刘俊利 徐振山

摘要：港珠澳大桥是新建跨海超级工程，世界上首次按120年使用年限设计的交通工程，包含沉管隧道、人工岛和海中桥梁。结构形式复杂，工程建设规模和难度大，腐蚀环境严重，对工程质量和耐久性要求更高。为实现工程结构耐久性设计要求，针对工程的特点，制定系统的结构耐久性牺牲阳极附加防腐蚀技术措施，确保建设项目实现设计服役年限。

Abstract： The Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge is a new trans-sea Super project designed for 120 years of service in the world，contains submerged tunnels，artificial islands and sea bridges. The structure form is complex，the construction scale and difficulty is big，the corrosion environment is bad，the requirement to the project quality and durability is higher. In order to realize the design requirements of engineering structure durability，according to the characteristics of the project，the structural durability of the system and the sacrifice of anodic additional anti-corrosion technical measures to ensure that the construction project to achieve the design service life.

關键词：钢管复合桩;牺牲阳极保护;施工技术

Key words： steel pipe composite pile;sacrifice anode protection;construction technology

中图分类号：U445.4                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）09-0096-03

0  引言

港珠澳大桥是目前已建成的举世瞩目的超级交通工程，世界级跨海通道，打开了粤港澳大湾区的发展空间，进一步促进了香港、澳门和珠江三角洲西岸地区经济上的发展。这座连接香港、珠海和澳门的跨海大桥全长55公里，是世界上最长的跨海大桥，包含离岸人工岛、海底隧道、非通航孔桥及通航孔桥，工程设计为120年使用寿命。港珠澳大桥位于珠江口伶仃洋，环境恶劣，如何有效提高严酷环境下结构耐久性是工程需要解决的关键技术。许多工程通过采用不锈钢钢筋、环氧涂层钢筋、硅烷浸渍涂装等技术措施[1]，取得理想效果，提高了结构的使用寿命。但考虑到港珠澳大桥工程120年使用寿命，采用上述技术并不足以确保，尚需考虑多重防腐蚀相结合的技术措施。

1  结构耐久性技术措施

为提高港珠澳大桥混凝土结构的耐久性，使其具有符合设计要求的力学性能和良好的耐久性能，针对主体工程不同混凝土结构的特点，系统研究并制定了混凝土耐久性质量控制技术措施、附加防腐蚀辅助措施、耐久性监测方案。最终采用海工长寿命耐久性混凝土及钢管复合桩附加牺牲阳极保护防腐措施[2]，实现桩基础120年设计使用寿命。

1.1 海工混凝土结构耐久性

海工混凝土耐久性包括工程结构设计使用年限及构件耐久性质量控制指标，按照最恶劣的环境作用等级设计混凝土最大氯离子扩散系数、最小钢筋保护层厚度[3]。本工程钢管复合桩构件耐久性质量控制指标见表1。

1.2 钢管复合桩耐久性附加技术措施

混凝土结构耐久性设计以氯离子侵入混凝土导致钢筋锈蚀的耐久性过程为主要对象，通过前期在华南地区进行长期混凝土暴露试验数据和工程调查数据，对各耐久性设计变量进行概率统计分析，得到耐久性设计关键参数的分布函数与分项系数，结合耐久性极限状态和设计使用年限要求，利用氯离子侵蚀过程的混凝土结构寿命预测模型计算得出满足120年耐久性要求的理论控制指标。再根据设计参数理论值与实验室快速试验测试值之间的相关关系，确定混凝土耐久性质量控制值。通过对附加防腐蚀措施研究比对，采用在钢管内、外进行环氧涂料防腐涂装，结合牺牲阳极保护措施，延缓混凝土及钢筋过早被氯盐腐蚀。处于海水中的混凝土遭遇带负电荷的氯离子会加速钢筋锈蚀，采用带正电荷的铝、锌、铟、镁、钛合金块——牺牲阳极[4]，安装在墩身上，通过墩身、承台混凝土中预埋的铜芯电缆与海泥下的钢管桩、混凝土钢筋连接，保证全天候浸泡于海水中，施加外电流进行阴极保护，完全控制腐蚀及阻止点蚀。

1.3 钢管复合桩结构耐久性健康监测系统定量监测混凝土内氯离子的浓度分布、钢筋腐蚀速率和混凝土电阻率，从而掌握影响大桥主体混凝土结构的耐久性健康状况的关键参数并定量预测其耐久性剩余使用寿命，为后期的管理维护和耐久性再设计提供数据支撑。

2  钢管复合桩钢管制作及防腐涂装

2.1 钢管桩制作与防腐涂装

港珠澳大桥桥梁工程CB05合同段钢管复合桩共440根，规格分为Ф2500mm，Ф2200mm，Ф2000mm三种，长度L=17～60m，均采用工厂预制大口径螺旋钢管桩，材质为Q345C;采用变壁厚制造，桩顶部分为25mm，中间部分为22mm，桩尖直缝管壁厚32mm，接近桩顶部分内部焊接大约有20道环形剪力环[5]。钢管桩内、外侧防腐分别对水中区和泥下区进行设计，即承台以下约20m范围采用高性能复合加强双层熔融结合环氧粉末涂层，内层≥300μm，面层≥700μm，加强双层环氧粉末涂层总厚度≥1000μm。其余部位采用高性能复合普通双层熔融结合环氧粉末涂层，内层≥300μm，面层≥350μm，复合普通双层环氧粉末涂层总厚度≥650μm。内层为耐腐蚀型涂层，面层为抗划伤耐磨防腐涂层。

2.2 防腐涂装及检测

钢管桩防腐涂料是以改性环氧树脂为主要成膜材料并含有固化剂、颜料、特种辅料等热固型涂料，经熔融结合涂装工艺固化成膜，涂层致密完整，机械性能好，涂层与金属基底有牢固的结合力，耐磨损。该防腐涂料不含挥发性溶剂，无污染，物料利用率高。涂装完成后，逐根检查钢管桩内、外涂层的外观质量，要求涂层平整，色泽均匀，无气泡开裂及缩孔;使用无损涂层测厚仪逐根测量涂层厚度是否符合设计要求，不符合涂层厚度要求的重新涂装;用电火花检漏仪对钢管涂层进行逐根检查，检漏电压为5V/μm，漏点数量不大于0.1个漏点/m2，当漏点超过上述数量或个别漏点的面积大于或等于250cm2，则对该钢管进行重新涂装。钢管防腐涂层静电喷涂工艺见图1，钢管防腐涂层厚度检测见图2。

3  钢管复合桩牺牲阳极保护技术及监控系统

3.1 牺牲阳极技术

钢管复合桩采用牺牲阳极保护与涂层联合防腐蚀，有效保护年限t≥60年。在有效防腐蚀年限内，被保护钢管复合桩的保护电位始终控制在最佳保护电位范围，钢管复合桩表面无明显锈蚀，保护度大于90%，牺牲阳极材质不污染环境，牺牲阳极预埋件、电性导通、焊装质量等全面满足设计要求[6]。处于海水中的钢材及混凝土钢筋遭遇高浓度的氯盐侵蚀，氯离子带负电荷加速钢材锈蚀。在施工阶段对所有钢管桩、承台、墩身混凝土中钢筋进行电连接，采用交流阻抗表测量任意两点钢筋得到的电阻值应小于1欧姆，再对钢管桩腐蚀及牺牲阳极合金块消逝情况进行监测，根据消逝情况及时更换合金块[7]。

3.2 牺牲阳极材料

3.2.1 牺牲阳极铝合金材料具有重量轻、电容量大、工作电流稳定、电流效率高、寿命长及造价便宜等特点[8]，针对钢管复合桩工作海域的水质情况，选用Al-Zn-In-Mg-Ti高效铝合金牺牲阳极进行保护，其电化学性能见表2。

3.2.2 根据钢管桩钢材的重量不同，采用的牺牲阳极保护材料及重量也不同，主要有A21-I-2、A21-I-3、IMR-B43（手镯式）三种牺牲阳极保护材料，每种施工重量见表3。

3.2.3 港珠澳大桥桥梁工程CB05合同段共有67座承台、440根钢管复合桩，共需配置牺牲阳极装置A21-I-2型高效铝合金牺牲阳极78支，A21-I-3型高效铝合金牺牲阳极314支，IMR-B43型手镯式高效铝合金牺牲阳极48支，详见表4。

3.3 牺牲阳极装置安装

3.3.1 阳极块状元件装置安装流程：预埋板热镀锌;承台内预埋Φ12的馈电钢筋;墩身焊接预埋均压钢筋——均压钢筋与墩身预埋钢板间的焊接，墩身焊接预埋馈电钢筋——馈电钢筋与墩身预埋钢板间的焊接，要求钢筋焊接电阻R>0.01Ω;墩身外侧焊装牺牲阳极装置，焊缝4条，每条焊缝长度>10cm，焊缝高度h>6mm，咬合紧密，连续均匀，严防虚焊和夹渣焊;阳极装置焊装完成后，预埋钢板、焊道和阳极焊脚涂装环氧防腐涂料，涂层干膜厚度>800μm。牺牲阳极装置见图3、图4。

3.3.2 手镯式阳极安装流程：将手镯式阳极套入钢管复合桩，放到设计位置后水下拧紧固定;水下湿法焊接，并检查水下焊接质量;焊脚涂层破损处，采用SLF涂料进行涂层保护;测量钢管复合桩保护电位。

3.4 牺牲阳极保护监测系统

3.4.1 钢管复合桩钢管及混凝土钢筋腐蚀监测是利用安装的牺牲阳极保护装置监测探头、电位测试仪，借助无线电数据通讯，实时监测系统的输出电流和钢管复合桩在不同深度位置的保护电位，监測钢管复合桩在不同深度海泥/海水中的腐蚀速率以及混凝土的电阻率。通过对现场监测数据收集、统计分析，判断和评价钢管复合桩的腐蚀与防护综合状况[9]。监测系统主要由参比电极、电缆、传感器、记录仪等设备组成，包括：银/卤化银、高纯锌参比电极;高纯锌电极、Q345C、不锈钢双极组成的传感器;防水屏蔽电缆;腐蚀监测数据记录仪;牺牲阳极发射电流继电流;阴极接地电缆;电源;无线收发装置等。系统安装见图5。

3.4.2 监测传感器系统包括监测传感器、电缆、数据采集与传输系统、防干扰机箱以及监测操作软件。此系统可以对钢筋腐蚀速率、氯离子浓度和混凝土电阻率进行定量监测分析。运营期，通过预埋传感器实时监测氯离子浓度、钢管复合桩及钢筋腐蚀电位及速率，进行数据采集与传输、分析与整理来间接评价钢管复合桩耐久性状况。当监测到牺牲阳极合金块即将耗尽时可及时予以更换。

4  结语

作为世界桥梁建设史上跨海里程最长、投资最多、施工难度最大的桥梁项目，港珠澳大桥工程对质量有着非常高的要求。通过对钢管复合桩采取牺牲阳极保护附加防腐蚀措施，进一步提高海洋工程桩基混凝土的耐久性，结合多项智能化技术初步实现了港珠澳大桥工程建设质量，要使得这种防腐蚀技术及监测措施所产生的作用达到最终的效果，确保工程结构使用寿命120年以上，还需要在运营期间加强对监测数据的采集与分析，及时采取有效的保证措施[10]。

参考文献：

[1]中华人民共和国行业标准.公路桥涵施工技术规范JTG/T F50-2011[S].交通运输部，2011-08-01.

[2]中华人民共和国行业标准.海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范JTJ275-2000[S].交通运输部，2001-05-01.

[3]港珠澳大桥管理局.港珠澳大桥混凝土结构耐久性设计指南（修订版 HZMB/DB/GD/1）[S].珠海，2013-4-18.

[4]中华人民共和国国家标准.铝-锌-铟系合金牺牲阳极GB/T4948-2002[S].国家质量监督检验检疫总局，2003-01-01.

[5]张海燕.海上复合桩钢管打设施工技术[J].桥梁建设，2014，44（2）：112-117.

[6]毛利进，张胤祺.高桩码头钢管桩牺牲阳极防腐设计及施工[J].中国水运（下半月），2013，13（08）：290，135.

[7]洪艳萍.钢管桩牺牲阳极阴极保护系统施工技术[J].施工技术，2014，43（S1）：308-311.

[8]林诗翔，先杰.钢管桩牺牲阳极阴极保护施工安装[J].中国水运（下半月），2016，16（08）：316-318.

[9]叶伟建，范列朋.象山港大桥钢管桩牺牲阳极阴极保护及监测系统[J].腐蚀与防护，2012，33（11）：1025-1027.

[10]卓家超，钱所军.港珠澳大桥钢管复合桩的施工问题及改进措施[J].中国港湾建设，2014（6）：37-41.