港珠澳大橋主體混凝土結(jié)構(gòu)耐久性實時監(jiān)測設(shè)計

湯雁冰，熊建波，方翔，陳龍，李海洪

（中交四航工程研究院有限公司，水工構(gòu)造物耐久性技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，廣東 廣州 510230）

1 概述

1.1 工程概況

港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋海域，是連接香港、珠海、澳門的大型跨海通道，是國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃中珠江三角洲地區(qū)環(huán)線的組成部分和跨越伶仃洋海域的關(guān)鍵性工程。

大橋海中橋隧工程總長約35.6 km，其中香港段長約6 km，粵港澳三地共同建設(shè)的主體工程長約29.6 km。主體工程分為橋梁工程和島隧工程兩部分，其中島隧工程包含2個面積各約10萬m2的人工島以及長約6.7 km的沉管隧道，橋梁工程長約22.9 km，分為青州航道橋、江海直達船航道橋、九洲航道橋、深水區(qū)非通航孔橋、淺水區(qū)非通航孔橋。

1.2 開展耐久性監(jiān)測的必要性

港珠澳大橋北靠亞洲大陸，南臨熱帶海洋，氣候溫暖潮濕，屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)。根據(jù)相似環(huán)境的工程調(diào)查和暴露試驗研究結(jié)果[1-3]，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因氯離子侵入誘發(fā)鋼筋銹蝕，導(dǎo)致耐久性下降的現(xiàn)象十分嚴重，這嚴重威脅了大橋的耐久性和服役安全性。為確保港珠澳大橋的服役安全性，必須實時了解和掌握影響大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性關(guān)鍵參數(shù)的變化規(guī)律，評估其耐久性健康狀況，預(yù)測其耐久性剩余使用壽命，為港珠澳大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性再設(shè)計提供必要的數(shù)據(jù)支撐。當預(yù)測大橋耐久性狀況不能滿足120 a的設(shè)計使用壽命時，采取相應(yīng)的補救措施，變被動維修為主動預(yù)防，不僅可確保港珠澳大橋120 a設(shè)計使用壽命，還可顯著降低大橋的全壽命周期費用成本，具有重要意義。

2 腐蝕環(huán)境劃分

不同的腐蝕環(huán)境，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性劣化速率不同，因此，弄清楚港珠澳大橋的腐蝕環(huán)境劃分區(qū)域是進行耐久性實時監(jiān)測設(shè)計的前提，表1給出港珠澳大橋腐蝕環(huán)境劃分區(qū)域[4]。

表1 港珠澳大橋腐蝕環(huán)境劃分Table1 Corrosion environment division of the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge

3 耐久性監(jiān)測傳感器的選用

3.1 選用依據(jù)

1）港珠澳大橋作為一項超級工程，其耐久性設(shè)計壽命長達120 a，其選用的耐久性監(jiān)測傳感器必須是在實體工程中應(yīng)用過的成熟產(chǎn)品。

2）氯離子侵入誘發(fā)鋼筋銹蝕是導(dǎo)致港珠澳大橋主體混凝土結(jié)構(gòu)耐久性劣化的最主要因素，因此定量監(jiān)測混凝土中氯離子的滲透狀況是進行耐久性評估和耐久性再設(shè)計最為關(guān)鍵的問題。

3.2 耐久性監(jiān)測傳感器

目前，市場應(yīng)用較多的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性監(jiān)測傳感器主要有德國的陽極梯傳感器（圖1（a））、丹麥的 CorroWatch傳感器 （圖 1（b）） 以及美國的ECI-2耐久性監(jiān)測傳感器（圖2）。陽極梯傳感器和CorroWatch傳感器是基于宏觀電池原理，主要有鋼筋陽極和惰性陰極組成，通過監(jiān)測鋼筋陽極和惰性陰極之間的電偶腐蝕電流密度和腐蝕電位來判斷鋼筋的腐蝕狀態(tài)，定性地評估鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性健康狀況。這兩種傳感器只能定性的判斷鋼筋的腐蝕狀態(tài)，無法定量監(jiān)測混凝土中氯離子的滲透情況。

圖1 基于宏觀電池原理的耐久性監(jiān)測傳感器Fig.1 Durability monitoring sensor based on the macro battery principle

ECI-2耐久性監(jiān)測傳感器中包含有鋼筋電極、輔助電極、參比電極，采用線性極化測試方法能夠?qū)崟r監(jiān)測鋼筋的腐蝕速率以及鋼筋的腐蝕電位。另外，傳感器中還集成了氯離子探針和混凝土電阻率探針，可以實時定量監(jiān)測混凝土中的氯離子濃度和混凝土的電阻率。因此，港珠澳大橋主體混凝土結(jié)構(gòu)耐久性監(jiān)測的傳感器選擇ECI-2耐久性監(jiān)測傳感器。

圖2 ECI-2耐久性監(jiān)測傳感器Fig.2 Durability monitoring sensor ECI-2

3.3 ECI-2耐久性監(jiān)測系統(tǒng)工作原理及技術(shù)參數(shù)

3.3.1 監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理

ECI-2耐久性監(jiān)測系統(tǒng)主要有ECI-2耐久性監(jiān)測傳感器、數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備和軟件組成。通過將ECI-2耐久性監(jiān)測傳感器預(yù)埋于混凝土內(nèi)，監(jiān)測混凝土中的氯離子濃度、腐蝕速率、腐蝕電位、混凝土電阻率等耐久性關(guān)鍵數(shù)據(jù)。傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)再由電纜傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集儀，數(shù)據(jù)采集儀將多個傳感器采集的數(shù)據(jù)通過有線或無線的方式將數(shù)據(jù)匯總傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，監(jiān)控中心采用LoggerNet軟件對數(shù)據(jù)進行記錄和存儲（見圖3）。

圖3 ECI耐久性監(jiān)測系統(tǒng)工作原理Fig.3 Working principle of ECI

3.3.2 技術(shù)參數(shù)

ECI-2耐久性監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)氯離子濃度、鋼筋腐蝕速率、鋼筋腐蝕電位、混凝土電阻率和溫度的實時監(jiān)測，其技術(shù)參數(shù)見表2[5]。另外，傳感器內(nèi)部還設(shè)有Dummy電池，可對監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行自檢，判斷監(jiān)測系統(tǒng)是否正常運行，數(shù)據(jù)傳輸還可利用3G網(wǎng)絡(luò)進行遠程無線傳輸。

表2 ECI-2耐久性監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)Table 2 Technical data of ECI-2

4 監(jiān)測點分布設(shè)計

4.1 監(jiān)測點分布設(shè)計的原則

1）監(jiān)測點設(shè)置需涵蓋所有的混凝土構(gòu)件（主塔、承臺、橋墩、混凝土箱梁和沉管），以保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的全面性。

2）同一類型的構(gòu)件具有相似的混凝土（原材料和配合比）和施工工藝，且它們所處的腐蝕環(huán)境也相似，它們應(yīng)具有相似的耐久性劣化過程，考慮到經(jīng)濟性，挑選具有代表性的構(gòu)件和區(qū)域進行布點設(shè)置。

3）同一混凝土構(gòu)件應(yīng)布置在發(fā)生腐蝕最為嚴重的位置。

4）處于水下區(qū)的混凝土構(gòu)件，因其面臨的耐久性問題并不嚴重，對處于水下區(qū)的混凝土構(gòu)件不設(shè)置監(jiān)測點。

4.2 監(jiān)測點的分布

基于以上監(jiān)測點設(shè)置原則，全橋共設(shè)置13個監(jiān)測點，其中，通航孔橋的主塔及承臺設(shè)置4個監(jiān)測點，非通航孔橋的橋墩設(shè)置3個監(jiān)測點，島橋結(jié)合部的混凝土箱梁設(shè)置3個監(jiān)測點，沉管隧道設(shè)置3個監(jiān)測點。

4.2.1 通航孔橋監(jiān)測點設(shè)置

港珠澳大橋所處的伶仃洋海域以東風(fēng)和東南風(fēng)為主，通航孔橋主塔的東側(cè)相對于其它側(cè)腐蝕風(fēng)險更大，腐蝕更為嚴重，因此，通航孔橋主塔的監(jiān)測點設(shè)置在主塔的東側(cè)。共設(shè)置4個監(jiān)測點，其中，3個監(jiān)測點位于浪濺區(qū)，1個監(jiān)測點位于大氣區(qū)?？紤]到處于水變區(qū)和浪濺區(qū)的混凝土構(gòu)件均為主塔的承臺，其混凝土體系、保護層厚度和施工工藝均相同，因此未在水變區(qū)設(shè)置監(jiān)測點。浪濺區(qū)的監(jiān)測點分布在57號、140號和207號橋墩，設(shè)置標高為+4.8 m，大氣區(qū)的監(jiān)測點設(shè)置在57號橋墩，設(shè)置標高為+8.5 m，監(jiān)測點位置如圖4所示。

圖4 通航孔橋監(jiān)測點布置示意圖Fig.4 Monitoring point arrangement of navigable bridge

4.2.2 非通航孔橋監(jiān)測點設(shè)置

與通航孔橋一致，非通航孔橋的監(jiān)測點也布置在橋墩的東側(cè)。非通航孔橋共設(shè)置3個監(jiān)測點，其中2個監(jiān)測點位于浪濺區(qū)，1個監(jiān)測點位于大氣區(qū)。浪濺區(qū)的監(jiān)測點分布在119號橋墩和162號橋墩，設(shè)置標高為+3.5 m，大氣區(qū)的監(jiān)測點設(shè)置在119號橋墩，設(shè)置標高為+8.5 m，如圖5所示。

圖5 非通航孔橋監(jiān)測點設(shè)置位置示意圖Fig.5 Monitoring point arrangement of non-navigablebridge

4.2.3 混凝土箱梁監(jiān)測點設(shè)置

東西人工島島橋結(jié)合部的混凝土箱梁是面臨耐久性問題較為嚴重的混凝土構(gòu)件，因此需要在箱梁上設(shè)置監(jiān)測點。東西人工島島橋結(jié)合部的混凝土箱梁共設(shè)置3個監(jiān)測點。箱梁底面，尤其是底面的中部是受拉應(yīng)力最大的位置，在腐蝕環(huán)境條件下，其耐久性劣化相對于其它部位更加嚴重。綜合考慮腐蝕環(huán)境和受力狀態(tài)這兩種影響箱梁耐久性的因素，3個監(jiān)測點均設(shè)置在箱梁底部，其中2個位于浪濺區(qū)，1個位于大氣區(qū)，浪濺區(qū)監(jiān)測點的標高為+5.5 m，大氣區(qū)監(jiān)測點的標高為+8.5 m。

4.2.4 沉管隧道監(jiān)測點設(shè)置

沉管隧道是港珠澳大橋的重要組成部分，沉管隧道位于海底，一旦出現(xiàn)耐久性問題，帶來的后果將是災(zāi)難性的。因此，必須實時監(jiān)測沉管隧道混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，確保沉管隧道的安全服役。港珠澳大橋沉管隧道分為暗埋段和敞開段，監(jiān)測點的設(shè)置分布于暗埋段和敞開段，共設(shè)3個監(jiān)測點，其中，沉管內(nèi)壁設(shè)置2個監(jiān)測點，分別位于西人工島敞開段（距暗埋段洞口140 m） 和E14管節(jié)的頂面（靠近E15管節(jié)接頭處）；沉管外壁設(shè)置1個監(jiān)測點，位于E14管節(jié)的側(cè)面，見圖6。

圖6 暗埋段沉管隧道監(jiān)測點設(shè)置示意圖Fig.6 Monitoring point arrangement of thehiddenburying immersed tube tunnel

5 傳感器的預(yù)埋設(shè)計

單一的ECI-2耐久性監(jiān)測傳感器僅能監(jiān)測混凝土保護層中某一深度的氯離子含量，不能監(jiān)測不同深度的氯離子濃度，無法預(yù)測耐久性剩余使用壽命。為了實時監(jiān)測混凝土保護層中氯離子濃度及其深度分布，在每個監(jiān)測點等間距預(yù)埋安裝4個ECI-2耐久性監(jiān)測傳感器，以實現(xiàn)保護層中不同深度氯離子濃度的實時監(jiān)測，得出氯離子濃度深度分布，判斷大橋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性狀況和預(yù)測剩余使用壽命。浪濺區(qū)和沉管外壁的保護層厚度為70 mm，傳感器監(jiān)測面距混凝土表面的距離為15 mm、30 mm、45 mm和60 mm；大氣區(qū)的混凝土構(gòu)件混凝土保護層厚度為50 mm，傳感器監(jiān)測面距混凝土表面的距離為12 mm、25 mm、37 mm和50 mm。

傳感器的預(yù)埋安裝見圖7。

圖7 傳感器預(yù)埋安裝示意圖Fig.7 Sensor embedded installation instruction

6 數(shù)據(jù)的采集與傳輸

考慮到大橋的施工特點和前期相關(guān)配套設(shè)施尚不完備，為獲得港珠澳大橋主體混凝土結(jié)構(gòu)從建設(shè)期開始，服役期間的耐久性關(guān)鍵參數(shù)的變化規(guī)律，數(shù)據(jù)的采集與傳輸采用三種方式進行。建設(shè)期，由于現(xiàn)場的供電和光纖尚不完備，數(shù)據(jù)的采集與傳輸主要采用定期的現(xiàn)場人工采集；大橋通車后，為實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集與傳輸，數(shù)據(jù)的采集與傳輸以3G網(wǎng)絡(luò)進行遠程無線傳輸，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸給相關(guān)單位，同時，考慮到3G網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性（如網(wǎng)絡(luò)中斷或沒有信號），為及時獲得耐久性關(guān)鍵參數(shù)的數(shù)據(jù)，還利用大橋中鋪設(shè)的通信光纖將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。

7 結(jié)語

通過預(yù)埋耐久性監(jiān)測傳感器可以真實反映大橋主體混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性健康狀況，再輔助以工程配套的暴露實驗以及有針對性的工程檢測，為耐久性再設(shè)計提供大量的分析數(shù)據(jù)。

港珠澳大橋所處的環(huán)境嚴酷，面臨的耐久性問題嚴峻，要實現(xiàn)120 a設(shè)計使用壽命，除科學(xué)的設(shè)計、精細的施工外，還需對大橋后期的耐久性狀況進行實時監(jiān)測，獲取大橋主體混凝土結(jié)構(gòu)耐久性關(guān)鍵參數(shù)，以便采取及時有效的管理維護措施，以保證大橋120 a設(shè)計使用壽命。

[1] 潘德強，洪定海，鄧恩惠，等.華南海港鋼筋混凝土碼頭銹蝕破壞調(diào)查報告[R].廣州：中交四航工程研究院有限公司，1982.PAN De-qiang，HONG Ding-hai，DENG En-hui，et al.Investigation report on thereinforced concrete corrosion of seaport wharf in south China[R].Guangzhou：CCCC Fourth Harbor Engineering Institute Co.，Ltd.，1982.

[2] 王勝年，黃君哲，張舉連，等.華南海港碼頭混凝土腐蝕情況的調(diào)查與結(jié)構(gòu)耐久性分析[J].水運工程，2000（6）：8-12.WANGSheng-nian，HUANGJun-zhe，ZHANGJu-lian，et al.An investigation of concrete corrosion of seaport wharf in south China and analysisof structures′durability[J].Port&Waterway Engineering，2000（6）：8-12.

[3]港珠澳大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計研究 [R].中交四航工程研究院有限公司，清華大學(xué)，2011.Design research on concrete structure durability of the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[R].CCCC Fourth Harbor Engineering Institute Co.，Ltd.，Tsinghua University，2011.

[4] Embedded corrosion instrument model ECI-2 product manual[M].Virginia Technologies Inc，2010.