橋梁施工受限水域船舶擁塞風險辨識及對策

陳蜀喆, 桓 澤， 袁志濤

(1.內河航運技術湖北省重點實驗室, 武漢 430063；2.武漢理工大學 a.航運學院；b.能源與動力工程學院， 武漢 430063)

橋梁施工受限水域船舶擁塞風險辨識及對策

陳蜀喆1,2a, 桓 澤2b， 袁志濤1,2a

(1.內河航運技術湖北省重點實驗室, 武漢 430063；2.武漢理工大學 a.航運學院；b.能源與動力工程學院， 武漢 430063)

在跨長江橋梁建設階段,往往會由于施工作業水域設置等原因而使水域受限，在不同水位期造成橋位局部擁塞并使潛在水上交通事故風險提升。對此，進行以施工期通航凈寬和通過能力分析為基礎的擁塞風險仿真及對策研究具有較強的針對性和現實意義，可在實際施工前對施工受限水域擁塞風險進行辨識，提出降低擁塞風險的對策，為施工期臨時航路設置和海事監管部門安全監管提供輔助決策。研究結果表明：在所提供的通航環境條件下，橋梁施工受限水域上行通過能力不足，存在擁塞風險，需在拆除下游化工碼頭的基礎上進行施工期多線航路規劃。

水路運輸;船舶擁塞；風險辨識；橋梁施工受限水域；對策研究

Abstract: During the construction of a bridge a part of navigable waters are occupied by the project. This may cause regional traffic congestion and a high risk of accident in the periods of certain water levels on the Yangtze River. The navigable clear width and its passing capacity is analyzed, and the risk of traffic congestion by means of simulation is identified. A case study is presented, which indicates that, during the construction period of the bridge, the passing capacity will not be enough for upriver ships, therefore, a multi-line route plan should be devised. The possible solution is to remove the chemical dock downriver temporaily. This study, predicting the traffic congestion risk of a bridge construction project, will be useful for planning of this kind of projects.

Keywords: waterway transportation; vessel traffic jam； risk identification; water area constrained by bridge construction； countermeasure planning

船舶受限水域一般是指受到水域或水深限制而不能自由操縱的可航水域。與港口水域和開闊水域相比，受限水域具有特定的交通流和船舶擁塞特征，且缺乏針對性的分析與對策，在該水域發生水上交通事故的風險較高。

隨著大跨度的橋梁建設方案不斷出現，施工過程中涉水橋墩基礎、主橋墩及上部相關設施的建設會對原有的船舶交通流和通航環境產生較大影響，導致船舶擁塞等水上交通安全風險增大、海事安全監管的難度增加，若不進行相應的風險辨識并提出對策，將形成較大隱患。

目前，大部分學者都是利用事故因果連鎖理論來研究內河航道擁堵的成因，描述基于貝葉斯網絡的內河航道擁堵預測預警模型；此外，還有一些學者利用聚類分析法確定擁擠航段，通過計算簇內航段水域交通密度并將其與航道最佳密度相比較，判斷航道是否擁擠。然而，很少有針對具體受限水域通航環境對船舶擁塞風險進行辨識的研究。

1 橋梁施工受限水域船舶交通流特征

以擬建的某長江公鐵大橋為例對橋梁建設前和施工中的船舶交通流特征進行分析。擬建橋梁工程的平面布置見圖1。

圖1 擬建橋梁工程的平面布置

1.1橋梁施工水域船舶交通流特征分析

根據不同水位期的船舶自動識別系統(Automatic Identification System,AIS)調研資料，橋梁施工水域船舶的上行和下行航線均較為分明；船舶航線較為分散，上行和下行航跡線的寬度相對較大(上行約400 m,下行約350 m)。擬建工程位于蕪湖長江大橋上游約3 km位置處，洪水期上行船舶通過蕪湖長江大橋后均向左岸側過渡并偏靠左岸側航行，通過左岸側運營的化工碼頭的船舶停泊水域之后大部分船舶均貼左岸航行;枯水期多數船舶更靠江心航行。右岸側碼頭等設施較多，下行船舶在不同水位期均距右岸約200 m航行。擬建橋梁工程水域洪水期(2014年8月1日至8月3日)AIS航跡見圖2。

擬建橋梁工程水域近3 a的船舶年平均日流量分別為1 540,1 433和1 412艘次，高峰期月流量為1 825艘次。船舶類型主要為普通貨船、集裝箱船及危險品船，其中普通貨船所占的比例最大，為船舶交通流量的90.17%～94.51%。長度在30～90 m的船舶占船舶交通流量的84.86%～95.46%，是整個船舶交通流的主體;90 m以上長度的船舶逐年增多。2013年流量的最高值為126艘次/h(10月份的16:00-17:00)，最低值為13艘次/h(2月份的02:00-03:00)。船舶流量高、低峰期每天出現的時間隨季節變化而變化。晝夜船舶流量差值在0.4%～2.48%。洪水期,上行船舶平均航速在5 kn左右，下行船舶平均航速在12 kn以上;枯水期,上行和下行船舶的航速均在10 kn以上。

1.2橋梁施工受限水域船舶交通流特征分析

根據橋梁施工方案，工程建設主要分為主墩基礎施工階段和鋼箱梁架設施工階段。

1.2.1主墩基礎施工階段交通流特征

在主墩基礎施工階段,河道兩岸均設置有臨時棧橋碼頭，2#和3#墩設有臨時施工平臺，這些臨時工程施工時需要停靠施工船舶;同時,2#和3#墩圍堰施工還要拋設錨碇,3#墩基礎施工前還存在爆破與清基階段。2#和3#墩基礎施工期間，受各類施工船舶靠泊、移位、圍堰兩側錨碇系統的影響，從2#墩中心到江心側需占用90 m寬的水域，從3#墩中心到江心側需占用48 m寬的水域。由于兩岸均設有起重碼頭、砂石碼頭和水泥粉煤灰碼頭等，因此會有大量施工船舶停靠，且2#和3#墩上的施工材料均從起重碼頭下水運輸，大量船舶在1#～2#墩及3#～4#墩之間水域穿行。該階段施工水域布置見圖3。

基于該階段的施工平面布置，1#～2#墩和3#～4#墩之間的水域無法通航。因此，該階段船舶交通流將完全位于2#和3#墩之間。扣除該施工水域，主河槽2#和3#墩之間僅有約450 m的水域可供通航。該階段的交通流特征見圖4。

1.2.2鋼箱梁架設施工階段交通流特征

鋼箱梁架設施工階段，河道兩岸的鋼桁梁運輸船進出鋼桁梁起重碼頭，往返于輔助通航孔之間。該階段船舶交通流基本位于2#和3#墩之間，但該階段預留的可通航水域將發生變化。

圖4 主墩基礎施工階段交通流特征

(1) 鋼箱梁架設第一階段，由于預留水域與主墩基礎階段一致，船舶交通流特征亦相同;

(2) 鋼箱梁架設第二階段，施工水域進一步向江心擴展，預留通航水域為2#和3#墩之間的300 m未架鋼梁區域，可航水域進一步束窄;

(3) 鋼箱梁架設第三階段，由于要完成跨中合攏，需將合攏處兩側各200 m水域開放為通航水域。

鋼箱梁架設第二和第三階段交通流特征見圖5和圖6。

圖5 鋼箱梁架設第二階段交通流特征

圖6 鋼箱梁架設第三階段交通流特征

2 橋梁施工受限水域擁塞風險特征

2.1橋梁施工受限水域船舶擁塞風險分析

在擬建大橋施工期，船舶的通過能力[1]Qc的大小可按式(1)估算。

(1)

式(1)中：m為船舶上行或下行通道數；ri為船舶交通流中第i種船舶(隊)的分布(i=1，2，3，…，n)；Vi為船舶交通流中第i種船舶(隊)的平均航速；li為船舶交通流中第i種船舶(隊)的船舶領域縱長。

對于實際施工期計算參數，可按以下3種情況計算其通過能力。[2-3]

(1) 主通航孔單孔雙向通航(2線)；

(2) 主通航孔單孔雙向通航，南、北側輔助通航孔通航(4線)；

(3) 主通航孔單孔三線通航，南、北側輔助通航孔單向通航(5線)。

根據調研結果和相關觀測數據，對于枯水期和洪水期，船舶(隊)實際上行和下行參數有較大區別，需按枯、洪水期分開計算。通過能力計算結果見表1，其中,單線上行和下行通過能力是指主通航孔中的數值，輔助通航孔計算參數因船舶尺度與主通航孔不一致而不同，整體通過能力并非線性變化。

表1 通過能力計算結果 艘次

參照表1，考慮到洪水期月流量約為1 800艘次、高峰日流量超過3 000艘次的實際情況，雖然主通航孔下行船舶通過能力可基本滿足實際需求，但上行船舶通過能力在考慮單線通航的情況下與實際的差距較大。若施工期僅考慮單線通航，則實際船舶上行通航將產生擁堵，一旦局部交通秩序出現混亂，將產生較大的通航安全風險。

2.2橋梁施工受限水域擁塞仿真

2.2.1施工受限水域擁塞特點

通過對施工期通航所需凈空寬度和通過能力進行分析可知，主通航孔單孔雙向通航(2線)方案基本上能滿足橋梁施工受限水域枯水期上、下行通過能力要求，僅在極端流量高峰情況下需要采取一定措施。因此，枯水期擁塞不作重點分析。而在洪水期，由于流速較大，上、下行船舶的航速會受到較大影響，實際觀測上行過往船舶在化工碼頭和施工橋位處的航速僅3 km/h，平均每小時僅能通過約20艘次船舶，無法滿足上行船舶實際通過能力的要求，將發生嚴重擁塞；而對于下行船舶，由于是順流航行，航速較快，可達20 km/h，平均每小時能通過船舶50艘次以上。因此，若按主通航孔雙向通航確定施工期交通流方案，施工受限水域擁塞的重點風險源為洪水期上行船舶。

2.2.2施工受限水域擁塞仿真模型

采用NetLogo[4]建立施工受限水域擁塞仿真模型。對于橋梁施工受限水域，可導入實際水域CAD資料中的坐標數據，形成仿真邊界；然后設定橋墩位置和橋墩大小，作為不可到達區域，建立仿真環境。對于施工水域實際航路，洪水期上行船舶通過蕪湖長江大橋后均向左岸側過渡并偏左岸側航行，因此洪水期橋梁施工水域實際上行船舶交通流可簡化為單一方向的交通流(下行船舶交通流亦然)。對于實際施工受限水域過往船舶，將按單位時間，以不同數量、不同類型的方式隨機進入仿真環境，以一定規則按照仿真周期行動。這里以船舶與仿真邊界、不可達區域或其他船舶間的相互“斥力”作為行動規則。[5]仿真技術路線見圖7。

圖7 仿真技術路線

仿真模型規則[6-7]制定如下。

(1) 船舶初始生成間距以船舶領域為基礎，船舶領域規定為船長的整數倍；船舶等級根據實際船舶等級分布生成。為使仿真盡快收斂，迅速得到實際通過能力最大值，洪水期船舶初始間距以船舶領域的1.5～2倍隨機生成。

(2) 洪水期上行船舶的航速隨機分布在3～9 km/h。

(3) 船舶斥力模型以船舶領域的“侵入”作為計算初始條件，當船舶領域侵入后，船舶開始按算法減速。侵入越多，斥力越大，減速越大。這里界定當兩船間距為前后最大船舶的1.5倍船長時后船航速將與前船航速保持一致。

(4) 仿真區域為橋位下游3 000 m至橋位上游3 000 m。初始化船舶生成地點為橋位下游3 000 m，當船舶到達橋位上游3 000 m時退出仿真。船舶擁堵至初始生成地點時，以船舶領域的1.5～2倍隨機生成后一艘船舶。

2.2.3仿真結果分析

根據受限水域擁塞仿真模型[8-10]，得到上行單線仿真計算結果見表2，其中平均飽和度是指仿真日通過能力與實際通過能力最大值的比值。

表2 仿真計算結果

仿真結果與步長的定義有關，這里定義步長為1 min，實際仿真船舶運動距離為60～180 m，相對于船舶領域(2～3倍船長)的1.5～2倍并不會對仿真過程產生較大干擾。實際上，當步長增加至3 min及以上時，船舶間距會大于船舶運動距離，實際通過能力和飽和度開始下降。

現有仿真結果與數值計算結果基本一致，橋梁施工時輔助通航孔無法使用，采用主通航孔雙向通航時的實際上行日通過能力不足，且平均間距較小、平均航速較低，不利于船舶避碰等操作，存在通航安全隱患。若采取雙線上行，則通過能力基本可滿足1 000艘次之內船舶上行通過能力的要求。

3 橋梁施工受限水域擁塞對策研究

現行施工方案無法滿足施工期船舶通過能力的要求，會帶來較為嚴重的擁塞，因此必須在施工期采取相應的對策。

3.1施工方案優化及多線航路規劃

施工前應對施工方案進行優化，核實圍堰錨碇定位系統所占的水域資源，減少對可航水域的侵占；同時，應在不同施工階段制定不同的通航方案。總體而言，枯水期可按主通航孔(2#墩和3#墩之間)雙向通航方案執行；洪水期基于多線原則，在主通航孔內按不同船型制定上行2線通航方案(見圖8)。

該方案以施工期通航所需凈空寬度為基礎，將450 m水域劃分為150 m和300 m兩部分，滿足上行2線、下行1線的要求，增強了上行船舶的通過能力。但是,該方案僅能滿足施工預留水域450 m的要求，并不適宜鋼梁箱架設第二和第三階段施工預留水域的情況，應另行分析。

圖8 洪水期通航方案(450 m)

3.2鋼箱梁架設階段輔助通航孔開通可行性分析

對于鋼箱梁架設第二和第三階段，根據施工方案，1#和2#主墩之間的鋼箱梁架設作業已完成，可開放輔助通航孔作為小型船舶的上行航路。圖9和圖10分別為鋼箱梁架設第二和第三階段通航方案。

圖9 鋼箱梁架設第二階段通航方案

圖10 鋼箱梁架設第三階段通航方案

輔助通航孔開放的臨時航路為：小型船舶上行通過化工碼頭前沿，與其前沿線保持100 m的安全距離；正橫通過碼頭棧橋，向右轉向約30°，進入1#和2#主墩之間的輔助通航孔；上行駛過橋梁施工水域。由于小型船舶采用該航法時需要大角度轉向，且距離實際施工的2#主墩僅500 m左右，同時危險品碼頭的營運及上水船舶航速較低、可操作性較弱，因此認為該方案操作風險較高，不適合設置為實際施工期臨時航路。

該階段合理的航法為：以碼頭拆除為前提，洪水期(蕪湖水位6 m及以上)小型船舶通過蕪湖長江大橋第10孔上行，沿定線制深水航路(上行)的右側航行，與碼頭保持200 m以上的安全距離駛過，向右轉向8°～10°，進入大橋施工區水域，經1#和2#主墩之間的邊孔，可航水域寬度為120 m，上行駛過橋梁施工區水域。

因此，輔助通航孔開通應以碼頭拆除為前提，否則基本不具備可行性。圖11和圖12分別為該前提下鋼箱梁架設第二和第三階段通航方案。

圖11 鋼箱梁架設第二階段通航方案(拆除華誼碼頭)

圖12 鋼箱梁架設第三階段通航方案(拆除華誼碼頭)

3.3拖船協助

采用拖船協助可提高洪水期上行船舶的航速，進而提升橋梁施工期船舶的通過能力。但是，實際拖船的助推過程較為繁瑣，效率較低。仿真驗證結果表明，即使將平均航速提升至10 km/h，仍無法滿足船舶的實際通過能力要求，但該方案能有效解決個別過往船舶航速過慢影響通過能力的問題，可作為施工多線航路規劃的補充。

4 結束語

在跨長江橋梁建設階段，往往會因施工水域作業和施工船活動等原因而使該水域受限，進而改變原有交通流環境、暫時削弱航道通過能力。船舶流量較大是長江下游水域的顯著特征，若施工預留水域無法滿足實際通過能力要求，將造成大量船舶積壓，導致橋區施工水域出現局部交通秩序混亂，增加船舶和船橋間碰撞的風險。因此，對橋梁施工受限水域進行擁塞風險辨識及對策研究具有較強的針對性和現實意義。對橋區受限水域的擁塞風險辨識及對策進行研究，可為海事監管部門在施工前及時介入安全監管提供依據，進而降低實際施工風險、適應當前海事監管要求。

[1] 劉敬賢,韓曉寶,易湘平.基于排隊論的受限航道通過能力計算[J].中國航海,2008,31(3):261-264.

[2] 文元橋,劉敬賢.港口公共航道船舶通過能力的計算模型研究[J].中國航海,2010,33(2):35-39.

[3] 劉敬賢,文元橋.基于船舶行為特征的港口航道通過能力仿真[J].大連海事大學學報,2009,35(2):31-33.

[4] 徐武雄,初秀民, 劉興龍. 船舶交通流建模與仿真研究進展[J]. 水利水運工程學報,2014(6):91-99.

[5] XIAO Fangliang, LIGTERINGEN H, VAN GULIJK C,etal. International Workshop on Next Generation Nautical Traffic[C]. Models, 2013.

[6] 劉克中,張子昱,呂正祥,等.基于時間區分服務模型的航道交通流仿真[J].中國航海,2014, 37(2):53-57.

[7] 楊星,李鍵,陳巍博,等.內河船舶交通流建模與仿真研究[J].中國航海,2013，36(3):80-85.

[8] PUSZCZ A, GUCMA L, GUCMA M. Development of a Model for Simulation of Vessel Traffic Streams[C]．The 14th International Conference on Transport Science-ICTS，2011．

[9] LIU JX，ZH0U F，WANG MQ．Simulation of Waterway Traffic Flow at Harbor Based on the Ship Behavior and Cellular Automata[C].International Conference on Artificial Intelligence and Computational Intelligence，2010.

[10] FEND Hongxiang. Cellular Automata Ship Traffic Flow Model Considering Integrated Bridge System[J]. International Journal of U-and E-Service, Science and Technology, 2013,6(6):111-120.

RiskAnalysisofTrafficCongestioninBridgeConstructionAreaandCountermeasures

CHENShuzhe1,2a,HUANZe2b,YUANZhitao2a

(1. Hubei Key Laboratory of Inland Shipping Technology, Wuhan 430063, China; 2a. School of Navigation; 2b. School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

2016-01-11

國家自然科學基金(51479157)；國家科技支撐計劃(2015BAG20B05)

陳蜀喆(1979—)，男，湖北武漢人，講師，博士，從事交通信息工程及控制研究。E-mail:404816705@qq.com

1000-4653(2016)01-0044-06

U676.1

A