楊晨光 黃哲 柳海濤

摘要：為長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)橋面防水粘結(jié)層的防水性，基于耐碾壓、耐高溫及耐腐蝕的施工原則，采用埋入式傳感器、振弦式采集器、無(wú)線通訊組網(wǎng)等組建的層間健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。論述層間健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)備、刻槽、埋設(shè)、回填、預(yù)制后鋪設(shè)、安裝等施工流程，闡述基于橋面凈空的數(shù)據(jù)采集箱、太陽(yáng)能板及其附屬裝置的施工方法，結(jié)合橋面鋪裝特點(diǎn)，提出不同類型傳感器的預(yù)埋設(shè)措施。

關(guān)鍵詞：橋面鋪裝；防水粘結(jié)層；健康監(jiān)測(cè)；施工工藝

項(xiàng)目來(lái)源：陜西高速集團(tuán)科研項(xiàng)目《高速公路橋面防水粘結(jié)層服役期性能健康監(jiān)測(cè)及研究》（KY20-01）

0? ?引言

橋面防水粘結(jié)層作為橋面鋪裝的重要組成部分，若服役期內(nèi)防水粘結(jié)層處破損，易導(dǎo)致防水功能失效，積水滲入橋面板易引起鋼筋銹蝕，不利于鋪裝層耐久性。近年來(lái)，埋入式傳感器由于穩(wěn)定、隱蔽等特點(diǎn)，在路面結(jié)構(gòu)受力狀況與溫度、濕度監(jiān)測(cè)得到了廣泛應(yīng)用，相關(guān)技術(shù)的研究也逐漸增多。

張敬川等[1]研究了傳感器寬度、厚度、埋設(shè)方法對(duì)混凝土構(gòu)件強(qiáng)度的影響。夏紅衛(wèi)等[2]研究了影響瀝青混合料應(yīng)力集中的埋入式傳感器因素，提出測(cè)力桿長(zhǎng)度、傳感器模量與荷載的敏感性依次降低。馮振剛等[3]基于美國(guó)足尺路面試驗(yàn)路，推薦了高寒和重載地區(qū)瀝青路面層位的傳感器埋設(shè)類型、位置。熊成林等[4]基于瀝青混凝土施工特點(diǎn)，推薦了傳感器在瀝青混凝土中預(yù)設(shè)坑槽的施工方法。姜臻等[5]對(duì)路基埋設(shè)的應(yīng)力傳感器存活性和有效性進(jìn)行了驗(yàn)證性試驗(yàn)。

現(xiàn)行研究中，暫無(wú)測(cè)定橋面防水粘結(jié)層的傳感器施工工藝實(shí)踐與研究。由于傳感器的埋設(shè)與及其配套裝置的安裝涉及到橋面凈空，而在路基路面結(jié)構(gòu)內(nèi)安裝健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)難以指導(dǎo)施工，鑒于此有必要進(jìn)一步開(kāi)展橋面防水粘結(jié)層層間健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工藝研究。

1? ?橋面防水粘結(jié)層層間健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

橋梁防水粘結(jié)層層間健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是以傳感終端、zigbee通信、計(jì)算機(jī)技術(shù)為依托，通過(guò)對(duì)防水粘結(jié)層層間受力狀況及環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控，分析與評(píng)估防水粘結(jié)層的結(jié)構(gòu)完整性，為橋面日常運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)計(jì)劃的發(fā)布提供科學(xué)決策依據(jù)及高效預(yù)警。

完整的橋梁防水粘結(jié)層層間健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，集數(shù)據(jù)采集、傳導(dǎo)、分析為一體的，主要包含如下模塊：傳感器子系統(tǒng)（包括瀝青應(yīng)變計(jì)、混凝土應(yīng)變計(jì)、溫濕度應(yīng)變計(jì)）、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)（包括主機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、配電箱）、數(shù)據(jù)傳輸處理子系統(tǒng)、中心數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)。

由于數(shù)據(jù)傳輸處理子系統(tǒng)、中心數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)屬于基站、后臺(tái)的管理與維護(hù)工作，不涉及現(xiàn)場(chǎng)施工，故防水粘結(jié)層健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的施工工藝研究，僅針對(duì)傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的布設(shè)開(kāi)展。

2? 橋面防水粘結(jié)層層間健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)施工工藝

2.1? ?施工流程

太鳳高速采用SBR改性乳化瀝青作為防水功能層、SBS改性瀝青同步碎石封層，作為增強(qiáng)防水及應(yīng)力吸收功能層，2種結(jié)構(gòu)組成橋面防水粘結(jié)層。針對(duì)太鳳高速王家山大橋?qū)嶓w工程，制定橋面層間健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的施工流程如圖1所示。

2.2? ?施工準(zhǔn)備

2.2.1? ?線纜防護(hù)準(zhǔn)備

線纜耐高溫保護(hù)層選擇粗鋼絲彈性螺旋紋空心攬裝，與實(shí)際線纜長(zhǎng)度比例為1：1。依據(jù)設(shè)計(jì)中確定的各傳感單元埋設(shè)點(diǎn)位，切割、分類標(biāo)號(hào)不同傳感單元對(duì)應(yīng)的耐高溫保護(hù)套備用。

2.2.2? ?回填材料準(zhǔn)備

考慮到需要測(cè)定水泥混凝土面板的實(shí)際應(yīng)變情況，回填的補(bǔ)坑材料盡可能與原水泥面板材料性能一致。王家山大橋設(shè)計(jì)文件提出“橋面鋪裝采用C40水泥混凝土”，故選擇C40自流平水泥。在埋設(shè)點(diǎn)位10～20m范圍暫存砂石、水泥等材料，用防雨篷布全面遮擋，待傳感器鋪設(shè)且單線程測(cè)試完成后，立即拌和、攤鋪?zhàn)粤髌剿嗌皾{。

2.3? ?橋面板刻槽

按埋設(shè)部位及監(jiān)測(cè)目的不同，傳感單元在道路橋梁的安裝方式主要可分為3種：

2.3.1? ?直接布設(shè)法

直接布設(shè)法是通過(guò)將傳感單元直接安裝于結(jié)構(gòu)表面或結(jié)構(gòu)附近，通過(guò)傳感實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)情況，采用結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)撓度指標(biāo)，獲取結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特性、測(cè)定及損傷情況。目前應(yīng)用較為普遍的是適用于橋梁損傷識(shí)別與監(jiān)測(cè)。

2.3.2? ?預(yù)設(shè)坑槽埋設(shè)法

預(yù)設(shè)坑槽埋設(shè)法是在預(yù)鋪設(shè)的結(jié)構(gòu)層攤鋪前，在設(shè)計(jì)部位安裝耐高溫保護(hù)套，將線纜連接，并保證其末端引導(dǎo)至保護(hù)套內(nèi)。待攤鋪結(jié)束后取出保護(hù)套，再將應(yīng)變計(jì)放入坑槽內(nèi)，將線纜末梢與應(yīng)變計(jì)連接，采用原攤鋪料充填坑槽并碾壓至平整。該方法通常用于厚度較大的瀝青路面結(jié)構(gòu)層間的溫濕度測(cè)定[6]。

2.3.3? ?刻槽埋設(shè)補(bǔ)槽法

刻槽埋設(shè)補(bǔ)槽法是對(duì)已完工的下面層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)刻槽，在防水粘結(jié)層及瀝青混凝土施工前，預(yù)先埋設(shè)好線路走向及傳感單元在槽內(nèi)。采用自流平水泥補(bǔ)坑后，依據(jù)健康監(jiān)測(cè)的幾種技術(shù)類型需求，將傳感單元頂端探頭調(diào)整、固定至合理位置，再進(jìn)行防水粘結(jié)層及面層的熱攤鋪及碾壓。

該方法可有效保證線纜和傳感單元不破壞防水粘結(jié)層，且不易被高溫高壓施工環(huán)境影響，故本文采用水泥混凝土刻槽機(jī)，在傳感器埋設(shè)橫向范圍雕刻寬5cm、深7cm的線纜、傳感器走線槽，待走線槽完全干燥后進(jìn)行下一步傳感單元組裝工作。

2.4? ?傳感器及線纜現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)

混凝土應(yīng)變計(jì)、溫濕度傳感器應(yīng)在SBR改性乳化瀝青灑布前進(jìn)行埋設(shè)。砂漿回填時(shí)，應(yīng)避免與瀝青應(yīng)變計(jì)直接接觸，宜將瀝青應(yīng)變計(jì)以耐碾壓保護(hù)套防護(hù)，并置于坑槽以外。所有線纜的鋪設(shè)工作應(yīng)在水泥砂漿回填前完成，鋪筑傳感器之前，應(yīng)先控制好傳感器的縱向埋設(shè)高程。

在引線槽的頂部中線部位，應(yīng)緊貼水泥橋面板用細(xì)線固定，以控制高度。同時(shí)將瀝青應(yīng)變計(jì)、濕度傳感器的探頭固定在細(xì)線上，保證瀝青應(yīng)變計(jì)、濕度傳感器的探頭底部與引線槽頂部齊平。溫度傳感器的底部緊貼水泥橋面板頂部，混凝土應(yīng)變計(jì)的頂部控制在距離水泥橋面板4～5cm的范圍內(nèi)。

基于預(yù)設(shè)的層間埋設(shè)點(diǎn)位圖，人工在走線槽標(biāo)注不同傳感單元的放置點(diǎn)。將線纜套上耐高溫高壓保護(hù)層，將傳感器以線纜與數(shù)據(jù)采集器連接，同時(shí)在應(yīng)變計(jì)探頭部位采用可變形的橡膠套包裹。

技術(shù)人員檢查與線纜相連的兩端接口是否連接正常，按壓橡膠套的同時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示器是否顯示數(shù)據(jù)變化。當(dāng)應(yīng)變計(jì)可正常感應(yīng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集器可正常收集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示界面可正常顯示數(shù)據(jù)時(shí)，將傳感器與云端成功連接。將已連接的傳感器安裝置于預(yù)先規(guī)劃好的放置點(diǎn)位，將瀝青應(yīng)變計(jì)、濕度傳感器、溫度傳感器的芯片感應(yīng)端固定在細(xì)線上，同時(shí)嚴(yán)格控制縱向埋設(shè)深度。

2.5? ?自流平水泥砂漿回填

按照施工配比人工拌和現(xiàn)場(chǎng)水泥砂漿，從引線槽的一端靠近路中央的部位開(kāi)始，至橋面護(hù)欄方向勻速灌注水泥砂漿。待水泥砂漿液性不明顯，開(kāi)始具有塑性時(shí)，去除固定的細(xì)線，同時(shí)解除對(duì)傳感器探頭的限制。施工人員在水泥砂漿開(kāi)始形成強(qiáng)度之前應(yīng)持續(xù)觀察，防止瀝青應(yīng)變計(jì)及濕度傳感器探頭落入水泥砂漿內(nèi)。

2.6? ?傳感器的預(yù)制后鋪設(shè)

瀝青應(yīng)變計(jì)的厚度較大且為“工字”結(jié)構(gòu)，瀝青應(yīng)變計(jì)通過(guò)兩個(gè)法蘭之間的細(xì)微彎曲變化檢測(cè)瀝青材料的應(yīng)變狀況。若在水泥橋面板上直接撒（灑）布防水粘結(jié)體系及瀝青鋪裝層，一旦經(jīng)受攤鋪機(jī)直接碾壓，將使傳感器數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度大大降低，故需要對(duì)瀝青應(yīng)變計(jì)進(jìn)行預(yù)制埋設(shè)。

若瀝青應(yīng)變計(jì)在防水粘結(jié)層施工前埋設(shè)，則存瀝青應(yīng)變計(jì)底部漏灑瀝青、瀝青堆積膠連在法蘭表面、碎石撒布不均勻等問(wèn)題，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的防水功能。鑒于此，本文將瀝青應(yīng)變計(jì)的層位，設(shè)置在水泥橋面板、SBR改性乳化瀝青防水層與SBS改性瀝青同步碎石封層之上。

在防水粘結(jié)層施工之前，將瀝青應(yīng)變計(jì)與線纜的末端接口斷開(kāi)并遮擋線纜接口。灑布完成后，重新連接、調(diào)試瀝青應(yīng)變計(jì)與線纜，待中面層AC-20瀝青混凝土開(kāi)始攤時(shí)，將瀝青應(yīng)變計(jì)采用耐高溫耐壓保護(hù)套遮擋，灑（撒）布后去除保護(hù)套，在形成的坑槽中人工控制回填同源瀝青混合料，即可回歸面層碾壓工序，完成瀝青應(yīng)變計(jì)的預(yù)制埋設(shè)。

2.7? ?橋面護(hù)欄安置架組裝

太鳳高速王家山特大橋的橋梁防撞護(hù)欄的厚度，需大于數(shù)據(jù)安裝箱的寬度，且太陽(yáng)能供電板體積較大，若橫向安置將侵入橋面行車凈空范圍，影響橋面層間健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程范圍內(nèi)的緊急停車。鑒于此，必須采用相關(guān)措施，在不影響橋面凈空的前提下，保證太陽(yáng)能板、數(shù)據(jù)集采箱的正常安裝，且部件的穩(wěn)定性不受極端天氣影響。

橋面防撞護(hù)欄厚度有限，太陽(yáng)能板、數(shù)據(jù)集采箱必須延伸至橋梁結(jié)構(gòu)外部。鑒于此，課題組戶外空調(diào)電焊架為基礎(chǔ)，搭建數(shù)據(jù)采集箱、太陽(yáng)能板及雨量計(jì)安置架，即采用螺栓將電焊架加工完整，再將太陽(yáng)能板、數(shù)據(jù)采集箱底部四角固定在電焊架上，再借助高空作業(yè)吊籃升降機(jī)，將安置架焊在橋梁結(jié)構(gòu)外部?；趦艨找蟮慕】当O(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)安置架見(jiàn)圖2。

2.8? ?數(shù)據(jù)箱及其采集器安裝

一個(gè)數(shù)據(jù)采集器可收集4條線纜傳輸?shù)膫鞲衅鲾?shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)采集器、太陽(yáng)能蓄電池（預(yù)先蓄電等）固定在數(shù)據(jù)采集箱內(nèi)，技術(shù)人員排查確定線纜連接對(duì)應(yīng)正確無(wú)誤后，分別將數(shù)據(jù)采集箱、雨量計(jì)與太陽(yáng)能板固定。將太陽(yáng)能板向橋面內(nèi)傾斜45°固定，雨量計(jì)及太陽(yáng)能板引線從板底部連接至數(shù)據(jù)采集箱。

2.9? ?健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)線纜防護(hù)

線纜應(yīng)采用2.2.1的要求進(jìn)行耐高溫耐高壓包裹防護(hù)。為避免埋設(shè)中材料的熱脹冷縮效應(yīng)，線纜不宜緊繃，槽中埋設(shè)的線纜應(yīng)留有富余，將線纜引導(dǎo)至橋面防撞護(hù)欄，再自下而上走線至數(shù)據(jù)采集箱。若外部走線暴露，存在雨水侵蝕及不可遇見(jiàn)外部損傷，必須對(duì)從橋面結(jié)構(gòu)中引出至采集箱的線纜進(jìn)行整體防護(hù)。可采用加耐侵蝕涂層的矩形金屬保護(hù)層，分引線槽進(jìn)行包裹防護(hù)。

3? ?結(jié)束語(yǔ)

為長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)橋面防水粘結(jié)層的防水性，本文基于耐碾壓、耐高溫及耐腐蝕的施工原則，采用埋入式傳感器、振弦式采集器、無(wú)線通訊組網(wǎng)等組建的層間健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。論述層間健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)備、刻槽、埋設(shè)、回填、預(yù)制后鋪設(shè)、安裝等施工流程，闡述基于橋面凈空的數(shù)據(jù)采集箱、太陽(yáng)能板及其附屬裝置的施工方法，結(jié)合橋面鋪裝特點(diǎn)，提出不同類型傳感器的預(yù)埋設(shè)措施。

基于橋面凈空及行車安全需要，數(shù)據(jù)采集箱、太陽(yáng)能板等數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)不得超過(guò)橋面防撞護(hù)欄。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的布設(shè)架，宜以復(fù)合梯形結(jié)構(gòu)的形式錨固在橋面護(hù)欄外部。為確保防水粘結(jié)層的完整性，線纜應(yīng)在水泥砂漿回填橋面板槽前完成放線、調(diào)試工作。瀝青應(yīng)變計(jì)在水泥砂漿回填前應(yīng)斷開(kāi)、防護(hù)，待防水粘結(jié)層灑布及中面層攤鋪完成后，二次連接線纜調(diào)試，回填同源瀝青混凝土，完成瀝青應(yīng)變計(jì)的埋設(shè)。

參考文獻(xiàn)

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[2] 夏紅衛(wèi).埋入式應(yīng)變傳感器與瀝青混合料的交互影響及協(xié)調(diào)變形研究[D].長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2021.

[3] 馮振剛，李爽，王書(shū)娟，等.基于美國(guó)足尺路面經(jīng)驗(yàn)的瀝青路面?zhèn)鞲衅鞑荚O(shè)方案研究[J]. 中外公路，2017，37（1）：42-46.

[4] 姜臻.適用于路基監(jiān)測(cè)的分布式光纖傳感器應(yīng)用研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2016.

[5] 熊成林，王萬(wàn)順，武學(xué)毅.碾壓瀝青混凝土面板應(yīng)變計(jì)埋設(shè)施工工法[J].水利建設(shè)與管理，2019，39（6）：63-66.

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