結合橋面鋪裝特點，提出不同類型傳感器的預埋設措施。

基于橋面凈空及行車安全需要，數據采集箱、太陽能板等數據采集子系統不得超過橋面防撞護欄。數據采集子系統的布設架，宜以復合梯形結構的形式錨固在橋面護欄外部。為確保防水粘結層的完整性，線纜應在水泥砂漿回填橋面板槽前完成放線、調試工作。瀝青應變計在水泥砂漿回填前應斷開、防護，待防水粘結層灑布及中面層攤鋪完成后，二次連接線纜調試，回填同源瀝青混凝土，完成瀝青應變計的埋設。

參考文獻

[1] 張敬川.嵌入式壓阻傳感器在混凝土構件監測中的應用研究[D].大連：大連理工大學，2021.

[2] 夏紅衛.埋入式應變傳感器與瀝青混合料的交互影響及協調變形研究[D].長沙：長沙理工大學，2021.

[3] 馮振剛，李爽，王書娟，等.基于美國足尺路面經驗的瀝青路面傳感器布設方案研究[J]. 中外公路，2017，37（1）：42-46.

[4] 姜臻.適用于路基監測的分布式光纖傳感器應用研究[D].大連：大連理工大學，2016.

[5] 熊成林，王萬順，武學毅.碾壓瀝青混凝土面板應變計埋設施工工法[J].水利建設與管理，2019，39（6）：63-66.

[6] 熊中原.基于內部傳感測量的瀝青路面健康檢測技術研究[D].西安：長安大學，2012.