高速公路桥梁与隧道病害检测与维护措施

彭涛 李彭

针对目前高速公路桥梁和隧道的运营现状，阐述了公路桥梁与隧道中常见病害及相关检测维护技术。提出采用智能技术进行基建工程病害的检测与维护，并加强日常的监管，从而将病害遏制于萌芽中，最大程度降低运营成本，推动地区经济发展。

高速公路； 桥梁工程； 隧道工程； 病害； 检测维护技术

U446.3、U456 A

［定稿日期］2021-12-21

［基金项目］一流学科土木工程建设项目（项目编号：XKDM0814）；校级科研项目（项目编号：2022QN25）

［作者简介］彭涛（1991—），男，硕士，助教，主要从事桥梁与地下工程教学工作。

桥梁工程与隧道工程从修建之初到运营中，会出现相关病害，这些病害有些是肉眼直接能看得到的，有些是需要借助仪器设备才能观察得到。随着使用时间延长，桥梁与隧道工程会出现老化、结构病变等问题（图1），如果这些问题不加治理，会影响结构的使用寿命和增加工程后期养护成本［1］。

图1中仅列举了典型桥梁与隧道工程的病害，这些病害严重了影响了后期的运营。基于此，采取一定的检测维修技术迫在眉睫，做好相关的评定工作和维修工作，确保高速公路桥梁工程和隧道工程安全营运。

1 桥梁工程

众所周知，桥梁工程主要包括桥面系、上部承重结构和下部结构等组成部分。其中，桥面系包括桥面铺装、伸缩缝装置、排水系统和防撞护栏、中央分隔带等；上部结构包括主要承重构件、一般承重构件和端头支座等；下部结构主要包括墩柱、盖梁、两边桥台及基础等［2］。在整个桥梁结构中，上部结构主要承载且最易发生病害，桥面伸缩缝橡胶带结构薄弱且经受常年风化，太阳辐射也容易损坏；下部基础属于隐蔽工程，因为主要起传递荷载的作用，检测的频率也较低。高速公路中运营的桥梁主要病害也主要发生在上述相关部位，具体概括如下。

1.1 常见病害

1.1.1 桥面系病害

桥面系与桥头两端道路密切联系，桥头两端路基出现相应缺陷也会导致桥面系病害，两端路基病害主要有：路基整体性下沉、因台背填土施工不规范导致桥头跳车、路基两侧边坡塌陷下沉和挡土墙病害等。桥面道路主要病害有：路面裂缝、路面下沉和变形等。然而，在桥面系施工中，伸缩缝经常不被引起重视，导致其在运营中出现相关的质量缺陷，具体病害有：止水带堵塞、破损，伸缩缝周围混凝土破损（图2），伸缩缝型钢裂变和型钢挤坏等。

1.1.2 上部结构病害

桥梁上部结构一般由梁、板、肋等组成，作为桥梁承载的主要结构，在运营中也会出现比较明显的病害。上部结构结构病害类型与桥梁结构类型有关，在高速公路中以预应力梁桥和简支梁桥居多。将病害概括起来，主要有：梁板混凝土结构裂缝、蜂窝麻面、混凝土剥落、出现空洞和破损露筋，梁或板间混凝土渗水泛碱、铰缝脱落及渗水白化、钢筋锈蚀、涂层老化、挡块开裂、破损露筋等。

其中，对于预应力梁桥出现裂缝居多，包括板底纵向裂缝和板底横向裂缝，产生纵向裂缝的主要原因是预应力钢筋或钢束保护层厚度不够以及底板横向抗弯承载能力不足等；产生板底横向裂缝的原因是预应力损失，造成承载能力降低和正弯矩过大等都会导致板底横向开裂。对于简支梁桥主要以混凝土剥落、破损露筋和挡块开裂居多，究其原因为简支梁桥跨中弯矩较大，底部混凝土受拉，长期荷载作用下出现混凝土剥落露筋，挡块有时会因为地基不均匀沉降导致受挤压而出现破损开裂。

1.1.3 下部结构病害

下部结构中的桥墩主要将上部结构荷载传递到基础，基础再将荷载传到大地，路堤桥台除了将上部结构传递到基础外，还要承受上部结构荷载、衔接桥梁端侧路堤和抵抗台后填土压力等。

由于桥梁下部结构不仅要传递荷载，同时还有抵抗荷载，在运营中也会出现相应病害。其中，基础工程主要包括刚性扩大基础和桩基础，刚性扩大基础主要病害类型有：基础下沉、基础滑移、基础倾斜、基础开裂和基础冲刷等；桩基础主要病害形式有：桩基发生挠曲变形、桩身混凝土剥落、桩基钢筋锈蚀、桩基失稳和不均匀下沉等。高速公路桥梁桥墩主要以重力式桥墩和桩柱式桥墩为主。其中，重力式桥墩主要病害类型有：墩身下沉变位、墩身开裂、墩顶混凝土破损、墩身混凝土破损和墩柱钢筋锈蚀等；桩柱式桥墩主要病害有：盖梁开裂、盖梁局部破损露筋、盖梁渗水及钢筋锈蚀、立柱混凝土破损露筋及钢筋锈蚀等。

高速公路中桥梁出现的病害的主要原因概括起来就2点：①建设中的原因，包括桥梁结构设计不合理，施工不规范，没按相关要求施工；②建设后的原因，桥梁在后期运营中，包括外在自然作用和汽车荷载及轮胎磨损等影响因素。

1.2 检测与维护措施

桥梁检测不仅是检测其本身问题所在，而且还要对病害加以整治，并为以后桥梁施工水平的提高有重要意义。在桥梁检测中，依照相应的标准进行评估，具体如表1所示。现有桥梁维修的一个重要方面是能够充分、准确地评估结构的状况［3］。状况评估可通过多种方式进行，包括潜在损害程度和基本功能等，并为进一步的维修决策提供依据。

1.2.1 常见高速公路桥梁检测方法

目前，关于高速公路桥梁工程病害检测手段，概括起来主要有外观检测和内部缺陷检测2种［4］。其中，内部缺陷检测包括动静荷载检测法、混凝土无损检测、混凝土半无损检测法。混凝土的无损检测方法主要针对桥梁完整性和强度进行检测，它包括表面硬度法、超声脉冲法、瞬变电磁法、回弹检测法和保护层厚度检测法等。由于超声脉冲能有效判断混凝土强度和断裂位置，在实际高速公路桥梁检测中法应用较广泛。因为高速公路桥梁中的大部分病害都可通过肉眼直接观测到，外观检测便成为了常用检测手段。

1.2.2 相关维护措施

桥梁检测是为后面的维护保养作准备，主要采取的养护措施包括加固措施和维修措施。常用加固措施有结构性和非结构性加固措施。结构性加固措施主要用于上部结构病害治理，可根据具体情况采取相应措施，对于跨度较大的预应力桥梁，主要采用外加固预应力措施；对于混凝土强度局部不满足需继续使用的情况，采用在混凝土表面涂抹含碳纤维树脂类粘接材料的胶结剂，能有效提高混凝土的强度。对于因荷载作用导致梁板结构局部承载能力不足时，采取粘接剂将钢板固定到承受力不足部位，以此来提升結构承载能力。非结构加固措施主要采用主拱圈加固和桥面铺装加固等方式。因为桥梁主拱圈是薄弱环节，通过将拱顶上的横系梁改为横隔板来加大受力面积，从而增加桥梁承载能力［5］。桥面铺装加固主要针对桥面系病害，一般是采取优质混凝土材料和聚合物对原来破损的混凝土面板和桥面系裂缝进行修补。

一般情况下，为节省人力、物力，对于高速公路桥梁的轻微病害应采取养护措施。对于较严重的病害（如梁板大面积裂缝、支座严重变形和梁板间交界处出现断裂等），会对桥梁结构的安全使用带来隐患，应及时采取相关维修措施。高速公路桥梁的其他病害，包括伸缩缝堵塞、橡胶止水带破损以及伸缩缝周围混凝土破损和排水系统堵塞或缺失等，应结合具体情况采取养护和更换材料等措施。当然，在日常运营中，加大维护管理力度也是避免较大病害发生的一种维护措施。

2 隧道工程

在高速公路修建中，有时会碰到山地、丘陵阻挡道路修建，为了减少行车时间、增加驾驶舒适性和满足公路线性要求，逢山开凿隧道工程便成为了首要选择。常见公路隧道以山岭隧道为主，由主体构造物和附属构造物组成，公路隧道主体构造物由初期支護、二次衬砌、防排水系统和洞门构造物组成［6］。附属构造物主要指公路隧道中主体构造物以外的其他构造物，比如隧道路面、通风照明设施、消防设备和监控系统等。在山岭隧道营运中，发生的病害主要出现在主体构造物中。

2.1 常见病害

营运公路隧道病害主要指衬砌病害。常见的衬砌病害主要有：衬砌混凝土表面开裂及衬砌渗漏水、衬砌混凝土剥落、衬砌错台开裂导致钢筋弯曲剪断、边墙混凝土剥落、二衬砌背后空洞、二次衬砌厚度不足和衬砌变形超限等［7］。其中，山岭隧道渗漏水比较常见，围岩中的地下水主要通过初期支护裂缝进行渗漏，具体情况如图3所示。

另外，防排水系统为柔性结构，在使用中因自然原因出现纵横向排水盲管结晶堵塞、中心排水沟堵塞、防水板和土工布老化破损等；隧道路面也会因地质原因导致隆起开裂和超载导致路面下沉破损等。导致病害产生的主要原因为设计不合理、施工不规范以及管理不到位和运营养护不严格；客观原因主要是隧道周围复杂的环境因素影响。高速公路隧道出现的病害若不及时检测和维护，会造成更大的损失，影响整体耐久性和隧道内行车安全性，造成不良影响。

2.2 检测与维护措施

2.2.1 常见高速公路隧道检测方法

一部分公路隧道病害是通过外观检测能直接得知，一部分需要借助相关设备进行检测。其中，隧道衬砌渗漏水和表面混凝土破损开裂较常见，可通过肉眼进行检查和维护，二衬厚度不足和局部混凝土强度不够等需采用相关仪器进行检测。如今，在高速公路隧道运营中，隧道无损检测技术应用较普遍，主要包括表观状态检测技术和内部状态检测技术。其中，表观状态检测主要应用于衬砌裂缝的检测，包括图形处理技术、BIM技术和三维激光扫描技术，图像处理技术采用高清相机对隧道衬砌表面进行图像采集，并通过计算机进行图像处理，从而对衬砌表面裂缝进行判断。伴随着3D技术的发展，三维激光扫描技术更直观地观测隧道衬砌表面，测量比较全面且精度较高，目前应用较广泛。内部检测技术主要针对衬砌混凝土内部隐性缺陷的检测，探地雷达技术其实就是根据电磁波传播时间差来检测衬砌混凝土强度和是否有孔洞存在，冲击弹性波技术利用弹性波原理，根据弹性波与衬砌内部砼发生共振作用，可直接反映混凝土抗压力学性能以及是否有缺陷。

2.2.2 常用检测设备

在公路隧道的检测维护中，采用的主要设备有：无人机、机器人和巡检车，无人机携带传感器进行隧道内巡检工作，机器人进入排水系统和空腔内进行病害检测，巡检车通过搭载检测设备完成隧道内部变形及衬砌裂缝的检测。

2.2.3 相关维护措施

对于衬砌渗漏水病害，采用强度更高的混凝土注浆方式对衬砌混凝土裂缝进行封堵，若注浆后仍然渗水，这时需开凿排水槽来排水；当衬砌表面出现大面积渗水时，应采用特殊水泥和环氧树脂化学浆液，在其背后从高到低注浆。对于隧道路面的病害，针对具体情况对病害位置进行检查并维修。对于滑坡地段和浅埋地段隧道病害治理，首先是进行结构加固（采用地表注浆和加设挡土墙等），然后针对具体问题再采取维护措施。对于隧道外观明显病害，通常采用局部重新注浆的方式。对于附属设施的问题治理，采用维修和更换的方式进行维护。另外，同桥梁工程一样，也要加强日常的管理和维护。

3 新型检测评估技术

高速公路桥梁与隧道工程的检测和维修，一般要根据具体情况加以修补，本着“按时检测、按时维修”的原则，防止病害问题扩大化，增加结构的耐久性和安全性。随着互联网技术的发展，如今进入了“大数据”时代，无论对于桥梁工程，还是隧道工程，从结构勘察设计、施工到运营，都离不开新技术。尤其是基建工程的后期运营阶段，采用传统的检测方法，无疑是费时又费力，利用智能技术建立一个操作平台势在必行。比如，近年来由重庆市招商局公路检测中心研发的《常规桥梁外观智能检测系统》通过录入桥梁的基本数据和病害数据，实现了对桥梁的营运监控和检测［8］。在高速公路营运的桥梁隧道工程中，在相应部位布置远程感应设备，将各种桥梁和隧道的相关数据（包括桥梁工程和隧道工程的基本设计数据和病害数据等）导入数据库系统，实行远程实时监控和检测，形成更直观的数据分析图表，检测病害同时也能根据病害预测以后的发展趋势。这样，不仅解决了当前的问题，还对未来可能发生的病害也起到了预防作用，大大节约了运营成本。

4 结论及建议

桥梁工程和隧道工程作为高速公路建设中的重要组成部分，尤其在后期运营中应引起重视。正如人类本身一样，在高速公路运营中，桥梁与隧道也会出现不同程度的病害，为避免安全事故发生和不必要的经济损失，桥梁与隧道要定期做“健康体检”。本文针对目前高速公路桥梁和隧道的运营现状，总结了桥梁和隧道工程的主要病害类型和相关维护措施。公路隧道主要以混凝土无损检测和外观检测为主，对公路隧道衬砌渗漏水进行了成因分析。公路桥梁主要以上部承重结构病害为主，在检测维护中，以一般检测为主、特殊检测为辅。最后，建议将互联网智能技术应用于桥隧检测和维护中，研发新型检测系统，把病害“消灭”在摇篮中，最大化地降低运营成本，提高运输效率。

参考文献

［1］ 刘欣超.桥梁检测的技术研究与分析［J］.山西建筑， 2017， 43（35）：175-176.

［2］ 何晓阳，项贻强，邢骋.混凝土桥梁下部结构病害分析与加固［J］.重庆交通大学学报（自然科学版），2013，32（S1）：807-811.

［3］ 陈奕.高速公路桥梁检测方法与评定研究［J］.中国新技术新产品，2020（14）：83-84.

［4］ 蒋元泉.桥梁检测技术及发展趋势分析［J］.造纸装备及材料， 2021，50（2）：119-120.

［5］ 徐易.高速公路桥梁病害的检测及措施研究［J］.四川水泥，2017（7）：55.

［6］ 刘赟君，马小锋.高速公路运营隧道检测及维修处治探讨［J］.黑龙江交通科技，2019，42（11）：165-166.

［7］ 唐超，刘春，周泽栖.运营隧道衬砌病害检测技术研究现状分析［J］.现代盐化工，2021，48（2）：109-110.

［8］ 高博闻.常规桥梁检测数据挖掘分析［D］.重庆：重庆交通大学，2020.