港珠澳大橋深水區非通航孔橋基礎及墩身耐久性監測施工技術研究

朱武華

摘 要：港珠澳大橋所處環境屬于強海洋腐蝕環境，大橋的主要構件采取長效的重腐蝕防護措施。耐久性監測的主要對象為混凝土結構和鋼管樁。通過監測系統對混凝土結構耐久性狀況、鋼管樁腐蝕防護的狀態、防護效果等相關參數進行全天候實時監控，自動收集歷史數據，可建立相應的監測數據庫。通過分析軟件對數據進行分析處理，可給出大橋混凝土結構的耐久性狀況、鋼管樁的腐蝕防護狀態及犧牲陽極的消耗狀態。

關鍵詞：監控系統、監測探頭、耐久性;

1. 工程背景

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

2. 耐久性監測內容

在綜合評估各類耐久性監測技術的基礎上，結合非通航孔橋基礎及墩身的結構特征和所處環境，耐久性系統包括陰極保護系統監測和腐蝕監測兩部分，而腐蝕監測則包括對材料本身腐蝕狀態的監測和對環境的監測，具體內容如下：

（1） 陰極保護參數

陰極保護參數監測包括保護電位和犧牲陽極發射電流。保護電位用以評價陰極保護效果。陽極發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

監測混凝土中鋼筋的腐蝕速率，用以評價鋼筋的腐蝕狀況。

（3） 材料周圍環境的腐蝕因子（電阻率）

腐蝕因子監測包括兩部分：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、水下區、潮差區和大氣區內混凝土的電阻率。通過對腐蝕因子的監測可了解材料周圍環境的腐蝕性，從側面反映材料的腐蝕狀況。

3. 基礎及墩身監測系統的簡要介紹

港珠澳大橋耐久性監測系統主要由現場監測裝置（包括現場傳感器和現場測試儀器）、數據傳輸系統、監控中心和輔助支持系統等四個部分組成。其中，現場測試儀器和現場數據收發裝置均置于位于墩身上方的控制箱中。整套耐久性監測系統的功能如下：

1）數據采集處理：實時遠程采集鋼管樁電位、保護電流、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。

2）應答查詢：定時或手動查詢現場參數，實時掌握鋼筋和鋼管樁的腐蝕與防護狀態。

3）數據庫管理：原始、歷史數據庫的形成、檢索、查詢等。

4）數據輸出：可通過顯示器、打印機、繪圖儀等設備輸出電位統計圖。

5）聯網通訊：可實現多計算機通訊。

6）異常報警：根據歷史數據對未來發展趨勢進行預測，評估腐蝕風險。

4. 耐久性監測系統的施工及技術措施

4.1 施工總體安排

本項目的主要內容是監控系統相關部件的預埋設和現場安裝、調試。因此，從工期安排上來看，主要工作集中在三個時間段：

1） 在橋墩、承臺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;

3） 承臺、墩身等施工完成后，現場安裝和調試監控系統相關部件之時。施工進度計劃安排主要依據結構施工的控制節點，并考慮到監控系統的特點和施工要求編制總體施工計劃安排。

4.2 監測系統的施工工藝

埋設入海泥海水區的雙參比電極和電阻率探頭按設計要求布置于指定位置，做好相應的保護工作，并確認各探頭及監測電纜狀況。承臺、橋墩鋼筋綁扎完畢后，將監控系統的相關探頭安裝在指定位置，并用綁扎帶固定牢固，然后將監測電纜（包括陰極保護監控電纜和探頭電纜）引至控制箱應安裝的位置，電纜接頭進行保護處理。檢測電纜的通斷和監控系統的完好性，在確保電纜和監控系統完好的前提下進行澆筑。鋼管樁施打、混凝土澆筑、以及墩身和承臺施工前做好交底工作，過程中做好監控工作，確保系統的連通性。施工完成后對監控系統進行整體性檢查和調試。監測系統的施工工藝流程見下圖。

4.3 耐久性監測系統的安裝方法

4.3.1 鋼管樁監測傳感器的安裝

（1） 鋼管樁監測傳感器的安裝工藝

鋼管復合樁在打樁完成后，鉆頭將由鋼管內深入下鉆，可能對安裝在鋼管內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沖擊、海泥的擠壓等而造成機械損傷，探頭電纜采用無縫鋼套管保護，傳感器采用鋼制保護盒保護，此外在鋼套管的底部安裝導向頭便于整體下沉。

雙參比電極和電阻率探頭的安裝在鋼管樁堆場或相關陸上施工區域進行。首先，按設計要求明確探頭布置位置，然后自樁底而上安裝探頭及布設電纜，焊接保護套管和鋼制保護盒保護，并安裝導向頭。鋼護管導引監測電纜至鋼管樁替打段，并置于臨時儲線盒中保護，施工過程中做好電纜的保護工作?，F場探頭將隨鋼管樁打入地基中，打樁結束并切割替打段后，對探頭組電纜做整體性檢查和調試。鋼管樁澆筑混凝土和布置鋼筋籠時，注意監控，保護探頭組裝置。在鋼管樁與預制承臺連接之前，要做好尾電纜的保護工作。鋼管樁與承臺連接時，監控施工過程，待施工結束后按要求布設電纜，做好保護工作和相關檢查，并澆筑于混凝土中。澆筑完成后做整體性檢查和調試（如電阻率和自然腐蝕電位測試）。對于現澆承臺，在布設電纜時同樣要做好相關的保護和檢查調試工作。

（2） 鋼管樁監測傳感器的安裝細節和注意事項

鋼套管表面涂環氧富鋅底漆二道、環氧云鐵漆一道、聚氨酯漆面漆二道，總干膜厚度不小于120μm。鋼制探頭保護盒長500mm，寬度為270mm，高度為100mm，板厚10mm或16mm。保護盒前后兩端安裝有U型管，方便與鋼制套管的連接，在保護盒四面增設斜板方便在下樁過程中減少海泥的阻力，防止保護盒破損。每個保護盒內安裝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制場內進行，監測探頭沿鋼管自下而上分別安裝，測量點間隔10米左右（具體尺寸以圖紙標注為準），每根鋼管根據實際長度安裝4～6組探頭進行監測。

按照4～6個保護盒和1個接線盒在鋼管上預留保護盒長度的距離，鋼套管按照圖紙要求擺放焊接，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盒開始安裝，將電纜由套管穿入到第二個保護盒位置穿出，保護盒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氧樹脂密封。

在鋼管樁頂+2.5m處安裝臨時儲線盒，儲線盒于穿線管通過護套相連接，監測探頭內的電纜線頭臨時放置在儲線盒內，對應不同位置的探頭電纜末端進行逐一標識，并保證標識浸泡后不脫落。

在第一個探頭保護盒朝向鋼管樁底部方向10cm處安裝導向頭，導向頭四面滿焊，焊角高度10mm。

在整個安裝工作完成后，采用環氧樹脂對焊縫和涂料破損位置進行補涂。

鋼管樁內探頭電纜采用耐海水型PVDF/HMPE電纜，為了保證電纜機械強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，臨時儲線盒可去除，取出監控探頭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，測量接頭處電纜和承臺頂部預制探頭電纜的阻值，明確其電連接狀態，在VV電纜端頭依照PVDF/HMPE電纜作永久性標示后外套Φ100PVC套管。

4.3.2 混凝土中耐久性監測探頭的安裝

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域安裝ECI埋入式腐蝕監測探頭，分別監測各區域鋼構件的腐蝕狀態，實時測量鋼筋混凝土結構的各種腐蝕參數。根據深水區非通航孔橋的結構特征和腐蝕規律，每個橋墩安裝8套腐蝕監測探頭，其中海泥和海水區域各埋設3套探頭，空氣區域埋設2套探頭。

探頭埋設時，首先將探頭安裝在鋼筋層外側，然后沿向內側向內側依次安裝余下的探頭，探頭之間距離為7cm。探頭根據每根鋼管標高采用不銹鋼絲固定在承臺、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墩身頂部與現場測試儀器連接。安裝過程中，對各個探頭的狀態進行檢查，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發射天線安裝在墩身頂部外邊緣支架上，ECI綜合腐蝕監測儀的數據發射電纜，由墩頂預埋套管伸出到墩頂外邊緣與天線電纜連接。

4.3.4 現場測試儀器的安裝

接線箱為鋁合金材質，防護等級IP45，接線箱安裝在墩身頂部。各種探頭測試電纜由箱體底部鎖頭進入接線箱與各接線排連接，ECI-1綜合腐蝕監測儀安裝在接線箱內部，不僅能夠防止腐蝕介質的腐蝕也方便接線。供電電源可采用太陽能供電系統或現場預留電源，可根據具體情況確定?？紤]到工程建設時期，現場可能長期無法通過電纜供電，可采用太陽能供電系統。但若現場監測儀器附近預留了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。

4.3.5 監測電纜敷設

混凝土中監測電纜布設前先用數字萬用表確定其是否連通，然后按照設計要求將合格的電纜沿鋼筋布置，并延伸至控制箱應安裝的位置。敷設時電纜布置在鋼筋側面，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。電纜做好標記工作，以便準確、順利得將電纜引入控制箱。敷設完成后對探頭及電纜進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能否成功的關鍵程序，應提前與混凝土澆筑施工人員進行充分溝通，講明注意事項，將澆筑過程中有可能出現的情況及處理的措施對施工人員進行交底。首先要避免施工人員活動對已安裝完畢探頭和電纜的損壞?；炷翝仓r，避免混凝土直接沖擊到探頭和電纜。當使用振搗棒振搗時應遠離探頭，該過程配專人監控。在專人現場目測控制的同時，視澆筑面積的大小分若干組不斷監測是否有電路連接狀態。若發生異常情況立即通知混凝土澆筑人員停止澆筑，應該迅速找出問題出現位置迅速解決，不應由于該原因而長時間停止澆筑混凝土。澆筑完成后對監測系統進行整體性檢查。

4.3.7 電纜的保護

由于橋梁結構施工特點以及接線箱和現場監測裝置保護的要求，在結構中引出的電纜不能立刻接入控制箱，而是要經過一段時間。為防止在這段時間內電纜被有意或無意的破壞，應該對外露電纜進行臨時的保護，將其置于臨時儲線盒中。具體保護措施可以根據現場的條件進行，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境、雨淋暴曬及受力拖曳。

4.3.8 系統調試

調試內容包括監測系統的各主要部分，即現場監測傳感器、現場測試儀器、無線數據收發裝置、供電系統以及監控中心的運行狀況。首先，按照設計、規范、系統使用說明書等的相關要求，在現場施工階段，對現場監測傳感器、現場測試儀器、現場無線數據收發裝置和供電系統分別進行調試，確?，F場設備的正常運行。然后，對數據傳輸系統進行調試，設置相關傳輸參數（IP地址、端口號等），保障數據傳輸的實現。為確保傳輸數據的可靠性，可利用帶有監控軟件的便攜式計算機在現場接收采集數據，并與現場監測儀器的實際數據進行比較。最后，對監控中心的服務器和控制軟件的各功能進行調試，并運行整個監控系統，綜合跟蹤監測系統各部分的運行情況，及時處理可能存在的問題，保障整個腐蝕監測系統的正常使用。形成相關的調試記錄，與維護使用說明書、現場安裝資料等一并交給業主。

5. 監測系統的運行管理及維護

在腐蝕監控系統和犧牲陽極組安裝完成后，對監控系統進行運行調試，并對業主管理人員進行操作及維護保養培訓。在缺陷保修期結束前，每年一次對采集到的數據進行分析，并制作腐蝕監測報告，詳細分析評估腐蝕狀況和保護效果，對需要采取的維護方法提出建議。

參考文獻

[1] 《海港工程混凝土結構腐蝕技術規范》（JTJ275-2000）;

[2] 《海港工程鋼筋混凝土結構電化學腐蝕技術規范》（JTS153-2012）;

[3] 《公路橋涵施工技術規范》（JTG/T F50-2011）;

[4] 《港珠澳大橋主體工程橋梁DB01標段施工圖設計》;

[5] 其它相關技術文件。