橋梁主被防撞措施研究現(xiàn)狀分析

李日鑫

（重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院， 重慶 400074）

1 橋梁防撞研究背景

1.1 防撞的提出

經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，帶動(dòng)了交通行業(yè)的快速發(fā)展，且隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，各行業(yè)各領(lǐng)域?qū)煌ㄟ\(yùn)輸行業(yè)的承載量和便利性提出了更高的要求，而水路運(yùn)輸是交通運(yùn)輸業(yè)最為重要的組成部分。在貫徹綠色、環(huán)保、可持續(xù)等發(fā)展理念下，水路運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性、低碳優(yōu)勢(shì)愈加凸顯[1]。

2007年6月，一艘河砂船與廣州九江大橋發(fā)生觸碰，導(dǎo)致大橋發(fā)生200余米倒塌，事故導(dǎo)致4輛汽車(chē)墜入江中，造成9人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)人民幣3億元；2019年4月，巴西一座橋梁遭貨船撞擊，導(dǎo)致橋體坍塌，5人失蹤，船舶傾覆。1960年到2015年間，重慶白沙沱大橋發(fā)生了100多余起船撞橋事故。

以上重大安全事故的發(fā)生給國(guó)家經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)和人民生命安全帶來(lái)了不可估量的損失。為保障橋梁運(yùn)營(yíng)安全，防止船舶因自然災(zāi)害或人為等因素產(chǎn)生碰撞，需安裝橋梁防撞裝置，預(yù)防惡性事故發(fā)生。

1.2 國(guó)內(nèi)典型船撞事故原因分析

縱觀(guān)以上橋梁船撞事故的原因，有航道等級(jí)提高，橋梁設(shè)計(jì)船撞力不足造成的，也有橋梁管理者、航道和海事監(jiān)管不到位等多種因素造成的。具體可歸納的原因如下：

1）橋址選擇不當(dāng)，對(duì)航道要求考慮不足，影響船舶通航；

2）橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中船撞力值偏小，影響橋梁的船撞安全；

中國(guó)現(xiàn)有的公路和鐵路規(guī)范中涉及船撞的部分，在考慮問(wèn)題的角度和方法上與歐美規(guī)范（或指南）有很大的差異，從設(shè)計(jì)實(shí)踐上看，設(shè)計(jì)船撞力對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的影響偏小[5]；各種規(guī)范大多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，由于實(shí)際的船舶類(lèi)型及尺度離散性較大，橋墩形式差異大，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際常有較大差距[6]。

3）大橋通航必要的維護(hù)及安全管理保障措施落實(shí)不到位；

4）隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及航道環(huán)境的改善，部分航道等級(jí)相應(yīng)的提高，以前橋梁設(shè)計(jì)船撞力值偏小，與目前的代表船型實(shí)際船舶撞擊力的不符；

5）山區(qū)河流橋區(qū)水位變幅大，使橋墩占據(jù)一定的航道，使得船撞風(fēng)險(xiǎn)增大；

6）橋梁非通航橋孔抗撞能力不足；

在中國(guó)現(xiàn)有的公路、鐵路規(guī)范中，僅對(duì)通航橋孔的抗撞能力進(jìn)行了強(qiáng)制要求，而沒(méi)有對(duì)非通航橋孔抗撞能力進(jìn)行明文規(guī)定。在通航的實(shí)際情況下，涉水橋墩都存在相當(dāng)程度的船撞風(fēng)險(xiǎn)，特別是梯級(jí)樞紐建設(shè)后，航道渠化，水深加深，原先不涉水的非通航橋墩沒(méi)入水中，導(dǎo)致船撞風(fēng)險(xiǎn)增加，由于非通航孔橋墩未考慮船撞問(wèn)題，設(shè)計(jì)的抗撞能力較小，一旦船舶撞擊通航橋墩，危害則更大。

2 橋梁防撞研究現(xiàn)狀

2.1 橋梁防撞理念

在處理橋梁防撞問(wèn)題時(shí)，工程師們將防撞按照其自身性質(zhì)，將其劃分主動(dòng)預(yù)警和被動(dòng)防撞，并總結(jié)出以下防撞理念：

1）船舶撞擊橋梁造成危害，需要從一開(kāi)始就考慮，在規(guī)劃、設(shè)計(jì)階段，需要考慮設(shè)施運(yùn)行狀況，配合現(xiàn)代化航運(yùn)交通管制，考慮全橋的防撞設(shè)計(jì)，進(jìn)行橋隧比選，選擇合理橋型[7-9]；

2）“三不壞”防撞理念[10]。防撞裝置的設(shè)計(jì)不僅要考慮船撞后大橋安全，還要兼顧船舶的運(yùn)行狀態(tài)，如變形、破損、傾覆等，避免發(fā)生嚴(yán)重的海損事故。因此在防撞裝置設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要加入船橋雙重保護(hù)的理念，最大程度上保護(hù)船舶和橋梁的安全。

2.2 主動(dòng)預(yù)警防撞

2.3.1 主動(dòng)預(yù)警防撞提出

在船舶撞擊橋梁事故中，78 %為人為所導(dǎo)致。

隨著科技的發(fā)展，人工智能在不同的領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用，并取得了巨大成就，煤礦安全生產(chǎn)[11]、車(chē)牌自動(dòng)識(shí)別、人臉識(shí)別、火災(zāi)預(yù)警等[12]，橋梁主動(dòng)防撞系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生?；跀?shù)據(jù)圖處理的人工智能 AI處理分析，通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)交互技術(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等其他應(yīng)用的結(jié)合[13]，對(duì)失控和偏航船舶進(jìn)行有效地監(jiān)控、判別和預(yù)警，可以減少船舶撞擊大橋的風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)生事故時(shí)固化證據(jù)，讓防撞的實(shí)施與監(jiān)管發(fā)生巨大變化。

2.3.2 主動(dòng)預(yù)警防撞介紹

橋梁主動(dòng)預(yù)警防撞系統(tǒng)由紅外熱成像傳感器、雷達(dá)、AIS、水文氣象監(jiān)控等裝置組成，對(duì)失控和偏航船舶進(jìn)行有效地監(jiān)控、判別和預(yù)警，減少船舶撞擊大橋的風(fēng)險(xiǎn)，伴隨著網(wǎng)路傳輸速度的不斷提高，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展加速[14]，D2D 技術(shù)的運(yùn)用使網(wǎng)絡(luò)具有空前的承載和通信能力，滿(mǎn)足未來(lái)大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)的接入和大數(shù)據(jù)處理的需求[15]，發(fā)生事故，及時(shí)固化證據(jù)。

高速信息傳輸、大數(shù)據(jù)庫(kù)加上人工智能的應(yīng)用，硬件與軟件的結(jié)合可建立橋區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)獲取、信息融合與智能判定的綜合體系，從而對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及路線(xiàn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，自動(dòng)分辨允許通航區(qū)域與危險(xiǎn)區(qū)域，提早發(fā)現(xiàn)存在的風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)與船長(zhǎng)溝通，調(diào)整船舶的前進(jìn)路線(xiàn)，對(duì)潛在的危險(xiǎn)進(jìn)行規(guī)避，保護(hù)橋梁和船舶安全，從而保障人民生命與財(cái)產(chǎn)安全[16]。

2.4 被動(dòng)防撞

2.4.1 被動(dòng)防撞提出

在船舶撞擊橋梁事故中， 22 %為非人為導(dǎo)致。

當(dāng)船舶遇到不可抗力，比如說(shuō)船舶突然發(fā)生了發(fā)動(dòng)機(jī)故障等緊急狀況，雖然這種情況很難遇到，但一旦發(fā)生，依靠船舶自身無(wú)法進(jìn)行轉(zhuǎn)向、調(diào)整航線(xiàn)、停滯等操作，船上的工作人員只能任由事故發(fā)生而無(wú)能為力，造成的后果的大小只能看運(yùn)氣。在這種情況下，被動(dòng)防撞就是最后一道防線(xiàn)。

2.4.2常用防撞措施分析

近年來(lái)，橋梁防撞裝置由于船橋碰撞事故的發(fā)生率逐年增加而受到了工程界和科學(xué)界的廣泛關(guān)注，各種類(lèi)型的防撞裝置應(yīng)運(yùn)而生，被動(dòng)防撞裝置的結(jié)構(gòu)形式主要有護(hù)舷、繩索、木結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、鋼浮箱、重力式、集群樁、防撞墩、沙圍堰、鋼圍堰、人工島以及浮體系泊索等。

表 2-1 五種防撞方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較

防撞方案 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)置 ②柔性防撞，對(duì)船舶結(jié)構(gòu)損傷??；③自身修復(fù)與更換相對(duì)較易；④能夠?qū)蚨者M(jìn)行全方位防護(hù)；⑤對(duì)橋墩自身抗力無(wú)要求；⑥防撞等級(jí)高。②需占用一定的航道寬度；③造價(jià)相對(duì)較高。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)以上幾種防撞方案的比較，可得以下結(jié)論：①若橋墩自身抗力嚴(yán)重不足，推薦選用圍欄式防撞群樁或自浮式拱形防撞裝置；②若橋墩自身具備一定的抗力，推薦選用獨(dú)立于橋墩的集中式防撞群樁結(jié)構(gòu)；③若橋墩自身抗力較好，推薦選用附著于橋墩的防撞鋼浮套箱結(jié)構(gòu)；④采取主被動(dòng)防撞裝置相結(jié)合的防撞措施。