强涌潮海域的下部结构监测技术

图1  杭州湾跨海大桥海中平台匝道桥实景

在桥梁的管理养护工作中，一部分管养单位存在着重视上部结构，轻视下部结构的思想，且桥墩、基础等下部结构的检测养护工作也存在着难于到达、手段不够丰富、病害较为隐蔽等特点，上述原因导致下部结构的养护工作比较薄弱。

但桥墩及基础起着把上部结构荷载传递到地基的作用，是桥梁的重要组成部分，对结构的安全性和耐久性有着关键的影响。不少桥梁的下部结构都出现了严重病害，有时在偶然的极端荷载作用下，甚至危及桥梁的安全运营。

2010年8月19日，四川安县先林大桥由于基础掏空，导致桥梁垮塌。2013年7月9日，绵阳青莲盘江大桥由于洪水冲刷掏空基础，导致桥墩倾斜，最后桥梁垮塌。

由此可见，桥梁下部结构的检测评估的问题研究，对我国既有桥梁结构的安全性和经济性具有非常重要的意义。近年来，道路建设和维护部门在桥梁的维修、加固以及承载能力提升等方面做的工作在逐年增加。正确检测既有桥梁下部结构的现状，给出桥梁现在及以后一段时间内的工作性能，有利于交通建设决策部门对桥梁的维护工作做出经济合理、切实有效的决策。

本文结合杭州湾跨海大桥海中平台匝道桥检测项目，针对本桥下部结构为独柱墩，且位于强涌潮海域的特点，对桥墩检测技术做了简要的总结，并对结构技术状况进行了评估，为桥梁的科学养护提供了依据。

杭州湾跨海大桥海中平台匝道桥分A、B、C、D、E五部分，结构设计基准期50年。上部结构为钢箱梁，下部构造均采用桩、柱一体结构，桩基础采用直径2.0m钻孔摩擦桩，上接直径1.8m的圆柱墩身。A匝道横向为两个分离式单桩单柱结构；B、C、D和E匝道均为单桩单柱结构，部分墩柱与上部钢箱梁固结。

大桥位于钱塘江的入海口处，属于强涌潮海域，而且海中平台匝道桥桥面坡度较大，下部结构为单桩单柱结构。上述条件使其与其他桥梁相比呈现出以下三方面特点：

（1）基础冲刷受潮水影响较大；

（2）人员很难借助桥梁检测车等设备到达检查部位；

（3）在强海潮的作用下桥墩有一定的横向摆动。

因此，桥墩检测的主要内容为：桥墩区域的水下部分检测、外观检查、桥墩横向位移监测。具体检测方法如下——

水下部分检测

（1）桥墩处河床断面测量

河床断面测量采用GPS卫星定位系统和声呐探测FD仪进行测量，GPS系统主要测量海面高程度及测量船的航迹，声呐探测仪主要量测水深，从而求得海床面的高程，绘制桥墩墩台处的水下地形。水深测量点位采样间距为4m，测深精度10cm以内。测深断面航迹线与设计航迹线偏离不大于2m（通过GPS定位），测图比例关系1：200。

（2）水下墩台型式检测

由一名潜水员潜至墩台水下部分，对其进行观测和探摸，然后用卷尺对构件的各个尺寸进行测量，以描绘墩台水下部分的型式并绘制成图。

（3）基础冲刷情况检测

潜水员潜至检测部位，对河床的冲刷及基础的暴露情况探摸，对冲刷范围和基础暴露部位进行测量，并选择有代表性的区域进行拍照，检测选择在平潮时进行。

（4）水下结构外观状况检测

检测时，潜水员从结构一个侧面下水，对结构的外观情况由上至下进行全面检查，检查至泥面时，潜水员沿结构转变80度，对另一个侧面由下至上进行全面检测，并记录外观缺陷位置、大小等。对于缺陷比较严重的位置，由另外一名潜水员进行复核，并对严重缺陷部位进行拍照。检测内容包括有无开裂、露筋、剥落、空洞及颈缩等。

图2 潜水员水下探摸

图3 多波束水深网格图

外观检测

由于本桥桥面坡度较大，检测人员难以借助桥梁检测车等设备到达检查部位，为此在外观检查中采用了新型视频检查系统，对全部桥墩的外观状况进行了检查。

该视频检查系统工作方式：设备上部架台固定在桥梁两侧的栏杆上，通过自由伸缩拉杆将带有视频摄像设备云台放到桥面以下，对结构进行检查。其比较显著的优点是:

（1）检查结果清晰，能较为准确地分辨出结构的病害，满足检测要求；

（2）设备简便、可靠，安全风险性小；

（3）可以对全桥病害进行比较准确的坐标定位，方便每次定期检查时观察病害发展情况；

（4）设备使用时不占用交通，不影响桥梁正常运营。

图4 视频检查系统检测照片

横向振动监测

在潮水作用下，匝道桥中的部分桥跨有较为明显横向振动。为了比较全面地掌握桥梁横向振动情况，选择在潮水较大时间段对桥墩横向位移进行测试。测试内容主要为:非接触式光电挠度仪测量位移；位移测试采用非接触式光电测量方法，测试设备为光电挠度仪。测试时将测站设置在海中平台附近，靶标设置于测试桥跨处，利用光电挠度仪测量出测试方向与桥轴向的夹角和桥梁垂直于测量方向的振幅，通过三角函数关系可以得到桥梁的横向振幅。

水下探摸结果

（1）E18、E19号墩桩基与立柱结合位完好，桩身整体结构完整，表面有钢护筒外包，未发现病害。

（2）受水流局部冲刷的影响，E17#、E18#、E19#墩处河床面高程，相对于桥墩外的河床面高程明显要低。E17号墩附近实测河床高程约为-21.06m，E18号墩附近实测河床高程约为-21.65m，E19号墩附近实测河床高程约为-21.52m，高于设计文件所提供的运营期冲刷后高程-27.8m，满足设计要求。

图5 河床断面扫测结果

外观检查结果

（1）橡胶支座工作正常，除局部轻微锈蚀之外，未发现其他病害。

（2）独柱墩状况良好，除个别桥墩局部涂层脱落，未发现其他病害。

（3）钢箱梁涂层状况良好，未发现锈蚀现象。

横向振动监测结果

在测试时间段内，匝道桥部分桥跨在潮水作用下能感觉到比较明显的横向晃动。根据以往对桥墩振动频率的测试结果，E匝道第四联横向最大振幅为13mm，D匝道第四联横向最大振幅为11mm，历年实测结果基本一致。

潮水作用下，桥墩的横向振动频率大致在0.5Hz左右。在国内外的相关规范中，人体对振动的敏感频率范围如表1所示。由表中数据可以看出，匝道桥在潮水作用下的振动频率与人体对振动的敏感频率范围非常接近。因此，尽管匝道桥的横向振幅在合理范围内，但人员在桥上行走时，大潮时期仍然能感觉到比较明显的晃动。

按照《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H21-2011）对杭州湾跨海大桥海中平台匝道桥桥梁技术状况进行评价。采用分层综合评定法，该方法依据桥梁检测结果，考虑桥梁各部件权重以及桥梁重要部件的关键病害，对桥梁各构件缺损状况进行综合评定，确定桥梁的技术状况等级。

桥梁下部结构技术状况评定公式为：

根据上述公式，并依照检测结果和规范，对五个匝道桥的下部结构进行技术状况评分，其评定标度为1类。

在桥梁的养护工作中，下部结构检查由于受检测条件、检测手段的限制，往往没有得到足够重视，今后仍有待加强。在旧桥检测方面，应加强新技术和新设备的应用，如声发射、磁分子和磁漏等，使检测工作更加高效，检测结果更加准确、直观、科学。

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