港珠澳大桥主体混凝土结构耐久性实时监测设计

汤雁冰，熊建波，方翔，陈龙，李海洪

（中交四航工程研究院有限公司，水工构造物耐久性技术交通行业重点实验室，广东 广州 510230）

1 概述

1.1 工程概况

港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域，是连接香港、珠海、澳门的大型跨海通道，是国家高速公路网规划中珠江三角洲地区环线的组成部分和跨越伶仃洋海域的关键性工程。

大桥海中桥隧工程总长约35.6 km，其中香港段长约6 km，粤港澳三地共同建设的主体工程长约29.6 km。主体工程分为桥梁工程和岛隧工程两部分，其中岛隧工程包含2个面积各约10万m2的人工岛以及长约6.7 km的沉管隧道，桥梁工程长约22.9 km，分为青州航道桥、江海直达船航道桥、九洲航道桥、深水区非通航孔桥、浅水区非通航孔桥。

1.2 开展耐久性监测的必要性

港珠澳大桥北靠亚洲大陆，南临热带海洋，气候温暖潮湿，属南亚热带海洋性季风气候区。根据相似环境的工程调查和暴露试验研究结果[1-3]，钢筋混凝土结构因氯离子侵入诱发钢筋锈蚀，导致耐久性下降的现象十分严重，这严重威胁了大桥的耐久性和服役安全性。为确保港珠澳大桥的服役安全性，必须实时了解和掌握影响大桥混凝土结构耐久性关键参数的变化规律，评估其耐久性健康状况，预测其耐久性剩余使用寿命，为港珠澳大桥混凝土结构耐久性再设计提供必要的数据支撑。当预测大桥耐久性状况不能满足120 a的设计使用寿命时，采取相应的补救措施，变被动维修为主动预防，不仅可确保港珠澳大桥120 a设计使用寿命，还可显著降低大桥的全寿命周期费用成本，具有重要意义。

2 腐蚀环境划分

不同的腐蚀环境，混凝土结构的耐久性劣化速率不同，因此，弄清楚港珠澳大桥的腐蚀环境划分区域是进行耐久性实时监测设计的前提，表1给出港珠澳大桥腐蚀环境划分区域[4]。

表1 港珠澳大桥腐蚀环境划分Table1 Corrosion environment division of the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge

3 耐久性监测传感器的选用

3.1 选用依据

1）港珠澳大桥作为一项超级工程，其耐久性设计寿命长达120 a，其选用的耐久性监测传感器必须是在实体工程中应用过的成熟产品。

2）氯离子侵入诱发钢筋锈蚀是导致港珠澳大桥主体混凝土结构耐久性劣化的最主要因素，因此定量监测混凝土中氯离子的渗透状况是进行耐久性评估和耐久性再设计最为关键的问题。

3.2 耐久性监测传感器

目前，市场应用较多的混凝土结构耐久性监测传感器主要有德国的阳极梯传感器（图1（a））、丹麦的 CorroWatch传感器 （图 1（b）） 以及美国的ECI-2耐久性监测传感器（图2）。阳极梯传感器和CorroWatch传感器是基于宏观电池原理，主要有钢筋阳极和惰性阴极组成，通过监测钢筋阳极和惰性阴极之间的电偶腐蚀电流密度和腐蚀电位来判断钢筋的腐蚀状态，定性地评估钢筋混凝土结构的耐久性健康状况。这两种传感器只能定性的判断钢筋的腐蚀状态，无法定量监测混凝土中氯离子的渗透情况。

图1 基于宏观电池原理的耐久性监测传感器Fig.1 Durability monitoring sensor based on the macro battery principle

ECI-2耐久性监测传感器中包含有钢筋电极、辅助电极、参比电极，采用线性极化测试方法能够实时监测钢筋的腐蚀速率以及钢筋的腐蚀电位。另外，传感器中还集成了氯离子探针和混凝土电阻率探针，可以实时定量监测混凝土中的氯离子浓度和混凝土的电阻率。因此，港珠澳大桥主体混凝土结构耐久性监测的传感器选择ECI-2耐久性监测传感器。

图2 ECI-2耐久性监测传感器Fig.2 Durability monitoring sensor ECI-2

3.3 ECI-2耐久性监测系统工作原理及技术参数

3.3.1 监测系统的工作原理

ECI-2耐久性监测系统主要有ECI-2耐久性监测传感器、数据采集与传输设备和软件组成。通过将ECI-2耐久性监测传感器预埋于混凝土内，监测混凝土中的氯离子浓度、腐蚀速率、腐蚀电位、混凝土电阻率等耐久性关键数据。传感器监测的数据再由电缆传输到数据采集仪，数据采集仪将多个传感器采集的数据通过有线或无线的方式将数据汇总传输到监控中心，监控中心采用LoggerNet软件对数据进行记录和存储（见图3）。

图3 ECI耐久性监测系统工作原理Fig.3 Working principle of ECI

3.3.2 技术参数

ECI-2耐久性监测系统可实现氯离子浓度、钢筋腐蚀速率、钢筋腐蚀电位、混凝土电阻率和温度的实时监测，其技术参数见表2[5]。另外，传感器内部还设有Dummy电池，可对监测系统的运行状态进行自检，判断监测系统是否正常运行，数据传输还可利用3G网络进行远程无线传输。

表2 ECI-2耐久性监测系统的技术参数Table 2 Technical data of ECI-2

4 监测点分布设计

4.1 监测点分布设计的原则

1）监测点设置需涵盖所有的混凝土构件（主塔、承台、桥墩、混凝土箱梁和沉管），以保证监测数据的全面性。

2）同一类型的构件具有相似的混凝土（原材料和配合比）和施工工艺，且它们所处的腐蚀环境也相似，它们应具有相似的耐久性劣化过程，考虑到经济性，挑选具有代表性的构件和区域进行布点设置。

3）同一混凝土构件应布置在发生腐蚀最为严重的位置。

4）处于水下区的混凝土构件，因其面临的耐久性问题并不严重，对处于水下区的混凝土构件不设置监测点。

4.2 监测点的分布

基于以上监测点设置原则，全桥共设置13个监测点，其中，通航孔桥的主塔及承台设置4个监测点，非通航孔桥的桥墩设置3个监测点，岛桥结合部的混凝土箱梁设置3个监测点，沉管隧道设置3个监测点。

4.2.1 通航孔桥监测点设置

港珠澳大桥所处的伶仃洋海域以东风和东南风为主，通航孔桥主塔的东侧相对于其它侧腐蚀风险更大，腐蚀更为严重，因此，通航孔桥主塔的监测点设置在主塔的东侧。共设置4个监测点，其中，3个监测点位于浪溅区，1个监测点位于大气区。考虑到处于水变区和浪溅区的混凝土构件均为主塔的承台，其混凝土体系、保护层厚度和施工工艺均相同，因此未在水变区设置监测点。浪溅区的监测点分布在57号、140号和207号桥墩，设置标高为+4.8 m，大气区的监测点设置在57号桥墩，设置标高为+8.5 m，监测点位置如图4所示。

图4 通航孔桥监测点布置示意图Fig.4 Monitoring point arrangement of navigable bridge

4.2.2 非通航孔桥监测点设置

与通航孔桥一致，非通航孔桥的监测点也布置在桥墩的东侧。非通航孔桥共设置3个监测点，其中2个监测点位于浪溅区，1个监测点位于大气区。浪溅区的监测点分布在119号桥墩和162号桥墩，设置标高为+3.5 m，大气区的监测点设置在119号桥墩，设置标高为+8.5 m，如图5所示。

图5 非通航孔桥监测点设置位置示意图Fig.5 Monitoring point arrangement of non-navigablebridge

4.2.3 混凝土箱梁监测点设置

东西人工岛岛桥结合部的混凝土箱梁是面临耐久性问题较为严重的混凝土构件，因此需要在箱梁上设置监测点。东西人工岛岛桥结合部的混凝土箱梁共设置3个监测点。箱梁底面，尤其是底面的中部是受拉应力最大的位置，在腐蚀环境条件下，其耐久性劣化相对于其它部位更加严重。综合考虑腐蚀环境和受力状态这两种影响箱梁耐久性的因素，3个监测点均设置在箱梁底部，其中2个位于浪溅区，1个位于大气区，浪溅区监测点的标高为+5.5 m，大气区监测点的标高为+8.5 m。

4.2.4 沉管隧道监测点设置

沉管隧道是港珠澳大桥的重要组成部分，沉管隧道位于海底，一旦出现耐久性问题，带来的后果将是灾难性的。因此，必须实时监测沉管隧道混凝土结构的耐久性，确保沉管隧道的安全服役。港珠澳大桥沉管隧道分为暗埋段和敞开段，监测点的设置分布于暗埋段和敞开段，共设3个监测点，其中，沉管内壁设置2个监测点，分别位于西人工岛敞开段（距暗埋段洞口140 m） 和E14管节的顶面（靠近E15管节接头处）；沉管外壁设置1个监测点，位于E14管节的侧面，见图6。

图6 暗埋段沉管隧道监测点设置示意图Fig.6 Monitoring point arrangement of thehiddenburying immersed tube tunnel

5 传感器的预埋设计

单一的ECI-2耐久性监测传感器仅能监测混凝土保护层中某一深度的氯离子含量，不能监测不同深度的氯离子浓度，无法预测耐久性剩余使用寿命。为了实时监测混凝土保护层中氯离子浓度及其深度分布，在每个监测点等间距预埋安装4个ECI-2耐久性监测传感器，以实现保护层中不同深度氯离子浓度的实时监测，得出氯离子浓度深度分布，判断大桥混凝土结构的耐久性状况和预测剩余使用寿命。浪溅区和沉管外壁的保护层厚度为70 mm，传感器监测面距混凝土表面的距离为15 mm、30 mm、45 mm和60 mm；大气区的混凝土构件混凝土保护层厚度为50 mm，传感器监测面距混凝土表面的距离为12 mm、25 mm、37 mm和50 mm。

传感器的预埋安装见图7。

图7 传感器预埋安装示意图Fig.7 Sensor embedded installation instruction

6 数据的采集与传输

考虑到大桥的施工特点和前期相关配套设施尚不完备，为获得港珠澳大桥主体混凝土结构从建设期开始，服役期间的耐久性关键参数的变化规律，数据的采集与传输采用三种方式进行。建设期，由于现场的供电和光纤尚不完备，数据的采集与传输主要采用定期的现场人工采集；大桥通车后，为实现实时数据采集与传输，数据的采集与传输以3G网络进行远程无线传输，将监测数据传输给相关单位，同时，考虑到3G网络的不稳定性（如网络中断或没有信号），为及时获得耐久性关键参数的数据，还利用大桥中铺设的通信光纤将数据实时传输到监控中心。

7 结语

通过预埋耐久性监测传感器可以真实反映大桥主体混凝土结构的耐久性健康状况，再辅助以工程配套的暴露实验以及有针对性的工程检测，为耐久性再设计提供大量的分析数据。

港珠澳大桥所处的环境严酷，面临的耐久性问题严峻，要实现120 a设计使用寿命，除科学的设计、精细的施工外，还需对大桥后期的耐久性状况进行实时监测，获取大桥主体混凝土结构耐久性关键参数，以便采取及时有效的管理维护措施，以保证大桥120 a设计使用寿命。

[1] 潘德强，洪定海，邓恩惠，等.华南海港钢筋混凝土码头锈蚀破坏调查报告[R].广州：中交四航工程研究院有限公司，1982.PAN De-qiang，HONG Ding-hai，DENG En-hui，et al.Investigation report on thereinforced concrete corrosion of seaport wharf in south China[R].Guangzhou：CCCC Fourth Harbor Engineering Institute Co.，Ltd.，1982.

[2] 王胜年，黄君哲，张举连，等.华南海港码头混凝土腐蚀情况的调查与结构耐久性分析[J].水运工程，2000（6）：8-12.WANGSheng-nian，HUANGJun-zhe，ZHANGJu-lian，et al.An investigation of concrete corrosion of seaport wharf in south China and analysisof structures′durability[J].Port&Waterway Engineering，2000（6）：8-12.

[3]港珠澳大桥混凝土结构耐久性设计研究 [R].中交四航工程研究院有限公司，清华大学，2011.Design research on concrete structure durability of the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[R].CCCC Fourth Harbor Engineering Institute Co.，Ltd.，Tsinghua University，2011.

[4] Embedded corrosion instrument model ECI-2 product manual[M].Virginia Technologies Inc，2010.