案例分析｜致命灰尘.深圳湾大桥钢缆断裂事件

每个在深圳拼搏的年轻人，都曾试过夜晚走出办公楼。南山区更是如此。

在南山20万名夜幕下归家年轻人的身后，是20万一平深圳湾的房价。

他们就如深圳湾内的潮水，当前浪纷纷退去后，永远都有后浪奔涌而至。

新老交替。唯一不变的，是横跨海岸的深圳湾大桥。

深圳湾大桥鸟瞰图

深圳湾大桥横跨后海湾，由香港流浮山一直延伸至深圳蛇口，全长约5.5公里。大桥于2003年正式开工，并于2007年完工。建成后，深圳湾大桥便持续承担着连接深圳与香港两地的使命。

大桥区域地理位置

深圳湾大桥从边界线分隔为香港段和深圳段两部分，长度分别为3.5公里和2公里。在大桥横跨的海湾上，有两条主要的通航航道。为了不影响船舶的通行，航道区域采用了斜拉桥的形式以避免设置桥墩。其余部分则采用常规多跨混凝土高架桥的形式。

总体布置形式

斜拉桥形式布置以便船舶通行

在建成后的12年内，大桥稳固地屹立于海上。直到2019年2月。

2019年2月15日，一名工程师在普通的例行检查中，发现香港段高架桥内一根钢缆整根出现了断裂。抽出后检查，钢缆断裂位置受到了严重的锈蚀影响。

断裂的钢缆被抽出检查

断裂的钢缆严重锈蚀

断裂钢缆被发现的位置如下图所示。

断裂钢缆的位置

深圳湾大桥的高架桥桥面是单孔的梯形箱梁，箱梁设置有预应力钢缆用于增强承载力。

单孔梯形箱梁示意照片

位于箱梁混凝土内部的钢缆称为“体内预应力钢绞线”，用于承担箱梁的自重以及施工过程中的荷载；位于箱梁外部的钢缆称为“体外预应力钢绞线”，它们穿过箱梁中间的洞，通过锚固块和转向块传递压力，主要是用于承受风力与车辆的重量。

箱梁两侧各布置有4根外部钢缆，这次断裂的是右边的其中一根。

箱梁中断裂的外部钢缆

断裂钢缆的位置特写

每根外部钢缆都是由37束钢绞线组成，每束钢绞线又由7根线钢丝绞合而成。这些钢绞线被密封在一个外径为160mm的高密度聚乙烯(HDPE)管道中，管道内用水泥浆填满密封。

每束钢绞线由7根线钢丝绞合而成

单根外部钢缆横截面

这根钢缆长度约280m，从大桥的P1桥墩一直延伸至P5桥墩。它就是在P5桥墩处的锚头被发现断裂的。

断裂的钢缆长度约280m

在纵断面上，钢缆呈折线型分布。

断裂钢缆纵断面呈折线型分布

跨海大桥由于其重要性，工程上一般预留的富余度都会很大。在这类地标性工程中出现钢缆的整根断裂，更是闻所未闻。

因此，在发现大桥钢缆断裂后，事故原因的调查也立即同步启动了起来。

从前期设计一直到施工，任何一个阶段的细节失误，都有可能最终导致钢缆的断裂发生。没有方向的调查无异于大海捞针。

由于事故过于不同寻常，首先怀疑的是施工过程中监管出现了问题，没有对质量把好关。此时，找负责施工和现场监管人员了解情况是最直接的。于是，调查组访问了负责钢缆施工的专业施工分包，以便取得更多关于当年施工期间的现场实际情况和施工做法。

然而，项目开工距离现在已经过去了十几年。

当时直接参与深圳湾大桥香港段项目的人员要么已经退休，要么已经离开公司，早已联系不上。调查组并未能收集到与断裂钢缆直接相关的第一手资料。

这条线索断了之后，调查工作只能着重研究钢缆的断裂位置，看看能否找到新思路。

钢缆被整根抽出来进行详细观察。

在P5桥墩处，断裂的钢缆大致呈一个倾斜的破坏面。在破坏面的上半部分，几乎所有钢绞线都出现了不同程度的锈蚀；而破坏面的下半部分，则所有的钢绞线都完好如新。

P5处的钢缆呈一倾斜的破坏面

破坏面的上半部分，钢绞线严重锈蚀

锈蚀的钢绞线横截面直径已明显缩小，部分已锈蚀的断口区域，甚至形成了锋利的端部特征。如果用放大镜对断口仔细观察，可以发现断口形状是典型延性受拉破坏造成的“杯锥型”。

破坏的断口呈现出杯锥型特征

在自然界中，当物体受到的拉力过大时，会发生断裂。对于不同的材料，主要可分为两种形态的断裂。

第一种称为脆性断裂，当拉力超过上限时，没有任何征兆，材料在短时间内就会分成两半，如石头，混凝土等材料。

石头的断裂往往是突然发生的

第二种称为延性断裂。当拉力超过上限时，材料并不会突然破坏，而是经过明显的拉伸变形后才会失效。如平时吃的拉面，就是具有超大延性的材料。

拉面拉力超过上限后，出现大幅拉长变形

这两种破坏的断口特征存在明显的区别。脆性材料由于是突然发生断裂，断裂时发生的变形量很小，断口一般呈粗糙的平面；延性材料在破坏过程则中出现了明显变形，材料由于变形会导致横截面的缩小，断口表现出缩小的特征。

延性破坏（左）与脆性破坏（右）的断口特征对比

可以看出，钢缆“杯锥型”的断口正是典型的延性破坏特征。这个关键的细节起码说明了两个问题：一是钢缆的材料直至破坏前都维持着良好的性质，锈蚀并没有引起钢绞线 发生脆化；二是钢绞线确实是在均匀受拉的情况下断裂的，并不是因为受力不均而出现剪切破坏。

通过这个发现，可以基本排除材料先天缺陷或受力不均的原因。钢缆之所以出现断裂，很大可能是长期锈蚀下使钢绞线截面不断变小，最终导致截面的抗拉性能小于钢缆受到的拉力。那么，现在的重点问题集中在：

为什么在水泥浆包裹下，钢缆仍会出现锈蚀？

从断裂钢缆的内侧面观察，发现了锈蚀的钢绞线上不均匀地附着有一些白色粉末。经过化验，这些都是水泥返碱的产物。

钢绞线上附着的白色粉末

返碱是水泥水化产生的氢氧化钙，随着水分从内部迁移到表面，水分蒸发氢氧化钙结晶析出形成的白斑。返碱的形成有两个主要条件：

（1）水分能迁移到水泥的表面；

（2）表面的水分有蒸发的条件。

如果钢绞线完全被水泥浆密实包裹，是没有办法达成这两个条件的。只有在钢缆内部没有完全被水泥浆填满，又与外部空气连通的情况下，返碱才有发生的可能。

这个发现意味着，P5处的钢缆施工时可能并没有被水泥浆填满，且没有做好密封。

为了调查这个可能性，P1桥墩处没有断裂的钢缆也被拆卸下来进行对比。与P5处的钢缆仅有一些白色粉末不同，P1钢缆37根钢绞线都均匀地被白色胶凝体所包裹，这些都是凝固后的水泥浆体。钢绞线也完全没有出现锈蚀。

P1桥墩处的钢缆被白色胶凝体均匀包裹

被拆卸下来的P1处钢缆，与P5位置钢缆相同，位于大桥桥墩处，并设置有锚头。锚头主要作用是固定预应力张拉后的钢缆。

锚头详细构造

值得注意的是，锚头处设置有一根塑料排气管。这根管是灌水泥浆时的排气管，用于排走HDPE管内的空气，以令水泥浆内部不会残留有气泡。灌水泥浆时，如果观察到有水泥浆从排气管中流出，则证明水泥浆已经完全填满。

把P1位置处钢缆的排气管拆出观察，可以发现内部填有凝固的水泥浆体，这与P1钢缆的钢绞线完全被水泥浆体包裹的事实是一致的。

P1钢缆锚头，左上侧的塑料管即为排气管

P1锚头处的排气管，内部有凝固水泥浆体

与之相反，P5锚头处的排气管则没有发现凝固的水泥浆，仅在孔口发现一些残余的灰尘。

P5锚头处的排气管

P5锚头排气管没有发现水泥浆，仅有一些残灰

这是一个关键的发现。进一步验证了P5钢缆没有完全被水泥浆填满的猜想。

排气管的残灰被提取样本进行化学分析，以了解其物质组成。通过电子显微镜（SEM）与X射线能谱分析（EDAX），残灰主要由两部分物质组成。

电镜与能谱分析

第一部分是灰尘和铁粉的混合物，可能是钢绞线安装和施加预应力后，钢绞线脱落下的产物。这种混合物在P5锚头的喇叭口底部也找到了类似的物质。

锚头喇叭口也找到了类似的残灰

另一部分则是水泥浆，但是却有很高的水灰比。这种高水灰比的水泥浆，应该是返碱时水泥表面的泌水混合物。

多方面证据下，P5钢缆处没有填满水泥浆的可能性越来越大。

之所以没有填满，关键就在排气管和喇叭口发现的残灰。

为了进一步确认水泥为什么没有填满钢缆管道内部，需要先找到水泥浆是从哪里注入钢缆的。

对现场进行踏勘后，在钢缆HPDE管道外表面上找到了水泥浆注入点的痕迹。通过对比施工方案，事发钢缆的水泥浆注入点位于P2桥墩与P3桥墩之间的低点。也就是说，水泥浆从该位置处被注入，最后从锚头处的排气管排出，从而填满整根钢缆。

找到的水泥浆注入点痕迹

水泥浆注入点位置示意

在水泥浆被注入之前，要先完成以下几道工序：

完成以上5步之后，接下来就是正式注浆工作。在P2和P3之间的低点压入水泥浆。水泥浆沿着管道通过P3，P4向P5移动。

正式注浆施工

将水泥浆从钢缆低点压入后，直到水泥浆从排气孔排出并稳压一段时间，管道内的注浆工作就算完成了。然而，根据之前调查的发现，事发钢缆内部的注浆情况并未按预期发生。

实际上，当水泥浆浆体沿钢缆管道流动，接近锚头P5时，受沿途管道侧壁阻力的影响，以及处于流动上升段，水泥浆的压力沿管道逐渐下降。

水泥浆压力在流往P5时逐渐下降

由于P5附近水泥浆压力的下降，导致流动速度降低。然而，水泥浆压入点的注浆压力并不会因此降低，两者之间的压力差，使得在P5锚头附近出现了涌浪效应。

海岸的涌浪现象

涌浪效应令P5锚头处的空气和水泥浆混合物产生震荡，卷起了喇叭口底部的残灰，残灰进而被冲进了塑料排气管，造成了排气管的堵塞。这就是为什么会在排气管内找到属于喇叭口底部的物质。

水泥浆在P5锚头处的涌浪效应

距离P5锚头处最近的出浆口位于横隔梁外，在看到这个出浆口稳定流出浆液后，便误以为水泥浆已经填满了整个管道。最终，导致喇叭口位置处残留下一个气穴。气穴与水泥浆的交界面，应该就是P5钢缆倾斜的断裂破坏面。这也是为什么在钢缆破坏面内部，会发现有水泥的返碱。

残留的气穴

堵塞在排气管的残灰是致命的。如果残灰颗粒再大一点，也许就不会冲进排气管；如果颗粒再小一点，也许就能在压力下直接冲出排气管。

可惜，没有如果。

如前面分析，在钢缆管道内部注浆过程中，由于喇叭口底部的残灰被冲进了排气管造成堵塞，P5锚头处的空气未完全得到释放，在施工结束后形成了残留气穴。

在空气水泥浆表面泌水的作用下，未被水泥浆包裹的上部钢绞线逐渐发生了锈蚀。当钢绞线锈蚀到一定程度后，不断缩小的截面再也无法承受拉力，最终引发了整体拉伸断裂。

在空气和水的作用下，钢绞线严重锈蚀，最终引发断裂

另外，注浆点与锚头的距离过远则进一步助推了事故从偶然转变为必然。

断裂钢缆长度约为280m，注浆点位于距锚头P5约170m处。在注浆过程中，水泥浆需要通过具有多个曲率变化的折线型管道，从而更容易发生沿管道的压力损失。如果距离没那么远，或者管道不是折线型布置，即使残灰堵塞了排气管，水泥浆的压力没有过多损失，可能就会有足够的压力把残灰压出排气管，管道内的空气就能得到完全释放。

最终事故很可能就不会发生。

在钢缆断裂后，调查组对高架桥的设计方案进行了全方位的审核，包括所有计算分析和设计图纸，以检验大桥的安全性能是否有受到明显影响。

幸运的是，大桥的设计足够保守。对于外部钢缆，即使任意两根钢缆发生了断裂，桥梁也不会发生整体倒塌。

这再一次说明了桥梁工程中冗余度的重要性。

即使旁边再断一根钢缆，桥梁也不会出现整体倒塌

10，后续

事故发生后，大桥高架段立即紧急封闭。

随后一个月内，完成了断裂钢缆的更换。