铁路桥梁水下墩台基础检测技术研究

刘吉元 王振军 马林 刘静

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.铁道战备舟桥处，山东齐河 251000）

铁路桥梁水下桥墩的使用条件和使用环境比水上结构更为恶劣，极易造成损伤和发生病害，从而导致桥梁承载力和耐久性降低，严重时危及铁路行车安全和运营寿命。部分铁路桥梁水下桥墩因使用年限长、周边环境变化大、人为采砂等原因，尤其是受暴雨、洪水、浮冰撞击等影响，不同程度地存在着安全隐患［1］。近年来，我国曾发生外福线南平闽江桥、京沪线徒骇河大桥、集通线沙力河大桥墩身倾斜和陇海线灞河大桥、宝成线广汉石亭江铁路大桥垮塌等事故，给国家财产带来巨大损失。为了预防和避免严重事故，对铁路桥梁水下桥墩进行定期体检，及时掌握其健康状况，开展铁路桥梁水下桥墩检测技术研究势在必行。

1 国内外研究现状

国外桥梁水下墩台基础的安全检测与监测有明显的固定化、自动化趋势，并且逐步建立了相应的报警机制，桥梁运营单位能及时了解桥梁水下墩台基础的安全问题。

美国早在1968年就建立了国家桥梁检测标准，并制订了桥梁检测人员培训方案［2］。1987 年纽约斯科哈里跨河桥因洪水冲刷倒塌的事故，引起了全世界范围内专家和学者的关注，因为事故发生前一周该桥还进行过检查但仍旧发生了水毁。由此，针对不同水域条件下的桥墩冲刷问题，各国研究人员开展了大量的理论、试验和现场监测研究，认识到水下墩台检查只能检测到洪水过后或恶劣海况发生后的冲刷深度，而不能测出动态冲刷过程中的最大冲刷深度，但直接影响到桥梁安全的最大冲刷深度却是最重要的。随后美国颁布了国家桥梁检测标准修订版，其中要求列出所有需要水下安全检测的大桥名单，确定水下检测的步骤，并要求所有桥梁至少每5年进行一次水下检测。日本为避免桥墩已经倾斜时修复桥梁的高额成本和阻断交通的损失，在以往主要以测量桥墩倾斜程度的方案中，增加了测量振动情况来估计桥梁水下桥墩的安全状况，可以一定程度上降低桥梁维护的成本。印度铁道部在2008 年颁布了《桥梁水下检查指南》用于指导桥梁管养部门对桥梁水下结构进行检查，其中规定了检查的类型、频率和等级，并提出了部分病害的检测方法和设备。国外20 世纪50 年代就开展了水下结构检测机器人的研究，并陆续开发多种型号、多种用途的水下机器人用于水下结构物的检测与监测。如伍兹霍尔海洋研究所研制的双体结构水下机器人，可以在大水深和高危险环境中完成高强度、大负荷的工作，比如海底资源调查、海底地貌绘制、海底管道敷设等工作。

我国桥梁水下桥墩冲刷的大规模现场观测可以追溯到20 世纪50 年代。铁一、铁二、铁三、铁四院、大桥局、铁科院以及交科院，先后开始进行桥墩冲刷洪水观测和研究工作。1960 年，铁道部和交通部将桥墩冲刷列为部颁科研课题，由铁科院和交科院负责，将全国分成4个片区，进行桥墩冲刷和洪水观测的研究。我国一些铁路局也长期不间断地对重要桥梁进行汛期桥下河床洪水冲刷观测和桥墩周围局部冲刷观测［3］。近些年在苏通大桥、沪通长江大桥［4］等桥梁应用了多波束测深仪、GPS 定位等技术［5］，对桥墩的防护工程进行过水下检测，但并没有在洪水期间进行过连续监测，也没有监测过冲刷随洪水过程的发展过程。2010 年西堠门大桥“跨海悬索桥结构监测、巡检管理关键技术研究”达到了国际领先水平，但仍然只针对水上部分进行实时监测和管理，水下安全监测方面仍然处于空白状态。在结构检测机器人方面，研究机构主要为上海交通大学、中国科学院沈阳自动化研究所等几家单位，从事应用型产品开发的公司较少，而且探测技术、工艺水平、导航与定位、复杂环境中的运动控制等方面与国外存在一定差距。近年来通过引进国外技术和设备，加之国内的自主开发研究，用于海洋结构的检测与维修能力已有较大提高。

我国水工行业对混凝土结构物的检测颁布了SL 713—2015《水工混凝土结构缺陷检测技术规程》、DL/T 5251—2010《水工混凝土建筑物缺陷检测和评估技术规程》、JTS 239—2015《水运工程混凝土结构实体检测技术规程》、JTJ 302—2006《港口水工建筑物检测与评估技术规范》等，但铁路行业尚未形成统一的规范。2010 年4 月，原铁道部施行的铁运〔2010〕38 号《铁路桥隧建筑物修理规则》明确提出对铁路桥梁水下桥墩进行定期检测的要求。但桥梁水下桥墩部分属于隐蔽工程，检测作业难度大，既没有行业技术标准、规范可依，又没有相对成熟的案例可循。桥梁水下桥墩检测仪器设备少、功能低，检测方法单一，没有水下桥墩检测专业队伍，尚处于探索研究、逐步规范阶段。铁路桥梁水下桥墩全面检测仍处于空白状态。

2 水下墩台基础常见病害

铁路桥梁水下墩台基础的病害主要是由设计、施工、管理维护、自然环境、人为因素等多方面原因造成的，其主要的常见病害有混凝土表观病害、冲刷病害、变位病害和其他病害，水下桥墩病害如图1所示。

图1 水下桥墩病害示意

2.1 表观病害

铁路桥梁水下桥墩绝大多数是钢筋混凝土、混凝土和砖石砌筑而成，受上部结构荷载或基础缺陷的直接影响，易产生损坏。在船舶撞击或漂浮物冲击等突然外载作用下，水下桥墩会产生局部破损，造成材料剥落或者剥离，还易受干燥、潮湿、寒暑、冻结、冰融等气候条件以及海水、工业腐蚀性水等的作用而产生病害。建筑材料随使用时间的增长也会老化。常见的水下桥墩表观病害有以下几类：

1）表观裂缝。造成裂缝的原因主要有材料、施工、环境、结构与荷载等，混凝土裂缝根据缝宽和缝深可以分为龟裂或细微裂缝、表面或浅层裂缝、深层裂缝和贯穿性裂缝。工业腐蚀性水、感潮河段极易产生裂缝，此外施工不当、运营维护不到位、基础不均匀沉陷、温差影响、局部应力等原因都可造成表观裂缝。

2）混凝土表面的蜂窝麻面、骨料外露和疏松脱壳。这些主要受水流冲蚀、磨损作用而形成，影响结构的耐久性和安全性。

3）混凝土表面的孔洞、锈蚀露筋。这类病害往往是由施工原因造成，受水流冲刷、水中酸根离子的侵蚀，钙离子由内向外扩散导致氢氧化钙溶解，引起混凝土强度和密实度下降，影响结构的承载能力和对钢筋的保护作用。

4）混凝土破损、刮擦。这类病害是由多种原因引起的，例如机械、船舶、漂流物等的撞击。

5）水生物侵袭。感潮河段混凝土表面滋生的海生物及内陆河段滋生的微生物造成混凝土腐蚀。

2.2 基础冲刷

基础冲刷是水下桥墩的重要病害形式。桥墩及基础影响原水流的方向，导致水流在基础周围迅速改变，带走基础下面及周围的土，引起冲刷病害。冲刷会改变结构的受力状态，对桥梁的使用安全有显著影响。冲刷形态分为一般冲刷与局部冲刷2种。一般冲刷通常由河道输沙不平衡或泥沙超限开挖所致，局部冲刷主要由建造水工结构物所致。桥墩结构属于水工结构物，其基础冲刷属于局部冲刷。

2.3 结构变形

混凝土结构变形包括长期变形和短期变形2 种。长期变形是由外部条件缓慢变化和收缩、徐变等混凝土固有性质所致。外部条件缓慢变化包含地基下沉、地基变形引起的永久性残余变形等情况。而短期变形是外力作用下产生的塑性变形，如结构在交通荷载、地震荷载、船撞等外力作用下发生的塑性变形。结构下沉、倾斜等变形影响构件的受力状态，当变形过大时，直接影响桥梁的使用安全。

2.4 其他病害

设计时桥位选址、桥墩结构形式、尺寸选择不合理，以及结构调治物、防洪设施等未按要求设计或设计不合理，对桥墩结构的安全性会产生不利影响。施工原材料选择不当、质量不可靠等原因会造成桥墩的耐久性降低。施工时水下质量难以控制，造成质量缺陷又不易被发现，从而对桥墩的使用造成影响。

3 水下墩台基础检测内容和方法

在大量检测实践的基础上，研究确定了水下桥墩检测的6项主要内容：外观检查、结构测量、地形地貌、水文检测、无损检测和振动测试。

3.1 外观检查

1）表观状态，包括外观轮廓、平整度、表面附着物、淤积物。主要方法为潜水员水下摸探、目视检查、水下照相、水下录像等。通过潜水员的目视检查结合水下录像，能够及时反馈水下结构的使用情况。

2）裂缝，主要检测裂缝部位、数量、走向、长度、宽度、裂缝开裂部位钢筋锈蚀及析出物，并了解裂缝的变化情况，一般采用目视检查配合水下录像。裂缝长度可用钢尺检测，宽度用塞尺、测缝计、读数放大镜等工具进行检测，裂缝深度可采用钻孔取芯法。

3）混凝土损伤，主要检查剥蚀、冲蚀、疏松以及表面磨蚀、空蚀情况的面积和深度等。混凝土损伤宜采用专用工具测量，水下检测常用的设备仪器及工具包括水下摄像系统、钢尺和卷尺。

4）钢筋锈蚀，主要检查外露钢筋的外露部位、钢筋分布、外露数量、锈蚀面积、锈蚀程度。钢筋锈蚀宜采用专用工具测量，水下检测常用的设备仪器及工具包括水下摄像系统、钢尺、卷尺和游标卡尺。

5）孔洞/蜂窝麻面，主要检查混凝土孔洞/蜂窝麻面所在的部位、面积、深度等。宜采用专用工具测量，水下检测常用的设备仪器及工具包括水下摄像系统、钢尺和卷尺。

3.2 结构测量

水中结构在施工时一般条件较困难，施工精度也不易控制，施工完成后的结构物可能与原设计有一定的误差。通过对结构的外形轮廓尺寸进行测量并与原设计对比，掌握结构实际的结构尺寸和使用状态。

1）墩台、基础外轮廓尺寸

主要测量结构的长度、宽度和高度，圆形或圆端形桥墩测量其周长或直径，绘制得到结构的三维尺寸。宜采用专用工具测量，水下测量常用的设备仪器及工具包括水下摄像系统、钢尺和卷尺。

2）桥墩垂直（倾斜）度

一般桥墩为轴向受压或偏心受压结构，在竖向保持竖直（特殊设计的结构除外），测量桥墩墩顶横桥向中心、纵桥向中心与水面位置对应处的坐标，用于判断其竖向是否倾斜。桥墩垂直（倾斜）度宜采用几何测量法、垂线测量法、光学测距等间接测量方法，或通过测量水中墩台及桥跨结构形态参数的变化推定其变位的方法，常用的设备仪器及工具包括全站仪、经纬仪、水准仪、倾斜仪等精密仪器。

3.3 地形地貌

1）河床断面测量（水深测量）

河床断面测量是河道地形测量的主要内容，包括纵断面测量和横断面测量。河道横断面测量的主要任务是测量出河道断面线上的各个地形点的高低起伏情况，并绘出河道横断面图，以掌握铁路桥梁桥墩基础冲刷情况和桥址处河道变迁及河床冲刷、淤积情况，对孔径渡洪能力作出评估，同时为水文检算提供依据。通常铁路桥梁河床断面测量任务是分别对桥址处和桥轴线上下游各25 m 处横断面进行测量，并绘制河床断面图。岸上河床断面测量相对简单，可以用智能定位仪直接测取测点的三维坐标。水中河床断面测量均需要采用冲锋舟等水上交通设备，通常采用双频测深仪和智能定位仪联测、便携式测深仪和智能定位仪联测、便携式测深仪和全站仪联测、智能定位仪直接测量等测量方式。

2）地形地貌测量

对桥位处及上下游一定范围内河床地形地貌进行扫测，并生成河床的地形、地貌三维图像。其目的是：①全面掌握桥位范围内河床的地形地貌，有无冲刷、淤积，河床的变化情况和河床覆盖层的土质特征；②查找桥基有无局部冲刷、淘空病害、周边有无堆积物、抛填物等；③取得详细的河床标高，为潜水辅助装备的安装提供可靠依据。地形地貌测量宜采用多波束测量法，常用仪器设备及工具包括检测船、多波束测深系统、小型发电机、卷尺等。有特定要求时，可选用三维成像系统检测。

3.4 水文检测

1）水流速度检测。测量桥位处的水流速度，为判定桥墩处的冲刷状态提供依据，同时也作为潜水员下水探摸时机的依据。水流速度检测宜采用浮标法和流速仪测量法，常用仪器设备及工具包括检测船、浮标、旋桨式流速仪、声学多普勒流速剖面仪。

2）浑浊度检测。测量桥位处水的浑浊度，为判定桥墩处的冲刷状态提供依据，同时也作为潜水员下水探摸时机的依据。浑浊度检测宜采用浊度仪。

3）腐蚀性物质含量检测。提取桥位处的水样，化验水中的腐蚀性物质。腐蚀性物质含量检测宜采用氯度分析法和盐度计法，常用仪器设备及工具包括氯化物测定仪、盐度测试仪。

4）水流流向观测。根据河面上的浮标或漂浮物的流向来判断水位流向。

3.5 无损检测

无损检测是判断结构使用状态的辅助手段，对于长期位于水位以下的结构目前较难直接进行无损检测，如混凝土强度、碳化深度、钢筋分布、钢筋锈蚀检测等。但对于水面以上、水位变动区域在条件允许条件下可以进行无损检测。

1）混凝土强度。可采用回弹仪测量结构表面的回弹强度，必要时可钻取混凝土芯样制成标准试件测得混凝土抗压强度。

2）碳化深度。采用酒精酚酞溶液测量混凝土结构的碳化深度。水下混凝土不受碳化作用。

3）钢筋分布及保护层厚度。采用钢筋探测仪探测墩台、基础的钢筋布置情况及保护层厚度，常用仪器为钢筋保护层厚度测定仪。

4）钢筋锈蚀。采用半电池电位法测试结构内钢筋的锈蚀情况，常用仪器为钢筋锈蚀仪。

3.6 振动测试

墩台基础的检测往往只在仪器设备、机器人或人工能够到达的地方开展，反映地表以上结构或环境的状态，而对于墩台结构整体受力性能的判断依据不足。墩台结构的振动性能则是墩台及基础结构综合性能的反映，通过对振动性能的检测可以得到墩台结构在当前环境条件下的使用性能，可以作为墩台基础检测评估的一项依据。结构动力特性包括结构自振频率、振型和阻尼比等内容；结构动力响应包括结构动态参数、结构振动形态、结构动力系数等内容。

3.7 检测项目划分

按照检测项目可分为一般检测项目和专项检测项目2种。

一般检测包括表观状态、裂缝状态、混凝土损伤、钢筋外露锈蚀、混凝土蜂窝麻面等。此外，还包括结构的外轮廓尺寸、河床断面及地形地貌，桥位处水的流速及浑浊度。必要时，应调查缺陷发展变化过程、基础和结构的变形情况。

专项检测包括桥墩垂直度测量、水中腐蚀性物质含量检测、无损检测及振动性能测试等。

4 检测案例

2016年以来，陆续开展了26座铁路桥梁水下桥墩的检测，发现了破损、裂缝、孔洞、钢筋外露、钢筋锈蚀、冲刷、掏空等多种病害。

4.1 外观病害

水下桥墩外观检测时，潜水员携带水下摄像系统的摄像头和照明设备，对水下桥墩外观质量进行初步检查、摸探和摄像。然后组织潜水员和专业技术人员对病害和关键部位进行详细检测，利用钢尺等小型工具对病害尺寸进行测量，详细记录病害的位置、形状、数量等，水下摄像系统见图2。

图2 水下摄像系统

4.2 桥墩冲刷

使用船载多波速测深系统对桥墩周围河床进行扫测，发现有冲刷、淤积等情况时，再由潜水员水下采用码杆尺等辅助工具进行目视、探摸和水下摄像检测，通过2 种检测方法测量数据比对确定冲刷的面积和深度。检测仪器设备和检测出的冲刷病害见图3。

图3 冲刷检测仪器布设及桥墩冲刷病害

多波束测深系统扫测成果图中，不同的水深用不同的颜色显示，从图上可以直观地对河床冲刷、淤积情况进行初步判断，同时可以通过抽取任一特定断面的水深数据绘制成河床断面图，通过河床断面图对比分析，得到精确的冲刷、淤积深度。

4.3 水下地形测量

河床断面测量利用中海达iRTK 定位仪和HD-380双频测深仪进行测量。测量地点在桥下、桥梁承台或基础外缘及上下游各25 m 的5 个断面上进行，并利用南方cass绘图软件绘制河床断面图。测量时，iRTK 定位仪和HD-380 双频测深仪需要安装在船舷一侧水流较稳定的位置，测深仪现场安装如图4（a），测得的某桥梁河床断面对比分析图见图4（b）。

图4 河床断面测试

4.4 水文检测

1）流速测量

水流速度采用转子式流速仪测量，水流速度测量的目的主要是积累潜水员下水进行检测作业时的水流速度数据，判断检测区域水流是否适合潜水员作业。经过近3 年的水流速度检测数据积累发现，水流速度小于0.75 m/s时，潜水员可以正常下水作业；水流速度大于等于0.75 m/s且小于1.5 m/s时，潜水员不宜下水作业，在配备其他辅助潜水设施确保安全的前提下潜水员可以下水作业；水流速度大于1.5 m/s 时，潜水员无法下水作业。

2）浊度测量

浑浊度采用浊度仪测量。浊度测量的目的主要是测量记录潜水员下水作业时的水下能见度情况，为判断检测区域水下浑浊度是否满足潜水员水下目视和摄像检测要求提供数据参考。

在检测实践的基础上，通过试验得出，在照明充足的情况下，适合潜水员水下目视作业的最大浊度为80 NTU。当浊度大于80 NTU 时，潜水员目视检测能见度会受到很大限制，工作效率也会极大降低。当水下能见度低不易直接采用水下摄像检测时，可采用清水箱（图5）辅助摄像的方法得到清晰的水下照片。

图5 清水箱背面、正面

5 结语

桥梁水下桥墩属隐蔽工程，检测作业难度大且尚处于探索研究、逐步规范阶段。根据水下墩台检测内容的必要性和检测设备的发展水平，将检测内容划分为一般检测项目和专项检测项目，在进行水下墩台基础检测时应根据现场实际情况确定检测项目。通过对多座铁路桥梁水下桥墩检测的实践，发现了诸多水下桥墩病害和河床地形地貌变化，验证了开展铁路桥梁水下桥墩检测工作的必要性。水下检测工作的迫切性应引起管养部门的重视。