中國(guó)跨海大橋防撞體系的應(yīng)用現(xiàn)狀

馮忠居，李維洲，戴良軍，李孝雄，4，王增賢，劉 闖，吳敬武

1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064 2.中交華東區(qū)域總部，江蘇 南京 211800 3.安徽建工集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230001 4.滁州學(xué)院 地理信息與旅游學(xué)院，安徽 滁州 239000 5.福建省交通運(yùn)輸廳，福建 福州 350004 6.海南省交通運(yùn)輸廳，海南 ?？?570000 7.中國(guó)公路工程咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京 100000

中國(guó)跨海大橋防撞體系的應(yīng)用現(xiàn)狀

Application Status of Anti-collision System of Chinese Cross-sea Bridges

馮忠居1，李維洲2，戴良軍3，李孝雄1，4，王增賢5，劉 闖6，吳敬武7

1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064 2.中交華東區(qū)域總部，江蘇 南京 211800 3.安徽建工集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230001 4.滁州學(xué)院 地理信息與旅游學(xué)院，安徽 滁州 239000 5.福建省交通運(yùn)輸廳，福建 福州 350004 6.海南省交通運(yùn)輸廳，海南 ?？?570000 7.中國(guó)公路工程咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京 100000

0 引言

跨海大橋的建設(shè)為交通運(yùn)輸帶來(lái)了便利，促進(jìn)了沿海地區(qū)社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的高速發(fā)展；但隨著船舶運(yùn)輸業(yè)的崛起，數(shù)萬(wàn)噸級(jí)特大型船舶的數(shù)量急劇增加，且在海水流速較大、自然環(huán)境復(fù)雜等各種因素的影響下，船撞橋梁事故頻發(fā)[1]。世界范圍內(nèi)每年都會(huì)發(fā)生船撞橋梁事件，嚴(yán)重危害人民生命安全，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大的損失，同時(shí)破壞了海洋生態(tài)環(huán)境。

因此，船撞橋梁的安全問(wèn)題受到全世界廣泛關(guān)注，相關(guān)設(shè)計(jì)及施工單位也提出了相應(yīng)的防撞措施。本文通過(guò)對(duì)中國(guó)已建或在建跨海大橋防撞措施資料的收集及分析，總結(jié)了中國(guó)跨海大橋防撞體系的應(yīng)用現(xiàn)狀，為后期深入、系統(tǒng)研究跨海大橋防撞體系提供一定的借鑒。

1 船舶撞毀橋梁事件

1.1 事故總體統(tǒng)計(jì)分析

據(jù)國(guó)內(nèi)外資料統(tǒng)計(jì)，船舶撞毀橋梁的事故在全世界范圍內(nèi)已發(fā)生100余次，造成數(shù)千人傷亡，事故的發(fā)生給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)了極大的損失。中國(guó)船撞橋梁事故的部分統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1[2^3]。

表1 船撞橋事件年代統(tǒng)計(jì)

從表1可看出，20世紀(jì)船撞橋梁事故總數(shù)逐年攀升，到21世紀(jì)后事故總數(shù)下降。其主要原因是，20世紀(jì)隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，跨海、跨江大橋不斷修建，且船舶業(yè)興起，橋梁設(shè)計(jì)未充分考慮防撞措施，導(dǎo)致事故不斷發(fā)生。隨著設(shè)計(jì)、施工水平增長(zhǎng)，橋梁跨徑及凈高不斷加大，防撞體系不斷完善，船舶操作水平提高，使近年來(lái)船撞橋梁事故不斷減少。

1.2 事故原因分析

20世紀(jì)中國(guó)發(fā)生最大船撞橋梁事故為發(fā)生于1998年的龍港大橋被撞事件。事故是由于船舶失控加之潮水影響猛撞大橋，導(dǎo)致橋面直接墜落于船面，造成多人傷亡及船上所載甲苯外泄，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)600余萬(wàn)元，該區(qū)域自然環(huán)境受到的影響巨大。龍港大橋在2003年再次受到船舶撞擊，導(dǎo)致橋墩底座包鐵嚴(yán)重變形。2002年，由于江水突然上漲，一艘船舶失控，徑直撞向飛云大橋橋墩，導(dǎo)致橋墩受損，混凝土大面積剝落，如圖1所示。武漢長(zhǎng)江大橋自建成通車(chē)后遭遇70多次船舶撞擊事件[4]；南京長(zhǎng)江大橋自1968年通車(chē)后先后遭遇30多次船舶撞擊事故[5]；杭州灣大橋、平潭大橋在橋梁施工期間就遭遇船舶撞擊數(shù)次九江大橋； 2007年，一艘運(yùn)砂船經(jīng)過(guò)九江大橋橋底時(shí)，突然撞向橋墩，隨后橋面迅速垮塌，該事故導(dǎo)致多人受傷，如圖2所示。最近報(bào)道的國(guó)內(nèi)船舶撞擊橋梁事故發(fā)生在2017 年4月1日，一艘貨船通過(guò)珠海市斗門(mén)蓮大橋時(shí)不慎撞到橋梁，導(dǎo)致橋上正中一片梁位移近1 m，橋面前后兩部分出現(xiàn)明顯錯(cuò)位，被撞移位的橋面也出現(xiàn)斷裂痕跡。

跨海大橋防撞安全問(wèn)題在全世界范圍內(nèi)受到廣泛關(guān)注，相關(guān)設(shè)計(jì)單位也根據(jù)要求開(kāi)展了專(zhuān)項(xiàng)橋梁防撞研究，規(guī)范了防撞設(shè)計(jì)及相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并應(yīng)用于中國(guó)跨海大橋。

圖1 飛云江大橋被撞橋墩

圖2 廣東九江大橋橋墩被撞后橋面垮塌

2 跨海大橋防撞設(shè)計(jì)

為防止船舶撞擊橋梁導(dǎo)致橋梁損壞，需對(duì)跨海橋梁安裝相應(yīng)的防撞設(shè)施，以確保橋梁結(jié)構(gòu)安全[6]。防撞措施主要分為兩大類(lèi)：阻止船舶與橋梁直接撞擊接觸；船舶撞擊橋梁后，通過(guò)消能緩沖的方式降低撞擊力，達(dá)到防撞作用。防撞設(shè)計(jì)考慮的因素主要有：橋址區(qū)氣象、水文及地質(zhì)情況；航道幾何尺寸、通航等級(jí)、通航密度、航速及船舶類(lèi)型；適用性、經(jīng)濟(jì)性等。

2.1 主動(dòng)防撞措施

主動(dòng)防撞措施主要是通過(guò)對(duì)船舶、航道及作業(yè)進(jìn)行規(guī)范管理達(dá)到防撞目的，常規(guī)手段有：設(shè)置助航標(biāo)志，標(biāo)明海域中的淺灘、錨地、礙航物及航道，保證水上交通安全；指引船舶的離泊、航行及靠泊等活動(dòng)；對(duì)專(zhuān)供船舶停泊及作業(yè)水域進(jìn)行管理；通過(guò)AIS、VTS等電子網(wǎng)絡(luò)化密切觀察、監(jiān)管船舶作業(yè)、航行等[7]。

2.2 被動(dòng)防撞措施

被動(dòng)防撞措施主要有兩大類(lèi)：第一類(lèi)是設(shè)置防撞結(jié)構(gòu)替代橋梁與船舶直接接觸，該防撞結(jié)構(gòu)設(shè)位于橋梁之外的位置，適用于水深較淺、航道較寬且海水沖刷較小的情況，主要有人工島、防撞墩等；第二類(lèi)是直接式，即將防撞措施直接附于橋梁相應(yīng)位置處，當(dāng)船舶撞擊橋梁時(shí)，防撞措施以消能緩沖的方式降低撞擊力，常見(jiàn)措施有防撞鋼套箱、橡膠護(hù)舷以及采用緩沖能量新材料等。

(1)采用緩沖材料。主要采用橡膠等受力易變形的材料在船舶撞擊過(guò)程中消能緩沖，從而減小撞擊力的作用，因其只能消除一定程度的撞擊力，僅適用于小型船舶撞擊情況，或與其他措施結(jié)合使用。陳國(guó)虞提出了“三不壞”鋼絲繩圈柔性防撞裝置，并成功應(yīng)用于湛江海灣大橋，如圖3所示。隨著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的發(fā)展，復(fù)合材料已被廣泛應(yīng)用于橋梁防撞設(shè)計(jì)中[8]，如圖4所示。

圖3 鋼絲繩圈柔性防撞裝置

圖4 復(fù)合材料管樁防撞系統(tǒng)

(2)緩沖消能設(shè)施。緩沖消能設(shè)施主要有混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)箱體，其原理是消能設(shè)施遭遇船舶撞擊后變形、破壞，進(jìn)而吸收撞擊能量，減小撞擊力。該措施由于可滿(mǎn)足不同形狀及結(jié)構(gòu)尺寸，因此在中國(guó)跨海大橋中應(yīng)用廣泛，已應(yīng)用于杭州灣跨海大橋[9](圖5)、象山港跨海大橋、平潭海峽大橋[10](圖6)、東海大橋等國(guó)內(nèi)多座跨海大橋。

(3)重力式防撞墩。重力式防撞墩主要采用圓形鋼護(hù)筒、鋼板樁圍堰形成外圍擋水結(jié)構(gòu)，內(nèi)填砂石料，吸收船舶撞擊能量?，F(xiàn)有重力式防撞墩內(nèi)填混凝土以達(dá)到更佳效果，如圖7所示。

(4)人工島。人工島防撞措施是在水流上方設(shè)小島以防止橋梁墩柱遭受船舶的撞擊。人工島外輪廓一般為流線形，四周斜坡較平緩，外圍采用石頭鋪砌，內(nèi)部填充沙、石。人工島可有效吸收撞擊動(dòng)能，減小船舶損壞程度，建設(shè)及維修費(fèi)用低，便于施工，但僅適用于淺水海域，且占用面積大，如圖8所示。

圖5 杭州灣大橋主墩鋼套箱

圖6 平潭海峽大橋主墩鋼套箱

圖7 重力式防撞墩

(5)防撞墩。防撞墩適用于橋址區(qū)水位較深、地質(zhì)穩(wěn)定的情況，多為鋼管樁，埋深及樁徑主要由設(shè)計(jì)撞擊力決定。為了增加防撞墩效果，可將鋼管樁設(shè)為斜樁，且在樁基之間設(shè)置平聯(lián)體系。防撞墩易于更換、維修，且效果較好，但對(duì)船舶的損傷較明顯，如圖9所示。

(6)浮體系方式。浮體系主要由上層結(jié)構(gòu)(含浮體)、鋼絲繩及底層錨碇組成。當(dāng)船舶航行通過(guò)境界位置時(shí)，船舶碰到上層結(jié)構(gòu)，撞擊力通過(guò)浮體及鋼絲繩系統(tǒng)傳遞給底層錨碇，底層錨碇通過(guò)固定于海床面來(lái)提供反力，從而降低船舶撞擊力。船舶吃水較淺，易穿越浮體，無(wú)法達(dá)到防撞目的。但2010年寧波大學(xué)發(fā)明的自適應(yīng)恒阻力防撞攔截系統(tǒng)成功地解決了這一問(wèn)題，并應(yīng)用于平潭海峽大橋引橋中[11]。浮體系攔截防撞如圖10所示。

圖8 航道橋人工防撞島

圖9 防撞墩設(shè)施

(7)鋼圍堰。鋼圍堰防撞措施是在基礎(chǔ)施工時(shí)對(duì)臨時(shí)鋼圍堰進(jìn)行改造升級(jí)，雙壁鋼圍堰的改造升級(jí)措施為：將混凝土填充至圍堰體內(nèi)，有效增大鋼圍堰整體剛度；將橡膠護(hù)舷等緩沖消能材料安裝在圍堰外壁，減小船舶的撞擊力；海洋環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)物腐蝕性極大，為了延長(zhǎng)鋼圍堰使用年限，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行防腐油漆的涂裝。防撞鋼圍堰如圖11所示。

圖10 浮體系攔截防撞

圖11 防撞鋼圍堰

(8)浮式鋼套箱消能防撞設(shè)施。當(dāng)跨海大橋所在海域潮差較大，墩柱處于潮汐變動(dòng)區(qū)，為有效地保護(hù)墩身和承臺(tái)，設(shè)計(jì)出了浮式鋼套箱。該防撞設(shè)施由橡膠件及鋼結(jié)構(gòu)組成，最大的優(yōu)點(diǎn)是可隨潮位上下浮動(dòng)，更大范圍保護(hù)橋梁墩身。但套箱由于長(zhǎng)期不斷運(yùn)動(dòng)，易導(dǎo)致防撞設(shè)施易損壞，且該構(gòu)件需采用專(zhuān)門(mén)的防腐措施。浮式鋼套箱消能防撞設(shè)施及工程應(yīng)用如圖12、13所示。

2.3 既有跨海大橋防撞措施

通過(guò)對(duì)中國(guó)跨海大橋防撞措施的調(diào)研與分析，歸納出橋梁的典型防撞措施類(lèi)型及應(yīng)用情況，如表2所示。

從表2可看出，中國(guó)跨海大橋防撞措施主要有人工島、管形浮鋼圍堰、防撞鋼套箱及復(fù)合材料防撞護(hù)舷。通航孔主墩防撞措施以防撞鋼套箱為主，但隨著復(fù)合材料的快速發(fā)展，復(fù)合材料防撞護(hù)舷在實(shí)體工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

圖12 浮式鋼套箱

圖13 浮式防撞裝置工程應(yīng)用

表2 中國(guó)跨海大橋采用的防撞設(shè)施結(jié)構(gòu)形式

3 跨海大橋防撞施工技術(shù)

跨海大橋防撞措施較多，其中防撞鋼套箱可在工廠加工后分節(jié)運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)，可作為樁基礎(chǔ)施工時(shí)的臨時(shí)圍堰，質(zhì)量和安裝進(jìn)度可有效控制，后期損壞可分塊拆卸維修[12]，在中國(guó)跨海大橋中被廣泛應(yīng)用。以下結(jié)合平潭大橋?qū)嶓w工程介紹防撞鋼套箱施工技術(shù)。

防撞鋼套箱的施工流程為：加工制作、運(yùn)輸及整體吊裝、支撐挑梁、測(cè)量定位及固定、封底混凝土澆注、箱內(nèi)抽水、承臺(tái)施工、防撞功能啟用。

(1)運(yùn)輸及整體吊裝。鋼套箱在加工廠驗(yàn)收合格后，利用起重船將分節(jié)后鋼套箱吊至半淺駁船上并固定，防止在運(yùn)輸工程中受到海浪及海風(fēng)的影響。鋼套箱的運(yùn)輸?shù)跹b如圖14所示。

圖14 鋼套箱整海上運(yùn)輸及吊裝

(2)支撐挑梁。當(dāng)樁基礎(chǔ)施工完成后，安裝鋼套箱作為承臺(tái)施工的臨時(shí)圍堰和模板，安裝前需拆除防撞鋼套箱平面范圍內(nèi)鉆孔平臺(tái)，僅保留樁基鋼護(hù)筒。

(3)測(cè)量定位及固定。鋼套箱在下放過(guò)程中根據(jù)預(yù)留在平臺(tái)軌道梁和鋼套箱的中軸線位置進(jìn)行緊密安裝。安裝時(shí)需待高潮位平潮，起重船再開(kāi)始起吊鋼套箱。安裝鋼套箱平面偏差應(yīng)控制在5 cm范圍內(nèi)。當(dāng)安裝精度達(dá)到要求后，立即對(duì)鋼套箱的拉壓桿、挑梁及封孔板固定焊接；焊接固定需在潮水漲至套箱底板前完成。防撞鋼套箱安裝定位如圖15所示。

(4)澆注封底混凝土。澆注封底混凝土?xí)r，鋼套箱底板需露出水面。澆注前需將鋼護(hù)筒外側(cè)、套箱底板清理干凈，防止混凝土由于雜質(zhì)影響導(dǎo)致封底失敗。

圖15 防撞鋼套箱安裝定位固定

(5)箱內(nèi)抽水。封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，排除箱內(nèi)多余海水，準(zhǔn)備承臺(tái)施工。

(6)承臺(tái)施工。鋼套箱作為承臺(tái)施工的臨時(shí)圍堰，因此，承臺(tái)施工不受海水的影響，當(dāng)箱內(nèi)抽水完成后，可直接進(jìn)行承臺(tái)鋼筋的綁扎及混凝土澆注。

(7)防撞功能啟用。當(dāng)承臺(tái)施工結(jié)束后，解除挑梁，安裝防撞鋼套箱的掛腿和防撞的橡膠護(hù)護(hù)舷，修復(fù)損壞的防腐涂裝，防撞鋼套箱即施工結(jié)束。

4 工程建議

被動(dòng)防撞措施可有效削弱橋墩受到的船舶撞擊力，保證橋梁運(yùn)營(yíng)的安全，但被動(dòng)防撞措施無(wú)法確保橋梁不受損壞，且對(duì)船舶破壞極大。因此，在充分考慮被動(dòng)防撞措施的同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)跨海大橋主動(dòng)防撞措施的實(shí)施。

跨海大橋防撞措施的設(shè)計(jì)及安裝施工應(yīng)綜合考慮橋址區(qū)的氣象、水文、海況、施工工藝、相應(yīng)的配套設(shè)備及經(jīng)濟(jì)適用性等因素。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)跨海大橋通航等級(jí)一般較高，船舶載重量可達(dá)幾十萬(wàn)噸，船舶在人為與自然因素下易發(fā)生撞擊橋梁的事故，對(duì)橋梁產(chǎn)生毀滅性破壞，直接影響橋梁運(yùn)營(yíng)安全。

(2)中國(guó)已建或在建跨海大橋基礎(chǔ)形式一般多為群樁基礎(chǔ)、承臺(tái)結(jié)構(gòu)形式，被動(dòng)防撞設(shè)施選用防撞鋼套箱時(shí)，不僅可有效保護(hù)樁基不直接被船舶撞擊，且在承臺(tái)施工時(shí)可作為臨時(shí)圍堰，經(jīng)濟(jì)效果較好。

(3) 相比其他被動(dòng)防撞措施，防撞墩是最直接有效的防撞體系，且具有施工簡(jiǎn)單、工期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

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福建省交通科技發(fā)展項(xiàng)目(200820)