高速公路橋梁與隧道病害檢測與維護措施

彭濤 李彭

針對目前高速公路橋梁和隧道的運營現狀，闡述了公路橋梁與隧道中常見病害及相關檢測維護技術。提出采用智能技術進行基建工程病害的檢測與維護，并加強日常的監管，從而將病害遏制于萌芽中，最大程度降低運營成本，推動地區經濟發展。

高速公路； 橋梁工程； 隧道工程； 病害； 檢測維護技術

U446.3、U456 A

［定稿日期］2021-12-21

［基金項目］一流學科土木工程建設項目（項目編號：XKDM0814）；校級科研項目（項目編號：2022QN25）

［作者簡介］彭濤（1991—），男，碩士，助教，主要從事橋梁與地下工程教學工作。

橋梁工程與隧道工程從修建之初到運營中，會出現相關病害，這些病害有些是肉眼直接能看得到的，有些是需要借助儀器設備才能觀察得到。隨著使用時間延長，橋梁與隧道工程會出現老化、結構病變等問題（圖1），如果這些問題不加治理，會影響結構的使用壽命和增加工程后期養護成本［1］。

圖1中僅列舉了典型橋梁與隧道工程的病害，這些病害嚴重了影響了后期的運營。基于此，采取一定的檢測維修技術迫在眉睫，做好相關的評定工作和維修工作，確保高速公路橋梁工程和隧道工程安全營運。

1 橋梁工程

眾所周知，橋梁工程主要包括橋面系、上部承重結構和下部結構等組成部分。其中，橋面系包括橋面鋪裝、伸縮縫裝置、排水系統和防撞護欄、中央分隔帶等；上部結構包括主要承重構件、一般承重構件和端頭支座等；下部結構主要包括墩柱、蓋梁、兩邊橋臺及基礎等［2］。在整個橋梁結構中，上部結構主要承載且最易發生病害，橋面伸縮縫橡膠帶結構薄弱且經受常年風化，太陽輻射也容易損壞；下部基礎屬于隱蔽工程，因為主要起傳遞荷載的作用，檢測的頻率也較低。高速公路中運營的橋梁主要病害也主要發生在上述相關部位，具體概括如下。

1.1 常見病害

1.1.1 橋面系病害

橋面系與橋頭兩端道路密切聯系，橋頭兩端路基出現相應缺陷也會導致橋面系病害，兩端路基病害主要有：路基整體性下沉、因臺背填土施工不規范導致橋頭跳車、路基兩側邊坡塌陷下沉和擋土墻病害等。橋面道路主要病害有：路面裂縫、路面下沉和變形等。然而，在橋面系施工中，伸縮縫經常不被引起重視，導致其在運營中出現相關的質量缺陷，具體病害有：止水帶堵塞、破損，伸縮縫周圍混凝土破損（圖2），伸縮縫型鋼裂變和型鋼擠壞等。

1.1.2 上部結構病害

橋梁上部結構一般由梁、板、肋等組成，作為橋梁承載的主要結構，在運營中也會出現比較明顯的病害。上部結構結構病害類型與橋梁結構類型有關，在高速公路中以預應力梁橋和簡支梁橋居多。將病害概括起來，主要有：梁板混凝土結構裂縫、蜂窩麻面、混凝土剝落、出現空洞和破損露筋，梁或板間混凝土滲水泛堿、鉸縫脫落及滲水白化、鋼筋銹蝕、涂層老化、擋塊開裂、破損露筋等。

其中，對于預應力梁橋出現裂縫居多，包括板底縱向裂縫和板底橫向裂縫，產生縱向裂縫的主要原因是預應力鋼筋或鋼束保護層厚度不夠以及底板橫向抗彎承載能力不足等；產生板底橫向裂縫的原因是預應力損失，造成承載能力降低和正彎矩過大等都會導致板底橫向開裂。對于簡支梁橋主要以混凝土剝落、破損露筋和擋塊開裂居多，究其原因為簡支梁橋跨中彎矩較大，底部混凝土受拉，長期荷載作用下出現混凝土剝落露筋，擋塊有時會因為地基不均勻沉降導致受擠壓而出現破損開裂。

1.1.3 下部結構病害

下部結構中的橋墩主要將上部結構荷載傳遞到基礎，基礎再將荷載傳到大地，路堤橋臺除了將上部結構傳遞到基礎外，還要承受上部結構荷載、銜接橋梁端側路堤和抵抗臺后填土壓力等。

由于橋梁下部結構不僅要傳遞荷載，同時還有抵抗荷載，在運營中也會出現相應病害。其中，基礎工程主要包括剛性擴大基礎和樁基礎，剛性擴大基礎主要病害類型有：基礎下沉、基礎滑移、基礎傾斜、基礎開裂和基礎沖刷等；樁基礎主要病害形式有：樁基發生撓曲變形、樁身混凝土剝落、樁基鋼筋銹蝕、樁基失穩和不均勻下沉等。高速公路橋梁橋墩主要以重力式橋墩和樁柱式橋墩為主。其中，重力式橋墩主要病害類型有：墩身下沉變位、墩身開裂、墩頂混凝土破損、墩身混凝土破損和墩柱鋼筋銹蝕等；樁柱式橋墩主要病害有：蓋梁開裂、蓋梁局部破損露筋、蓋梁滲水及鋼筋銹蝕、立柱混凝土破損露筋及鋼筋銹蝕等。

高速公路中橋梁出現的病害的主要原因概括起來就2點：①建設中的原因，包括橋梁結構設計不合理，施工不規范，沒按相關要求施工；②建設后的原因，橋梁在后期運營中，包括外在自然作用和汽車荷載及輪胎磨損等影響因素。

1.2 檢測與維護措施

橋梁檢測不僅是檢測其本身問題所在，而且還要對病害加以整治，并為以后橋梁施工水平的提高有重要意義。在橋梁檢測中，依照相應的標準進行評估，具體如表1所示。現有橋梁維修的一個重要方面是能夠充分、準確地評估結構的狀況［3］。狀況評估可通過多種方式進行，包括潛在損害程度和基本功能等，并為進一步的維修決策提供依據。

1.2.1 常見高速公路橋梁檢測方法

目前，關于高速公路橋梁工程病害檢測手段，概括起來主要有外觀檢測和內部缺陷檢測2種［4］。其中，內部缺陷檢測包括動靜荷載檢測法、混凝土無損檢測、混凝土半無損檢測法。混凝土的無損檢測方法主要針對橋梁完整性和強度進行檢測，它包括表面硬度法、超聲脈沖法、瞬變電磁法、回彈檢測法和保護層厚度檢測法等。由于超聲脈沖能有效判斷混凝土強度和斷裂位置，在實際高速公路橋梁檢測中法應用較廣泛。因為高速公路橋梁中的大部分病害都可通過肉眼直接觀測到，外觀檢測便成為了常用檢測手段。

1.2.2 相關維護措施

橋梁檢測是為后面的維護保養作準備，主要采取的養護措施包括加固措施和維修措施。常用加固措施有結構性和非結構性加固措施。結構性加固措施主要用于上部結構病害治理，可根據具體情況采取相應措施，對于跨度較大的預應力橋梁，主要采用外加固預應力措施；對于混凝土強度局部不滿足需繼續使用的情況，采用在混凝土表面涂抹含碳纖維樹脂類粘接材料的膠結劑，能有效提高混凝土的強度。對于因荷載作用導致梁板結構局部承載能力不足時，采取粘接劑將鋼板固定到承受力不足部位，以此來提升結構承載能力。非結構加固措施主要采用主拱圈加固和橋面鋪裝加固等方式。因為橋梁主拱圈是薄弱環節，通過將拱頂上的橫系梁改為橫隔板來加大受力面積，從而增加橋梁承載能力［5］。橋面鋪裝加固主要針對橋面系病害，一般是采取優質混凝土材料和聚合物對原來破損的混凝土面板和橋面系裂縫進行修補。

一般情況下，為節省人力、物力，對于高速公路橋梁的輕微病害應采取養護措施。對于較嚴重的病害（如梁板大面積裂縫、支座嚴重變形和梁板間交界處出現斷裂等），會對橋梁結構的安全使用帶來隱患，應及時采取相關維修措施。高速公路橋梁的其他病害，包括伸縮縫堵塞、橡膠止水帶破損以及伸縮縫周圍混凝土破損和排水系統堵塞或缺失等，應結合具體情況采取養護和更換材料等措施。當然，在日常運營中，加大維護管理力度也是避免較大病害發生的一種維護措施。

2 隧道工程

在高速公路修建中，有時會碰到山地、丘陵阻擋道路修建，為了減少行車時間、增加駕駛舒適性和滿足公路線性要求，逢山開鑿隧道工程便成為了首要選擇。常見公路隧道以山嶺隧道為主，由主體構造物和附屬構造物組成，公路隧道主體構造物由初期支護、二次襯砌、防排水系統和洞門構造物組成［6］。附屬構造物主要指公路隧道中主體構造物以外的其他構造物，比如隧道路面、通風照明設施、消防設備和監控系統等。在山嶺隧道營運中，發生的病害主要出現在主體構造物中。

2.1 常見病害

營運公路隧道病害主要指襯砌病害。常見的襯砌病害主要有：襯砌混凝土表面開裂及襯砌滲漏水、襯砌混凝土剝落、襯砌錯臺開裂導致鋼筋彎曲剪斷、邊墻混凝土剝落、二襯砌背后空洞、二次襯砌厚度不足和襯砌變形超限等［7］。其中，山嶺隧道滲漏水比較常見，圍巖中的地下水主要通過初期支護裂縫進行滲漏，具體情況如圖3所示。

另外，防排水系統為柔性結構，在使用中因自然原因出現縱橫向排水盲管結晶堵塞、中心排水溝堵塞、防水板和土工布老化破損等；隧道路面也會因地質原因導致隆起開裂和超載導致路面下沉破損等。導致病害產生的主要原因為設計不合理、施工不規范以及管理不到位和運營養護不嚴格；客觀原因主要是隧道周圍復雜的環境因素影響。高速公路隧道出現的病害若不及時檢測和維護，會造成更大的損失，影響整體耐久性和隧道內行車安全性，造成不良影響。

2.2 檢測與維護措施

2.2.1 常見高速公路隧道檢測方法

一部分公路隧道病害是通過外觀檢測能直接得知，一部分需要借助相關設備進行檢測。其中，隧道襯砌滲漏水和表面混凝土破損開裂較常見，可通過肉眼進行檢查和維護，二襯厚度不足和局部混凝土強度不夠等需采用相關儀器進行檢測。如今，在高速公路隧道運營中，隧道無損檢測技術應用較普遍，主要包括表觀狀態檢測技術和內部狀態檢測技術。其中，表觀狀態檢測主要應用于襯砌裂縫的檢測，包括圖形處理技術、BIM技術和三維激光掃描技術，圖像處理技術采用高清相機對隧道襯砌表面進行圖像采集，并通過計算機進行圖像處理，從而對襯砌表面裂縫進行判斷。伴隨著3D技術的發展，三維激光掃描技術更直觀地觀測隧道襯砌表面，測量比較全面且精度較高，目前應用較廣泛。內部檢測技術主要針對襯砌混凝土內部隱性缺陷的檢測，探地雷達技術其實就是根據電磁波傳播時間差來檢測襯砌混凝土強度和是否有孔洞存在，沖擊彈性波技術利用彈性波原理，根據彈性波與襯砌內部砼發生共振作用，可直接反映混凝土抗壓力學性能以及是否有缺陷。

2.2.2 常用檢測設備

在公路隧道的檢測維護中，采用的主要設備有：無人機、機器人和巡檢車，無人機攜帶傳感器進行隧道內巡檢工作，機器人進入排水系統和空腔內進行病害檢測，巡檢車通過搭載檢測設備完成隧道內部變形及襯砌裂縫的檢測。

2.2.3 相關維護措施

對于襯砌滲漏水病害，采用強度更高的混凝土注漿方式對襯砌混凝土裂縫進行封堵，若注漿后仍然滲水，這時需開鑿排水槽來排水；當襯砌表面出現大面積滲水時，應采用特殊水泥和環氧樹脂化學漿液，在其背后從高到低注漿。對于隧道路面的病害，針對具體情況對病害位置進行檢查并維修。對于滑坡地段和淺埋地段隧道病害治理，首先是進行結構加固（采用地表注漿和加設擋土墻等），然后針對具體問題再采取維護措施。對于隧道外觀明顯病害，通常采用局部重新注漿的方式。對于附屬設施的問題治理，采用維修和更換的方式進行維護。另外，同橋梁工程一樣，也要加強日常的管理和維護。

3 新型檢測評估技術

高速公路橋梁與隧道工程的檢測和維修，一般要根據具體情況加以修補，本著“按時檢測、按時維修”的原則，防止病害問題擴大化，增加結構的耐久性和安全性。隨著互聯網技術的發展，如今進入了“大數據”時代，無論對于橋梁工程，還是隧道工程，從結構勘察設計、施工到運營，都離不開新技術。尤其是基建工程的后期運營階段，采用傳統的檢測方法，無疑是費時又費力，利用智能技術建立一個操作平臺勢在必行。比如，近年來由重慶市招商局公路檢測中心研發的《常規橋梁外觀智能檢測系統》通過錄入橋梁的基本數據和病害數據，實現了對橋梁的營運監控和檢測［8］。在高速公路營運的橋梁隧道工程中，在相應部位布置遠程感應設備，將各種橋梁和隧道的相關數據（包括橋梁工程和隧道工程的基本設計數據和病害數據等）導入數據庫系統，實行遠程實時監控和檢測，形成更直觀的數據分析圖表，檢測病害同時也能根據病害預測以后的發展趨勢。這樣，不僅解決了當前的問題，還對未來可能發生的病害也起到了預防作用，大大節約了運營成本。

4 結論及建議

橋梁工程和隧道工程作為高速公路建設中的重要組成部分，尤其在后期運營中應引起重視。正如人類本身一樣，在高速公路運營中，橋梁與隧道也會出現不同程度的病害，為避免安全事故發生和不必要的經濟損失，橋梁與隧道要定期做“健康體檢”。本文針對目前高速公路橋梁和隧道的運營現狀，總結了橋梁和隧道工程的主要病害類型和相關維護措施。公路隧道主要以混凝土無損檢測和外觀檢測為主，對公路隧道襯砌滲漏水進行了成因分析。公路橋梁主要以上部承重結構病害為主，在檢測維護中，以一般檢測為主、特殊檢測為輔。最后，建議將互聯網智能技術應用于橋隧檢測和維護中，研發新型檢測系統，把病害“消滅”在搖籃中，最大化地降低運營成本，提高運輸效率。

參考文獻

［1］ 劉欣超.橋梁檢測的技術研究與分析［J］.山西建筑， 2017， 43（35）：175-176.

［2］ 何曉陽，項貽強，邢騁.混凝土橋梁下部結構病害分析與加固［J］.重慶交通大學學報（自然科學版），2013，32（S1）：807-811.

［3］ 陳奕.高速公路橋梁檢測方法與評定研究［J］.中國新技術新產品，2020（14）：83-84.

［4］ 蔣元泉.橋梁檢測技術及發展趨勢分析［J］.造紙裝備及材料， 2021，50（2）：119-120.

［5］ 徐易.高速公路橋梁病害的檢測及措施研究［J］.四川水泥，2017（7）：55.

［6］ 劉赟君，馬小鋒.高速公路運營隧道檢測及維修處治探討［J］.黑龍江交通科技，2019，42（11）：165-166.

［7］ 唐超，劉春，周澤棲.運營隧道襯砌病害檢測技術研究現狀分析［J］.現代鹽化工，2021，48（2）：109-110.

［8］ 高博聞.常規橋梁檢測數據挖掘分析［D］.重慶：重慶交通大學，2020.