高速公路橋梁與隧道病害檢測(cè)與維護(hù)措施

彭濤 李彭

針對(duì)目前高速公路橋梁和隧道的運(yùn)營現(xiàn)狀，闡述了公路橋梁與隧道中常見病害及相關(guān)檢測(cè)維護(hù)技術(shù)。提出采用智能技術(shù)進(jìn)行基建工程病害的檢測(cè)與維護(hù)，并加強(qiáng)日常的監(jiān)管，從而將病害遏制于萌芽中，最大程度降低運(yùn)營成本，推動(dòng)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

高速公路； 橋梁工程； 隧道工程； 病害； 檢測(cè)維護(hù)技術(shù)

U446.3、U456 A

［定稿日期］2021-12-21

［基金項(xiàng)目］一流學(xué)科土木工程建設(shè)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：XKDM0814）；校級(jí)科研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2022QN25）

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

橋梁工程與隧道工程從修建之初到運(yùn)營中，會(huì)出現(xiàn)相關(guān)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(shè)備才能觀察得到。隨著使用時(shí)間延長(zhǎng)，橋梁與隧道工程會(huì)出現(xiàn)老化、結(jié)構(gòu)病變等問題（圖1），如果這些問題不加治理，會(huì)影響結(jié)構(gòu)的使用壽命和增加工程后期養(yǎng)護(hù)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(yán)重了影響了后期的運(yùn)營。基于此，采取一定的檢測(cè)維修技術(shù)迫在眉睫，做好相關(guān)的評(píng)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(yùn)。

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(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)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(tǒng)和防撞護(hù)欄、中央分隔帶等；上部結(jié)構(gòu)包括主要承重構(gòu)件、一般承重構(gòu)件和端頭支座等；下部結(jié)構(gòu)主要包括墩柱、蓋梁、兩邊橋臺(tái)及基礎(chǔ)等［2］。在整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)中，上部結(jié)構(gòu)主要承載且最易發(fā)生病害，橋面伸縮縫橡膠帶結(jié)構(gòu)薄弱且經(jīng)受常年風(fēng)化，太陽輻射也容易損壞；下部基礎(chǔ)屬于隱蔽工程，因?yàn)橹饕饌鬟f荷載的作用，檢測(cè)的頻率也較低。高速公路中運(yùn)營的橋梁主要病害也主要發(fā)生在上述相關(guān)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(lián)系，橋頭兩端路基出現(xiàn)相應(yīng)缺陷也會(huì)導(dǎo)致橋面系病害，兩端路基病害主要有：路基整體性下沉、因臺(tái)背填土施工不規(guī)范導(dǎo)致橋頭跳車、路基兩側(cè)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(jīng)常不被引起重視，導(dǎo)致其在運(yùn)營中出現(xiàn)相關(guān)的質(zhì)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(jié)構(gòu)病害

橋梁上部結(jié)構(gòu)一般由梁、板、肋等組成，作為橋梁承載的主要結(jié)構(gòu)，在運(yùn)營中也會(huì)出現(xiàn)比較明顯的病害。上部結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)病害類型與橋梁結(jié)構(gòu)類型有關(guān)，在高速公路中以預(yù)應(yīng)力梁橋和簡(jiǎn)支梁橋居多。將病害概括起來，主要有：梁板混凝土結(jié)構(gòu)裂縫、蜂窩麻面、混凝土剝落、出現(xiàn)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(duì)于預(yù)應(yīng)力梁橋出現(xiàn)裂縫居多，包括板底縱向裂縫和板底橫向裂縫，產(chǎn)生縱向裂縫的主要原因是預(yù)應(yīng)力鋼筋或鋼束保護(hù)層厚度不夠以及底板橫向抗彎承載能力不足等；產(chǎn)生板底橫向裂縫的原因是預(yù)應(yīng)力損失，造成承載能力降低和正彎矩過大等都會(huì)導(dǎo)致板底橫向開裂。對(duì)于簡(jiǎn)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?yàn)楹?jiǎn)支梁橋跨中彎矩較大，底部混凝土受拉，長(zhǎng)期荷載作用下出現(xiàn)混凝土剝落露筋，擋塊有時(shí)會(huì)因?yàn)榈鼗痪鶆虺两祵?dǎo)致受擠壓而出現(xiàn)破損開裂。

1.1.3 下部結(jié)構(gòu)病害

下部結(jié)構(gòu)中的橋墩主要將上部結(jié)構(gòu)荷載傳遞到基礎(chǔ)，基礎(chǔ)再將荷載傳到大地，路堤橋臺(tái)除了將上部結(jié)構(gòu)傳遞到基礎(chǔ)外，還要承受上部結(jié)構(gòu)荷載、銜接橋梁端側(cè)路堤和抵抗臺(tái)后填土壓力等。

由于橋梁下部結(jié)構(gòu)不僅要傳遞荷載，同時(shí)還有抵抗荷載，在運(yùn)營中也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)病害。其中，基礎(chǔ)工程主要包括剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)，剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)主要病害類型有：基礎(chǔ)下沉、基礎(chǔ)滑移、基礎(chǔ)傾斜、基礎(chǔ)開裂和基礎(chǔ)沖刷等；樁基礎(chǔ)主要病害形式有：樁基發(fā)生撓曲變形、樁身混凝土剝落、樁基鋼筋銹蝕、樁基失穩(wěn)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(xiàn)的病害的主要原因概括起來就2點(diǎn)：①建設(shè)中的原因，包括橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，施工不規(guī)范，沒按相關(guān)要求施工；②建設(shè)后的原因，橋梁在后期運(yùn)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(cè)與維護(hù)措施

橋梁檢測(cè)不僅是檢測(cè)其本身問題所在，而且還要對(duì)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(cè)中，依照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估，具體如表1所示?，F(xiàn)有橋梁維修的一個(gè)重要方面是能夠充分、準(zhǔn)確地評(píng)估結(jié)構(gòu)的狀況［3］。狀況評(píng)估可通過多種方式進(jìn)行，包括潛在損害程度和基本功能等，并為進(jìn)一步的維修決策提供依據(jù)。

1.2.1 常見高速公路橋梁檢測(cè)方法

目前，關(guān)于高速公路橋梁工程病害檢測(cè)手段，概括起來主要有外觀檢測(cè)和內(nèi)部缺陷檢測(cè)2種［4］。其中，內(nèi)部缺陷檢測(cè)包括動(dòng)靜荷載檢測(cè)法、混凝土無損檢測(cè)、混凝土半無損檢測(cè)法。混凝土的無損檢測(cè)方法主要針對(duì)橋梁完整性和強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，它包括表面硬度法、超聲脈沖法、瞬變電磁法、回彈檢測(cè)法和保護(hù)層厚度檢測(cè)法等。由于超聲脈沖能有效判斷混凝土強(qiáng)度和斷裂位置，在實(shí)際高速公路橋梁檢測(cè)中法應(yīng)用較廣泛。因?yàn)楦咚俟窐蛄褐械拇蟛糠植『Χ伎赏ㄟ^肉眼直接觀測(cè)到，外觀檢測(cè)便成為了常用檢測(cè)手段。

1.2.2 相關(guān)維護(hù)措施

橋梁檢測(cè)是為后面的維護(hù)保養(yǎng)作準(zhǔn)備，主要采取的養(yǎng)護(hù)措施包括加固措施和維修措施。常用加固措施有結(jié)構(gòu)性和非結(jié)構(gòu)性加固措施。結(jié)構(gòu)性加固措施主要用于上部結(jié)構(gòu)病害治理，可根據(jù)具體情況采取相應(yīng)措施，對(duì)于跨度較大的預(yù)應(yīng)力橋梁，主要采用外加固預(yù)應(yīng)力措施；對(duì)于混凝土強(qiáng)度局部不滿足需繼續(xù)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(jié)劑，能有效提高混凝土的強(qiáng)度。對(duì)于因荷載作用導(dǎo)致梁板結(jié)構(gòu)局部承載能力不足時(shí)，采取粘接劑將鋼板固定到承受力不足部位，以此來提升結(jié)構(gòu)承載能力。非結(jié)構(gòu)加固措施主要采用主拱圈加固和橋面鋪裝加固等方式。因?yàn)闃蛄褐鞴叭κ潜∪醐h(huán)節(jié)，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(duì)橋面系病害，一般是采取優(yōu)質(zhì)混凝土材料和聚合物對(duì)原來破損的混凝土面板和橋面系裂縫進(jìn)行修補(bǔ)。

一般情況下，為節(jié)省人力、物力，對(duì)于高速公路橋梁的輕微病害應(yīng)采取養(yǎng)護(hù)措施。對(duì)于較嚴(yán)重的病害（如梁板大面積裂縫、支座嚴(yán)重變形和梁板間交界處出現(xiàn)斷裂等），會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全使用帶來隱患，應(yīng)及時(shí)采取相關(guān)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(tǒng)堵塞或缺失等，應(yīng)結(jié)合具體情況采取養(yǎng)護(hù)和更換材料等措施。當(dāng)然，在日常運(yùn)營中，加大維護(hù)管理力度也是避免較大病害發(fā)生的一種維護(hù)措施。

2 隧道工程

在高速公路修建中，有時(shí)會(huì)碰到山地、丘陵阻擋道路修建，為了減少行車時(shí)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(gòu)造物和附屬構(gòu)造物組成，公路隧道主體構(gòu)造物由初期支護(hù)、二次襯砌、防排水系統(tǒng)和洞門構(gòu)造物組成［6］。附屬構(gòu)造物主要指公路隧道中主體構(gòu)造物以外的其他構(gòu)造物，比如隧道路面、通風(fēng)照明設(shè)施、消防設(shè)備和監(jiān)控系統(tǒng)等。在山嶺隧道營運(yùn)中，發(fā)生的病害主要出現(xiàn)在主體構(gòu)造物中。

2.1 常見病害

營運(yùn)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(cuò)臺(tái)開裂導(dǎo)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(hù)裂縫進(jìn)行滲漏，具體情況如圖3所示。

另外，防排水系統(tǒng)為柔性結(jié)構(gòu)，在使用中因自然原因出現(xiàn)縱橫向排水盲管結(jié)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(huì)因地質(zhì)原因?qū)е侣∑痖_裂和超載導(dǎo)致路面下沉破損等。導(dǎo)致病害產(chǎn)生的主要原因?yàn)樵O(shè)計(jì)不合理、施工不規(guī)范以及管理不到位和運(yùn)營養(yǎng)護(hù)不嚴(yán)格；客觀原因主要是隧道周圍復(fù)雜的環(huán)境因素影響。高速公路隧道出現(xiàn)的病害若不及時(shí)檢測(cè)和維護(hù)，會(huì)造成更大的損失，影響整體耐久性和隧道內(nèi)行車安全性，造成不良影響。

2.2 檢測(cè)與維護(hù)措施

2.2.1 常見高速公路隧道檢測(cè)方法

一部分公路隧道病害是通過外觀檢測(cè)能直接得知，一部分需要借助相關(guān)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。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(jìn)行檢查和維護(hù)，二襯厚度不足和局部混凝土強(qiáng)度不夠等需采用相關(guān)儀器進(jìn)行檢測(cè)。如今，在高速公路隧道運(yùn)營中，隧道無損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用較普遍，主要包括表觀狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)和內(nèi)部狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)。其中，表觀狀態(tài)檢測(cè)主要應(yīng)用于襯砌裂縫的檢測(cè)，包括圖形處理技術(shù)、BIM技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)，圖像處理技術(shù)采用高清相機(jī)對(duì)隧道襯砌表面進(jìn)行圖像采集，并通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理，從而對(duì)襯砌表面裂縫進(jìn)行判斷。伴隨著3D技術(shù)的發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)更直觀地觀測(cè)隧道襯砌表面，測(cè)量比較全面且精度較高，目前應(yīng)用較廣泛。內(nèi)部檢測(cè)技術(shù)主要針對(duì)襯砌混凝土內(nèi)部隱性缺陷的檢測(cè)，探地雷達(dá)技術(shù)其實(shí)就是根據(jù)電磁波傳播時(shí)間差來檢測(cè)襯砌混凝土強(qiáng)度和是否有孔洞存在，沖擊彈性波技術(shù)利用彈性波原理，根據(jù)彈性波與襯砌內(nèi)部砼發(fā)生共振作用，可直接反映混凝土抗壓力學(xué)性能以及是否有缺陷。

2.2.2 常用檢測(cè)設(shè)備

在公路隧道的檢測(cè)維護(hù)中，采用的主要設(shè)備有：無人機(jī)、機(jī)器人和巡檢車，無人機(jī)攜帶傳感器進(jìn)行隧道內(nèi)巡檢工作，機(jī)器人進(jìn)入排水系統(tǒng)和空腔內(nèi)進(jìn)行病害檢測(cè)，巡檢車通過搭載檢測(cè)設(shè)備完成隧道內(nèi)部變形及襯砌裂縫的檢測(cè)。

2.2.3 相關(guān)維護(hù)措施

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

3 新型檢測(cè)評(píng)估技術(shù)

高速公路橋梁與隧道工程的檢測(cè)和維修，一般要根據(jù)具體情況加以修補(bǔ)，本著“按時(shí)檢測(cè)、按時(shí)維修”的原則，防止病害問題擴(kuò)大化，增加結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，如今進(jìn)入了“大數(shù)據(jù)”時(shí)代，無論對(duì)于橋梁工程，還是隧道工程，從結(jié)構(gòu)勘察設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)營，都離不開新技術(shù)。尤其是基建工程的后期運(yùn)營階段，采用傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，無疑是費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，利用智能技術(shù)建立一個(gè)操作平臺(tái)勢(shì)在必行。比如，近年來由重慶市招商局公路檢測(cè)中心研發(fā)的《常規(guī)橋梁外觀智能檢測(cè)系統(tǒng)》通過錄入橋梁的基本數(shù)據(jù)和病害數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)橋梁的營運(yùn)監(jiān)控和檢測(cè)［8］。在高速公路營運(yùn)的橋梁隧道工程中，在相應(yīng)部位布置遠(yuǎn)程感應(yīng)設(shè)備，將各種橋梁和隧道的相關(guān)數(shù)據(jù)（包括橋梁工程和隧道工程的基本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和病害數(shù)據(jù)等）導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，實(shí)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和檢測(cè)，形成更直觀的數(shù)據(jù)分析圖表，檢測(cè)病害同時(shí)也能根據(jù)病害預(yù)測(cè)以后的發(fā)展趨勢(shì)。這樣，不僅解決了當(dāng)前的問題，還對(duì)未來可能發(fā)生的病害也起到了預(yù)防作用，大大節(jié)約了運(yùn)營成本。

4 結(jié)論及建議

橋梁工程和隧道工程作為高速公路建設(shè)中的重要組成部分，尤其在后期運(yùn)營中應(yīng)引起重視。正如人類本身一樣，在高速公路運(yùn)營中，橋梁與隧道也會(huì)出現(xiàn)不同程度的病害，為避免安全事故發(fā)生和不必要的經(jīng)濟(jì)損失，橋梁與隧道要定期做“健康體檢”。本文針對(duì)目前高速公路橋梁和隧道的運(yùn)營現(xiàn)狀，總結(jié)了橋梁和隧道工程的主要病害類型和相關(guān)維護(hù)措施。公路隧道主要以混凝土無損檢測(cè)和外觀檢測(cè)為主，對(duì)公路隧道襯砌滲漏水進(jìn)行了成因分析。公路橋梁主要以上部承重結(jié)構(gòu)病害為主，在檢測(cè)維護(hù)中，以一般檢測(cè)為主、特殊檢測(cè)為輔。最后，建議將互聯(lián)網(wǎng)智能技術(shù)應(yīng)用于橋隧檢測(cè)和維護(hù)中，研發(fā)新型檢測(cè)系統(tǒng)，把病害“消滅”在搖籃中，最大化地降低運(yùn)營成本，提高運(yùn)輸效率。

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