高速公路橋梁與隧道病害檢測與維護(hù)措施

彭濤 李彭

針對目前高速公路橋梁和隧道的運營現(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，最大程度降低運營成本，推動地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

高速公路； 橋梁工程； 隧道工程； 病害； 檢測維護(hù)技術(shù)

U446.3、U456 A

［定稿日期］2021-12-21

［基金項目］一流學(xué)科土木工程建設(shè)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(xué)工作。

橋梁工程與隧道工程從修建之初到運營中，會出現(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。隨著使用時間延長，橋梁與隧道工程會出現(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營。基于此，采取一定的檢測維修技術(shù)迫在眉睫，做好相關(guān)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(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、兩邊橋臺及基礎(chǔ)等［2］。在整個橋梁結(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(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)，在運營中也會出現(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導(dǎo)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(xiàn)混凝土剝落露筋，擋塊有時會因為地基不均勻沉降導(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，同時還有抵抗荷載，在運營中也會出現(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：①建設(shè)中的原因，包括橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，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(hù)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(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評估，具體如表1所示。現(xiàn)有橋梁維修的一個重要方面是能夠充分、準(zhǔn)確地評估結(jié)構(gòu)的狀況［3］。狀況評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方法

目前，關(guān)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(nèi)部缺陷檢測2種［4］。其中，內(nèi)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?；炷恋臒o損檢測方法主要針對橋梁完整性和強(qiáng)度進(jìn)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(hù)層厚度檢測法等。由于超聲脈沖能有效判斷混凝土強(qiáng)度和斷裂位置，在實際高速公路橋梁檢測中法應(yīng)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(guān)維護(hù)措施

橋梁檢測是為后面的維護(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。對于因荷載作用導(dǎo)致梁板結(jié)構(gòu)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(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。因為橋梁主拱圈是薄弱環(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橋面系病害，一般是采取優(yōu)質(zhì)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(jìn)行修補(bǔ)。

一般情況下，為節(jié)省人力、物力，對于高速公路橋梁的輕微病害應(yīng)采取養(yǎng)護(hù)措施。對于較嚴(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），會對橋梁結(jié)構(gòu)的安全使用帶來隱患，應(yīng)及時采取相關(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(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(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)生的主要原因為設(shè)計不合理、施工不規(guī)范以及管理不到位和運營養(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)的病害若不及時檢測和維護(hù)，會造成更大的損失，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 檢測與維護(hù)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(guān)設(shè)備進(jìn)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(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。如今，在高速公路隧道運營中，隧道無損檢測技術(shù)應(yīng)用較普遍，主要包括表觀狀態(tài)檢測技術(shù)和內(nèi)部狀態(tài)檢測技術(shù)。其中，表觀狀態(tài)檢測主要應(yīng)用于襯砌裂縫的檢測，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)對隧道襯砌表面進(jìn)行圖像采集，并通過計算機(jī)進(jìn)行圖像處理，從而對襯砌表面裂縫進(jìn)行判斷。伴隨著3D技術(shù)的發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)更直觀地觀測隧道襯砌表面，測量比較全面且精度較高，目前應(yīng)用較廣泛。內(nèi)部檢測技術(shù)主要針對襯砌混凝土內(nèi)部隱性缺陷的檢測，探地雷達(dá)技術(shù)其實就是根據(jù)電磁波傳播時間差來檢測襯砌混凝土強(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 常用檢測設(shè)備

在公路隧道的檢測維護(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，巡檢車通過搭載檢測設(shè)備完成隧道內(nèi)部變形及襯砌裂縫的檢測。

2.2.3 相關(guān)維護(hù)措施

對于襯砌滲漏水病害，采用強(qiáng)度更高的混凝土注漿方式對襯砌混凝土裂縫進(jìn)行封堵，若注漿后仍然滲水，這時需開鑿排水槽來排水；當(dāng)襯砌表面出現(xiàn)大面積滲水時，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。對于隧道路面的病害，針對具體情況對病害位置進(jìn)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(jìn)行結(jié)構(gòu)加固（采用地表注漿和加設(shè)擋土墻等），然后針對具體問題再采取維護(hù)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(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 新型檢測評估技術(shù)

高速公路橋梁與隧道工程的檢測和維修，一般要根據(jù)具體情況加以修補(bǔ)，本著“按時檢測、按時維修”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)”時代，無論對于橋梁工程，還是隧道工程，從結(jié)構(gòu)勘察設(shè)計、施工到運營，都離不開新技術(shù)。尤其是基建工程的后期運營階段，采用傳統(tǒng)的檢測方法，無疑是費時又費力，利用智能技術(shù)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(fā)的《常規(guī)橋梁外觀智能檢測系統(tǒng)》通過錄入橋梁的基本數(shù)據(jù)和病害數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對橋梁的營運監(jiān)控和檢測［8］。在高速公路營運的橋梁隧道工程中，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)計數(shù)據(jù)和病害數(shù)據(jù)等）導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，實行遠(yuǎn)程實時監(jiān)控和檢測，形成更直觀的數(shù)據(jù)分析圖表，檢測病害同時也能根據(jù)病害預(yù)測以后的發(fā)展趨勢。這樣，不僅解決了當(dāng)前的問題，還對未來可能發(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，尤其在后期運營中應(yīng)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(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”。本文針對目前高速公路橋梁和隧道的運營現(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和外觀檢測為主，對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，在檢測維護(hù)中，以一般檢測為主、特殊檢測為輔。最后，建議將互聯(lián)網(wǎng)智能技術(shù)應(yīng)用于橋隧檢測和維護(hù)中，研發(fā)新型檢測系統(tǒng)，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(xiàn)

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