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鐵路橋梁水下墩臺基礎是如何進行檢測
閱讀：566 發(fā)布時間：2024-1-10鐵路橋梁水下橋墩的使用條件和使用環(huán)境比水上結構更為惡劣，極易造成損傷和發(fā)生病害，從而導致橋梁承載力和耐久性降低，嚴重時危及鐵路行車安全和運營壽命。部分鐵路橋梁水下橋墩因使用年限長、周邊環(huán)境變化大、人為采砂等原因，尤其是受暴雨、洪水、浮冰撞擊等影響，不同程度地存在著安全隱患。
1國內外研究現狀
國外橋梁水下墩臺基礎的安全檢測與監(jiān)測有明顯的固定化、自動化趨勢，并且逐步建立了相應的報警機制，橋梁運營單位能及時了解橋梁水下墩臺基礎的安全問題。
2水下墩臺基礎常見病害
鐵路橋梁水下墩臺基礎的病害主要是由設計、施工、管理維護、自然環(huán)境、人為因素等多方面原因造成的，其主要的常見病害有混凝土表觀病害、沖刷病害、變位病害和其他病害，水下橋墩病害如圖1所示。
2.1 表觀病害
鐵路橋梁水下橋墩絕大多數是鋼筋混凝土、混凝土和磚石砌筑而成，受上部結構荷載或基礎缺陷的直接影響，易產生損壞。在船舶撞擊或漂浮物沖擊等突然外載作用下，水下橋墩會產生局部破損，造成材料剝落或者剝離，還易受干燥、潮濕、寒暑、凍結、冰融等氣候條件以及海水、工業(yè)腐蝕性水等的作用而產生病害。建筑材料隨使用時間的增長也會老化。常見的水下橋墩表觀病害有以下幾類:
1)表觀裂縫。造成裂縫的原因主要有材料、施工、環(huán)境、結構與荷載等，混凝土裂縫根據縫寬和縫深可以分為龜裂或細微裂縫、表面或淺層裂縫、深層裂縫和貫穿性裂縫。工業(yè)腐蝕性水、感潮河段極易產生裂縫，此外施工不當、運營維護不到位、基礎不均勻沉陷、溫差影響、局部應力等原因都可造成表觀裂縫。
2)混凝土表面的蜂窩麻面、骨料外露和疏松脫殼。這些主要受水流沖蝕、磨損作用而形成，影響結構的耐久性和安全性。
3)混凝土表面的孔洞、銹蝕露筋。這類病害往往是由施工原因造成，受水流沖刷、水中酸根離子的侵蝕，鈣離子由內向外擴散導致氫氧化鈣溶解，引起混凝土強度和密實度下降，影響結構的承載能力和對鋼筋的保護作用。
4)混凝土破損、刮擦。這類病害是由多種原因引起的，例如機械、船舶、漂流物等的撞擊。
5)水生物侵襲。感潮河段混凝土表面滋生的海生物及內陸河段滋生的微生物造成混凝土腐蝕。
2.2 基礎沖刷
基礎沖刷是水下橋墩的重要病害形式。橋墩及基礎影響原水流的方向，導致水流在基礎周圍迅速改變，帶走基礎下面及周圍的土，引起沖刷病害。沖刷會改變結構的受力狀態(tài)，對橋梁的使用安全有顯著影響。沖刷形態(tài)分為一般沖刷與局部沖刷2種。一般沖刷通常由河道輸沙不平衡或泥沙超限開挖所致，局部沖刷主要由建造水工結構物所致。橋墩結構屬于水工結構物，其基礎沖刷屬于局部沖刷。
2.3 結構變形
混凝土結構變形包括長期變形和短期變形2 種。長期變形是由外部條件緩慢變化和收縮、徐變等混凝土固有性質所致。外部條件緩慢變化包含地基下沉、地基變形引起的性殘余變形等情況。而短期變形是外力作用下產生的塑性變形，如結構在交通荷載、地震荷載、船撞等外力作用下發(fā)生的塑性變形。結構下沉、傾斜等變形影響構件的受力狀態(tài)，當變形過大時，直接影響橋梁的使用安全。
2.4 其他病害
設計時橋位選址、橋墩結構形式、尺寸選擇不合理，以及結構調治物、防洪設施等未按要求設計或設計不合理，對橋墩結構的安全性會產生不利影響。施工原材料選擇不當、質量不可靠等原因會造成橋墩的耐久性降低。施工時水下質量難以控制，造成質量缺陷又不易被發(fā)現，從而對橋墩的使用造成影響。
3水下墩臺基礎檢測內容和方法
在大量檢測實踐的基礎上，研究確定了水下橋墩檢測的6項主要內容:外觀檢查、結構測量、地形地貌、水文檢測、無損檢測和振動測試。
3.1 外觀檢查
1)表觀狀態(tài)，包括外觀輪廓、平整度、表面附著物、淤積物。主要方法為潛水員水下摸探、目視檢查、水下照相、水下錄像等。通過潛水員的目視檢查結合水下錄像，能夠及時反饋水下結構的使用情況。
2)裂縫，主要檢測裂縫部位、數量、走向、長度、寬度、裂縫開裂部位鋼筋銹蝕及析出物，并了解裂縫的變化情況，一般采用目視檢查配合水下錄像。裂縫長度可用鋼尺檢測，寬度用塞尺、測縫計、讀數放大鏡等工具進行檢測，裂縫深度可采用鉆孔取芯法。
3)混凝土損傷，主要檢查剝蝕、沖蝕、疏松以及表面磨蝕、空蝕情況的面積和深度等。混凝土損傷宜采用專用工具測量，水下檢測常用的設備儀器及工具包括水下攝像系統(tǒng)、鋼尺和卷尺。
4)鋼筋銹蝕，主要檢查外露鋼筋的外露部位、鋼筋分布、外露數量、銹蝕面積、銹蝕程度。鋼筋銹蝕宜采用專用工具測量，水下檢測常用的設備儀器及工具包括水下攝像系統(tǒng)、鋼尺、卷尺和游標卡尺。
5)孔洞/蜂窩麻面，主要檢查混凝土孔洞/蜂窩麻面所在的部位、面積、深度等。宜采用專用工具測量，水下檢測常用的設備儀器及工具包括水下攝像系統(tǒng)、鋼尺和卷尺。
3.2 結構測量
水中結構在施工時一般條件較困難，施工精度也不易控制，施工完成后的結構物可能與原設計有一定的誤差。通過對結構的外形輪廓尺寸進行測量并與原設計對比，掌握結構實際的結構尺寸和使用狀態(tài)。
1)墩臺、基礎外輪廓尺寸
主要測量結構的長度、寬度和高度，圓形或圓端形橋墩測量其周長或直徑，繪制得到結構的三維尺寸。宜采用專用工具測量，水下測量常用的設備儀器及工具包括水下攝像系統(tǒng)、鋼尺和卷尺。
2)橋墩垂直(傾斜)度
一般橋墩為軸向受壓或偏心受壓結構，在豎向保持豎直(特殊設計的結構除外)，測量橋墩墩頂橫橋向中心、縱橋向中心與水面位置對應處的坐標，用于判斷其豎向是否傾斜。橋墩垂直(傾斜)度宜采用幾何測量法、垂線測量法、光學測距等間接測量方法，或通過測量水中墩臺及橋跨結構形態(tài)參數的變化推定其變位的方法，常用的設備儀器及工具包括全站儀、經緯儀、水準儀、傾斜儀等精密儀器。
3.3 地形地貌
1)河床斷面測量(水深測量)
河床斷面測量是河道地形測量的主要內容，包括縱斷面測量和橫斷面測量。河道橫斷面測量的主要任務是測量出河道斷面線上的各個地形點的高低起伏情況，并繪出河道橫斷面圖，以掌握鐵路橋梁橋墩基礎沖刷情況和橋址處河道變遷及河床沖刷、淤積情況，對孔徑渡洪能力作出評估，同時為水文檢算提供依據。通常鐵路橋梁河床斷面測量任務是分別對橋址處和橋軸線上下游各25 m 處橫斷面進行測量，并繪制河床斷面圖。岸上河床斷面測量相對簡單，可以用智能定位儀直接測取測點的三維坐標。水中河床斷面測量均需要采用沖鋒舟等水上交通設備，通常采用雙頻測深儀和智能定位儀聯(lián)測、便攜式測深儀和智能定位儀聯(lián)測、便攜式測深儀和全站儀聯(lián)測、智能定位儀直接測量等測量方式。
2)地形地貌測量
對橋位處及上下游一定范圍內河床地形地貌進行掃測，并生成河床的地形、地貌三維圖像。其目的是:①全面掌握橋位范圍內河床的地形地貌，有無沖刷、淤積，河床的變化情況和河床覆蓋層的土質特征;②查找橋基有無局部沖刷、淘空病害、周邊有無堆積物、拋填物等;③取得詳細的河床標高，為潛水輔助裝備的安裝提供可靠依據。地形地貌測量宜采用多波束測量法，常用儀器設備及工具包括檢測船、多波束測深系統(tǒng)、小型發(fā)電機、卷尺等。有特定要求時，可選用三維成像系統(tǒng)檢測。
3.4 水文檢測
1)水流速度檢測。測量橋位處的水流速度，為判定橋墩處的沖刷狀態(tài)提供依據，同時也作為潛水員下水探摸時機的依據。水流速度檢測宜采用浮標法和流速儀測量法，常用儀器設備及工具包括檢測船、浮標、旋槳式流速儀、聲學多普勒流速剖面儀。
2)渾濁度檢測。測量橋位處水的渾濁度，為判定橋墩處的沖刷狀態(tài)提供依據，同時也作為潛水員下水探摸時機的依據。渾濁度檢測宜采用濁度儀。
3)腐蝕性物質含量檢測。提取橋位處的水樣，化驗水中的腐蝕性物質。腐蝕性物質含量檢測宜采用氯度分析法和鹽度計法，常用儀器設備及工具包括氯化物測定儀、鹽度測試儀。
4)水流流向觀測。根據河面上的浮標或漂浮物的流向來判斷水位流向。
3.5 無損檢測
無損檢測是判斷結構使用狀態(tài)的輔助手段，對于長期位于水位以下的結構目前較難直接進行無損檢測，如混凝土強度、碳化深度、鋼筋分布、鋼筋銹蝕檢測等。但對于水面以上、水位變動區(qū)域在條件允許條件下可以進行無損檢測。
1)混凝土強度。可采用回彈儀測量結構表面的回彈強度，必要時可鉆取混凝土芯樣制成標準試件測得混凝土抗壓強度。
2)碳化深度。采用酒精酚酞溶液測量混凝土結構的碳化深度。水下混凝土不受碳化作用。
3)鋼筋分布及保護層厚度。采用鋼筋探測儀探測墩臺、基礎的鋼筋布置情況及保護層厚度，常用儀器為鋼筋保護層厚度測定儀。
4)鋼筋銹蝕。采用半電池電位法測試結構內鋼筋的銹蝕情況，常用儀器為鋼筋銹蝕儀。
3.7 檢測項目劃分
按照檢測項目可分為一般檢測項目和專項檢測項目2種。
一般檢測包括表觀狀態(tài)、裂縫狀態(tài)、混凝土損傷、鋼筋外露銹蝕、混凝土蜂窩麻面等。此外，還包括結構的外輪廓尺寸、河床斷面及地形地貌，橋位處水的流速及渾濁度。必要時，應調查缺陷發(fā)展變化過程、基礎和結構的變形情況。
專項檢測包括橋墩垂直度測量、水中腐蝕性物質含量檢測、無損檢測及振動性能測試等。
4檢測案例
2016年以來，陸續(xù)開展了26座鐵路橋梁水下橋墩的檢測，發(fā)現了破損、裂縫、孔洞、鋼筋外露、鋼筋銹蝕、沖刷、掏空等多種病害。
4.1 外觀病害
水下橋墩外觀檢測時，潛水員攜帶水下攝像系統(tǒng)的攝像頭和照明設備，對水下橋墩外觀質量進行初步檢查、摸探和攝像。然后組織潛水員和專業(yè)技術人員對病害和關鍵部位進行詳細檢測，利用鋼尺等小型工具對病害尺寸進行測量，詳細記錄病害的位置、形狀、數量等，水下攝像系統(tǒng)見圖2。
4.2 橋墩沖刷
使用船載多波速測深系統(tǒng)對橋墩周圍河床進行掃測，發(fā)現有沖刷、淤積等情況時，再由潛水員水下采用碼桿尺等輔助工具進行目視、探摸和水下攝像檢測，通過2 種檢測方法測量數據比對確定沖刷的面積和深度。檢測儀器設備和檢測出的沖刷病害見圖3。
圖3 沖刷檢測儀器布設及橋墩沖刷病害
多波束測深系統(tǒng)掃測成果圖中，不同的水深用不同的顏色顯示，從圖上可以直觀地對河床沖刷、淤積情況進行初步判斷，同時可以通過抽取任一特定斷面的水深數據繪制成河床斷面圖，通過河床斷面圖對比分析，得到精確的沖刷、淤積深度。
1.1 反自然枯洪規(guī)律 三峽工程建成后，冬季蓄水發(fā)電，夏季泄水防洪，庫區(qū)水岸由原來的冬陸夏水變?yōu)槎年懀◣烨昂髱靺^(qū)的生態(tài)環(huán)境發(fā)生極大的變化。
4.3 水下地形測量
河床斷面測量利用中海達iRTK 定位儀和HD-380雙頻測深儀進行測量。測量地點在橋下、橋梁承臺或基礎外緣及上下游各25 m 的5 個斷面上進行，并利用南方cass繪圖軟件繪制河床斷面圖。測量時，iRTK 定位儀和HD-380 雙頻測深儀需要安裝在船舷一側水流較穩(wěn)定的位置，測深儀現場安裝如圖4(a)，測得的某橋梁河床斷面對比分析圖見圖4(b)。
4.4 水文檢測
1)流速測量
水流速度采用轉子式流速儀測量，水流速度測量的目的主要是積累潛水員下水進行檢測作業(yè)時的水流速度數據，判斷檢測區(qū)域水流是否適合潛水員作業(yè)。經過近3 年的水流速度檢測數據積累發(fā)現，水流速度小于0.75 m/s時，潛水員可以正常下水作業(yè);水流速度大于等于0.75 m/s且小于1.5 m/s時，潛水員不宜下水作業(yè)，在配備其他輔助潛水設施確保安全的前提下潛水員可以下水作業(yè);水流速度大于1.5 m/s 時，潛水員無法下水作業(yè)。
2)濁度測量
渾濁度采用濁度儀測量。濁度測量的目的主要是測量記錄潛水員下水作業(yè)時的水下能見度情況，為判斷檢測區(qū)域水下渾濁度是否滿足潛水員水下目視和攝像檢測要求提供數據參考。
在檢測實踐的基礎上，通過試驗得出，在照明充足的情況下，適合潛水員水下目視作業(yè)的最大濁度為80 NTU。當濁度大于80 NTU 時，潛水員目視檢測能見度會受到很大限制，工作效率也會極大降低。當水下能見度低不易直接采用水下攝像檢測時，可采用清水箱(圖5)輔助攝像的方法得到清晰的水下照片。