 随着交通事业经过跨越式的发展，我国在结构新颖、技术难度高的大跨径桥梁，长大隧道的设计和建设能力取得了世界领先水平。大型桥梁、隧道设计基准期通常为100年，与短暂建设周期相比，桥梁隧道在运营期的管养的成效与水平决定了其真正意义的使用寿命。受设计、施工、材料的先天缺陷，超负荷交通以及结构安全监管的缺失等综合因素的影响，桥梁、隧道往往在运营阶段的早期就出现了病害与变异。但由于受养护管理模式、检测手段不足、养护不到位、养护资金匮乏等方面的限制，未能在病害发育期发现并采取有效的养护手段及时消除安全隐患，导致病害进一步发展，甚至出现灾难性的事故。 本文以厦门地区5座跨海通道的桥梁群与隧道为背景，重点介绍桥梁检测技术手段的应用实践及特长隧道运营管理的经验教训，尤其是以海沧大桥为代表的悬索桥与翔安隧道为代表的特长海底隧道在运营期的管养实践。为同类型的桥梁、隧道在运营管养方面应关注的内容中提供参考。01 概述 海沧大桥主桥采用三联跨连续漂浮钢箱梁悬索桥，其跨径 为230m+648m+230m，重力式锚碇，框架式门形索塔，全桥共 设两根主缆，其索股采用PPWS（预制平行索股）法，共有328根 吊索。1999年12月建成通车。 翔安隧道是我国大陆地区第一条建成通车运营的大断面海底隧道，开挖断面达到170m2，全长6.05km，其中跨海域段长4.2km，三孔隧道断面形式，两侧为3车道的行车隧道，中孔为服务隧道。隧道最深处位于海平面下70m，场区内陆质条件复杂多变。衬砌不但要承受围岩应力，还要承受较高（最大达0.6MPa）的水压。2010年4月建成通车。 厦门大桥是我国第一座跨海峡公路大桥，跨海主桥长2070m，采用45m等跨等截面预应力混凝土连续箱梁，1991年12月建成通车。集美大桥海上桥梁上部结构为不同跨径的预应力混凝土连续梁，主桥为55+2×100+55m预应力变截面混凝土连续梁，引桥为6×50m和3×50m预应力混凝土连续梁，采用“短线匹配法节段预制悬拼”工艺施工，2008年7月建成通车。杏林大桥是一座公路、铁路平层合建的大桥，采用不同跨径的预应力混凝土等高度连续梁，主线桥长7.48km，海上桥长5.034km，2008年9月建成通车。02 桥梁检测的内容及方法 在对桥梁进行专项检测时，除了要检测评定桥梁主要部件和次要部件，还应进行桥梁几何形态参数测量、预应力残余检测、水下结构探摸等。若桥梁技术状况评定较差时，应进行承载力检测评定，根据荷载试验结果对桥梁的技术状况评定进行交叉校验评估，客观评定桥梁真实的承载能力。在进行桥梁技术状况评定时，应提出后续管养措施或养护维修建议。根据厦门海上桥梁群历年来结构检测工作所取得的成效，以海沧大桥为案例，重点论述悬索桥缆索系统、钢箱梁，以及混凝土桥梁在运营期进行结构检测时应主要关注的检测内容以及所采取的检测技术手段。 03 悬索桥缆索系统检测 悬索桥缆索系统检测内容除了常规性检测外，还应包含：主缆几何 线形测量、锚碇预应力锚固系统检测、吊索开仓锈蚀检测与索力测 试、索夹螺杆预紧力测试等。 1．主缆几何线形测量 主缆作为悬索桥主要受力结构，形成全桥的强度和刚度。主缆几何线形的变化在一定程度上能反映出悬索桥第一受力体系内力的变化情况。通过测量运营期间通过水准仪和全站仪测量主缆的空间位置的变化与成桥时初始状态进行对比，可反演计算出结构的内力变化趋势，可为分析结构形态变化的原因提供可靠依据。因此，主缆几何线形测量和对比分析应作为评估悬索桥结构是否处于安全使用状态的重要内容。 从图1可以看出与初始成桥状态相比，本次测量条件变化包括：（1）2013年桥面铺装更换增厚10mm，挠度增加17.9cm；（2）温度相差7摄氏度，挠度增加14.3cm。合计挠度增加32.2cm。实测挠度最大相差43.8cm，存在较大下挠问题。 2．锚碇预应力锚固系统检测 海沧大桥主缆锚固系统采用双拉杆、双预应力钢绞线结构。受桥梁施工工艺、施工质量及锚碇周围环境影响，锚固系统存在预应力钢绞线锈蚀及灌浆不饱满等风险。在桥梁运营期间，可采用工业内窥镜通过前锚面排气孔进行专项检测。经检查，海沧大桥西锚碇发现4处灌浆不饱满，利用环氧结构胶进行灌注封闭。 3．吊索 吊索的检测应主要关注两个方面的内容：吊索锈蚀情况检查与索力测试。海沧大桥吊索为PWS平行钢丝索股，外套PE防护层。全桥共有328根吊索，所有吊索PE护均存在不规则横向（或环向）裂纹，PE护套老化，在海洋环境气候下，锈蚀的钢丝在交变应力和腐蚀的环境下将产生腐蚀疲劳，裂纹在反复应力和腐蚀相互作用下会加速扩展，最后发展成脆性的钢丝断裂。因此很有必要对吊索进行锈蚀开仓检测。抽查39根吊索，共有14根吊索（占抽查样本的35.9%）存在护套内部进水，开仓后有清水渗出或流出，吊索平行钢丝表面氧化，有轻微锈蚀等病害，如图2所示。 吊索作为桥梁的第二受力体系的组成部分，在荷载传递过程中起到关键作用，应作为悬索桥专项检测的必检项目。采用索力动测仪，利用频率法测试全桥吊索的索力，并对吊索索力进行对称性分析。 从上图3可以看出，吊索索力基本对称，部分吊索存在索力不对称问题。测试期间的交通荷载及铺装更换等，均是导致吊索索力不均匀分布的重要原因。 4. 索夹螺杆预紧力 大跨径悬索桥吊索与主缆的连接方式通常有：骑跨式和销接式。海沧大桥采用了销接式，即吊索利用锚头上的叉形耳板与索夹下部的耳板销接，此时索夹需分成上下两半，两半索夹用高强度螺杆夹紧，接缝处嵌以橡胶防水条防水。高强度螺杆的预紧力随着时间的推移将会出现一定程度的损失，其原因主要有： （1）螺杆预紧力的松弛； （2）在荷载长期作用下主缆直径变小，使得螺杆的预拉变形减小；（3）螺杆螺帽的松动。螺栓的紧固力降低的情况下，在吊索沿主缆方向的分力作用下，可能出现滑移。索夹滑移会造成吊索和加劲梁内力重分布，使滑移索夹的吊索拉力减少，相邻吊索拉力增大，加劲梁弯矩增加，严重时还会造成全桥线形变化引起受力改变。索夹滑移还将损坏主缆防护构造，刮伤主缆钢丝，并导致缠丝鼓包甚至断裂，使原索夹范围内没有缠丝的主缆部分暴露在大气中，从而引起主缆钢丝锈蚀。在运营期间，索夹的滑移是不可逆的，无法恢复，将会给桥梁带来灾难性的后果，因此，必须定期对索夹螺杆残余预紧力进行测试。2016年海沧大桥对全桥25%的索夹残余预紧力进行测试，测试结果发现残余预紧力绝大部分（占抽查样本的94.5%）在设计值的70%以下，其中最严重的螺杆（8根）残余预紧力小于5t，部分测试结果见图4。 我国《公路悬索桥设计规范》（JTG/T D65-05-2015）中对索夹螺杆紧固验算有如下规定“吊索索夹的抗滑系数≥3；索夹首次安装时，索夹上的单根螺杆安装夹紧力Pb与设计夹紧力Pbc的关系是Pb=Pbc/0.7”，即要求残余预紧力不低于设计值的70%[4]。根据测试的结果，现有索夹螺杆残余预紧力不符合规范的要求，同时可以预见到其余未检测的索夹也存在同样的问题，因此对其余75%的索夹也进行了测试，并完成了补张工作，及时消除了安全隐患。 04 钢箱梁疲劳裂纹检测 在车辆荷载反复作用下，钢箱梁疲劳问题将越来越突出。钢箱梁顶 板U肋在车辆交变荷载作用下，存在明显的局部应力效应，且应力 值存在拉压突变，运营期容易产生疲劳裂纹。同时，由于应力集中、施工缺陷等因素，钢箱梁中最薄弱的部位最容易出现疲劳开裂[6]，随着时间的变化裂纹将进一步发展，一旦产生开裂问题而又未能及时地发现与处理，将有可能会给桥梁的安全运营造成严重的安全隐患。钢箱梁疲劳裂纹多集中在焊缝处，通常表现为U肋与顶板焊缝开裂、U肋嵌补段处焊缝开裂、横隔板与纵隔板相交处的焊缝开裂等，同时焊孔处隔板母材也会出现疲劳开裂。焊缝裂纹的普查一般采用目检法与无损探伤法相结合。 为了能监测关键部位疲劳裂纹的发展情况，海沧大桥采用智能涂层式裂缝监测系统对关键疲劳裂缝进行实时监测。其工作原理是智能涂层为电阻性材料，作为被监测基体裂纹敏感的电阻性传感器，其电阻值随着涂层衬底裂纹变化而变化，通过测量智能涂层传感器的电阻值的变化差值，来间接了解被监测点基体的裂纹变化状态。05 混凝土结构检测 混凝土结构专项检测内容中，常规项目主要有：混凝土强度、钢筋 保护层厚度、碳化深度等。混凝土强度测试可以反映桥梁在经过多 年运营和环境浸蚀后，混凝土强度是否满足设计强度要求和材料退化程度。钢筋保护层厚度是评价结构耐久性的指标之一，保护层厚度对结构的耐久性有一定的影响。混凝土的碳化反应最直接的影响就是破坏混凝土的碱性环境，使混凝土中性化，当碳化深度到达钢筋表面，钢筋脱钝发生锈蚀，随着锈蚀的发展，出现顺筋开裂、保护层脱落，钢筋有效截面减小，最终使结构承载能力降低。 预应力筋是桥梁混凝土结构中的主要受力构件，其应力状态将直接决定桥梁整体结构的安全性能。因此，对桥梁混凝土结构进行专项检测时，除了常规检测项目以外，还应对预应力混凝土结构的残余预应力进行检测。 目前，残余预应力的检测方法可分为有损检测和无损检测两大类。有损检测是对混凝土结构进行局部破坏并利用仪器检测计算出截面、预应力筋的应力，主要检测法：有预应力筋直接拉拔检测技术和应力释放法。无损检测主要是利用声、光、电在混凝土结构中表现的物理特性变化来计算预应力筋的应力，主要检测法有：超声波技术、动力检测法、光纤光栅传感器检测法、电磁效应检测法及锚端预应力测试技术。06 悬索桥主缆养护开创性的工作 主缆是悬索桥的主要受力构件，承受桥梁的全部荷载，且在桥梁整 个运营期是不可更换的，因此悬索桥的使用寿命很大程度上取决于 主缆的使用状况。海沧大桥地处海洋环境，受当时施工环境条件和周期的限制，在完成主缆防护体系前腐蚀介质不可避免的进入主缆内部环境，存在锈蚀的高风险。虽然主缆通过防护体系几乎隔绝了钢丝与外界的接触，同时对主缆内部钢丝实际使用状况完全未知。海沧大桥通车运营16年后，为了准确掌握主缆内部真实使用状况，对主缆的养护采取了开创性养护措施，对主缆防护体系进行了“破坏性”的开窗检查以及设置永久观察窗。 1. 主缆开窗检查 如果主缆防护层有渗水情况发生时，在中跨最低点的锈蚀情况更容易被发现，因此，开窗的位置选在该处。同时，相对较低的位置也便于检查，并为后续设置观察窗提供便利条件。开窗检查的工作流程： （1）搭设检查平台。位置选定后，搭设检查平台，并采取必要遮雨措施，以保证在打开主缆防护体系直至设置永久观察窗期间不让雨水侵入主缆。 （2）去除涂装，检查缠丝。在去除涂装前，检查主缆表层的涂层是否存在脱落、起泡、粉化、开裂、鼓包等现象。外观检查完毕后，去除选定开窗节段主缆的表面涂层，检查缠丝是否存在断丝、锈蚀、排列不紧密等缺陷。 （3）去除缠丝，检查腻子防护层。为保证缠丝切割后不出现松散情况，需计算现有缠丝力残余拉力，以确定缠丝焊接长度及焊点布设，采用铝热焊接工艺将检查段缠丝并焊。为保险起见，在开窗节段两端套上抱箍，再去除缠丝。缠丝剥离后，检查主缆内侧腻子状况。 （4）去除腻子、检查主缆表面钢丝。 用软钢丝刷去除主缆表面防锈腻子，对主缆表面钢丝进行检查，观察是否存在断丝及锈蚀现象并拍照记录，见图5。 经检查，主缆整体状况良好，但存在腻子填充不饱满，主缆下部腻子表面存在锈蚀残留物。次外层钢丝未填充腻子处，存在锈蚀现象。 1. 设置永久观察窗 为便于今后对主缆进行持续观察与监测，采用检查窗（见图6）将已开窗的部位重新密封起来，检查窗采用360度全角度视窗，方便观察主缆全周向的表面情况。检查窗上预留温湿度传感器接口，对主缆内部温湿度进行监测。检查窗采用不锈钢和耐候高分子透光板材质，确保长期使用的耐腐蚀性。螺栓孔采用盲孔密封结构，哈夫式结合部位的直缝和环缝贴合主缆，内含弹性密封圈，实现了安装即密封的效果。检查窗上预留空气口、流量计和气压计等接口，方便今后采用干空气对其进行除湿处理。观察窗安装完毕后，必须进行气密性检测。07 隧道运营管理的要点 特长隧道运营管理的一项重要的工作内容是对隧道突发事件的应急处置及救援。根据调查资料，隧道运营阶段的突发事件多为事故灾难。受隧道封闭式空间特性的影响，一旦发生突发事件，极易造成通道堵塞甚至交通中断，人员疏散及救援困难，尤其是火灾事故，火势不易控制、蔓延快，浓烟高温，给隧道内司乘人员进行快速疏散和施救带来了极大的困难。 08 隧道运营风险源辨识 1. 火灾、爆炸风险 当隧道内因车辆事故、车辆自燃、危险品泄漏以及其他原因造成火灾事故时，鉴于隧道封闭式空间的特性，火势在短时间内不易扑灭、隧道内浓烟高温、人员疏散及救援存在一定的困难。因此，火灾事故属于危险事件。事故发生时，必须采取关闭隧道，开启逃生与救援通道的措施。 2. 危险品泄漏 危险品种类繁多，根据危险品运输管理相关条例规定，危险品的运输必须由特种车辆进行装载，装运危险物品的车辆必须严格遵守公安消防部门指定的路线行驶。如在运输过程中发生泄漏、爆炸，或因泄漏引起的火灾事故，将对隧道内通行的车辆和人员造成严重的威胁，对隧道结构安全可能会造成严重的破坏。 3.设备故障 设备故障通常有：供配电系统，通风系统，消防系统，照明系统，抽排水系统等故障。供配电系统是隧道所有机电附属设施正常运行的基本保障，一旦出现大面积断电事故，所有机电设备将陷入瘫痪状态。通风系统能有效地将汽车尾气排出隧道外，保证了隧道内具有比较良好的能见度和空气质量，尤其是在火灾救援时，能将浓烟及时抽排出洞外。对于采用“半包式”防水的水下隧道，由于其允许少量的渗水排入洞内最低点，然后通过抽水系统强制抽排除洞外，因此对于水下隧道而言抽排水系统故障是一个极为重大的风险源。 4.衬砌结构变异 由于隧道围岩具有流变特性，其荷载随时间而增长，隧道支护体系的力学性能会不断降低，隧道二次衬砌将会产生不同程度的变形、开裂等变异影响了隧道的结构安全。 09 风险评估 有些突发事件在发生的初期阶段可能只是一般性事故，但由于处置不当或措施不力，有可能会演变成较大或重大的事故。因此，需要对突发事件分类并对事件造成的危害进行风险分析，确认危险事件，编制相应的应急处置预案。根据事故的严重性、可能造成影响的程度和范围和可控性等围，将隧道运营阶段的突发事件（事故）分为三级：Ⅰ级（危险事件）、Ⅱ级（重大事件）、Ⅲ级（一般事件），见表1。根据突发事件的不同等级制定相应的应急处置预案。 10 应急处置预案编制要点 应急处置预案的设计和组织实施应遵循体系要素构成和持续改进的 指导思想。通常预案体系应包含4个内容：应急临时机构、预案操 作程序、预案演练与培训、预案管理。操作程序是应急预案的核心内容，为所有参与救援处置的部门提供操作行动指南，帮助其准确处理紧急事件。在编制应急预案操作程序时应充分考虑以下9个基本要素： （1）警报确认； （2）启动预案； （3）通知与报告； （4）通讯保障； （5）应急保障； （6）人员疏散与安置； （7）维持秩序； （8）公共关系； （9）善后处理。 为了检验预案的符合性、有效性及缺陷，熟练预案的操作程序，提高处置紧急事件的能力，必须定期组织培训与演练，并持续改进。11 结论 对悬索桥进行结构专项检测时，除了常规检测项目外更应该重点关 注缆索系统的安全运营，尤其是主缆几何线形空间位置变化，索夹 螺杆残余应力测试，吊索PE防护套的开仓检查等问题。主缆作为悬索桥不可更换的构件，其使用状况决定了桥梁的使用寿命，因此为了更为准确的了解并掌握主缆内部锈蚀情况，在条件允许的情况下，谨慎地对主缆进行“破坏性”的开窗检查，设置永久观察窗，长期观测主缆锈蚀的情况。 根据特长隧道运营管理实践，特长隧道在运营阶段更应该关注的焦点是突发事件的应急处置与救援。由于特长隧道具有出入口少、空间断面小、里程长、通风差等封闭式空间特点，一旦发生突发事件，实施救援将受到各种因素的制约。因此，在充分辨识和分析隧道风险源的基础上，编制行之有效的应急处置预案与操作程序尤为关键，并加以培训与实操，持续改进。重要提示 来源：深圳新闻网 |
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