中國跨海大橋防撞體系的應用現狀

馮忠居，李維洲，戴良軍，李孝雄，4，王增賢，劉 闖，吳敬武

1.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064 2.中交華東區域總部，江蘇 南京 211800 3.安徽建工集團有限公司，安徽 合肥 230001 4.滁州學院 地理信息與旅游學院，安徽 滁州 239000 5.福建省交通運輸廳，福建 福州 350004 6.海南省交通運輸廳，海南 海口 570000 7.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100000

中國跨海大橋防撞體系的應用現狀

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.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064 2.中交華東區域總部，江蘇 南京 211800 3.安徽建工集團有限公司，安徽 合肥 230001 4.滁州學院 地理信息與旅游學院，安徽 滁州 239000 5.福建省交通運輸廳，福建 福州 350004 6.海南省交通運輸廳，海南 海口 570000 7.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100000

0 引言

跨海大橋的建設為交通運輸帶來了便利，促進了沿海地區社會效益和經濟效益的高速發展；但隨著船舶運輸業的崛起，數萬噸級特大型船舶的數量急劇增加，且在海水流速較大、自然環境復雜等各種因素的影響下，船撞橋梁事故頻發[1]。世界范圍內每年都會發生船撞橋梁事件，嚴重危害人民生命安全，給國民經濟帶來巨大的損失，同時破壞了海洋生態環境。

因此，船撞橋梁的安全問題受到全世界廣泛關注，相關設計及施工單位也提出了相應的防撞措施。本文通過對中國已建或在建跨海大橋防撞措施資料的收集及分析，總結了中國跨海大橋防撞體系的應用現狀，為后期深入、系統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 事故總體統計分析

據國內外資料統計，船舶撞毀橋梁的事故在全世界范圍內已發生100余次，造成數千人傷亡，事故的發生給國民經濟帶來了極大的損失。中國船撞橋梁事故的部分統計見表1[2^3]。

表1 船撞橋事件年代統計

從表1可看出，20世紀船撞橋梁事故總數逐年攀升，到21世紀后事故總數下降。其主要原因是，20世紀隨著經濟發展，跨海、跨江大橋不斷修建，且船舶業興起，橋梁設計未充分考慮防撞措施，導致事故不斷發生。隨著設計、施工水平增長，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，使近年來船撞橋梁事故不斷減少。

1.2 事故原因分析

20世紀中國發生最大船撞橋梁事故為發生于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，直接經濟損失達600余萬元，該區域自然環境受到的影響巨大。龍港大橋在2003年再次受到船舶撞擊，導致橋墩底座包鐵嚴重變形。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，導致橋墩受損，混凝土大面積剝落，如圖1所示。武漢長江大橋自建成通車后遭遇70多次船舶撞擊事件[4]；南京長江大橋自1968年通車后先后遭遇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次九江大橋； 2007年，一艘運砂船經過九江大橋橋底時，突然撞向橋墩，隨后橋面迅速垮塌，該事故導致多人受傷，如圖2所示。最近報道的國內船舶撞擊橋梁事故發生在2017 年4月1日，一艘貨船通過珠海市斗門蓮大橋時不慎撞到橋梁，導致橋上正中一片梁位移近1 m，橋面前后兩部分出現明顯錯位，被撞移位的橋面也出現斷裂痕跡。

跨海大橋防撞安全問題在全世界范圍內受到廣泛關注，相關設計單位也根據要求開展了專項橋梁防撞研究，規范了防撞設計及相關風險評估，并應用于中國跨海大橋。

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 跨海大橋防撞設計

為防止船舶撞擊橋梁導致橋梁損壞，需對跨海橋梁安裝相應的防撞設施，以確保橋梁結構安全[6]。防撞措施主要分為兩大類：阻止船舶與橋梁直接撞擊接觸；船舶撞擊橋梁后，通過消能緩沖的方式降低撞擊力，達到防撞作用。防撞設計考慮的因素主要有：橋址區氣象、水文及地質情況；航道幾何尺寸、通航等級、通航密度、航速及船舶類型；適用性、經濟性等。

2.1 主動防撞措施

主動防撞措施主要是通過對船舶、航道及作業進行規范管理達到防撞目的，常規手段有：設置助航標志，標明海域中的淺灘、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；對專供船舶停泊及作業水域進行管理；通過AIS、VTS等電子網絡化密切觀察、監管船舶作業、航行等[7]。

2.2 被動防撞措施

被動防撞措施主要有兩大類：第一類是設置防撞結構替代橋梁與船舶直接接觸，該防撞結構設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；第二類是直接式，即將防撞措施直接附于橋梁相應位置處，當船舶撞擊橋梁時，防撞措施以消能緩沖的方式降低撞擊力，常見措施有防撞鋼套箱、橡膠護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，或與其他措施結合使用。陳國虞提出了“三不壞”鋼絲繩圈柔性防撞裝置，并成功應用于湛江海灣大橋，如圖3所示。隨著復合材料結構與性能的發展，復合材料已被廣泛應用于橋梁防撞設計中[8]，如圖4所示。

圖3 鋼絲繩圈柔性防撞裝置

圖4 復合材料管樁防撞系統

(2)緩沖消能設施。緩沖消能設施主要有混凝土結構或鋼結構箱體，其原理是消能設施遭遇船舶撞擊后變形、破壞，進而吸收撞擊能量，減小撞擊力。該措施由于可滿足不同形狀及結構尺寸，因此在中國跨海大橋中應用廣泛，已應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)、東海大橋等國內多座跨海大橋。

(3)重力式防撞墩。重力式防撞墩主要采用圓形鋼護筒、鋼板樁圍堰形成外圍擋水結構，內填砂石料，吸收船舶撞擊能量。現有重力式防撞墩內填混凝土以達到更佳效果，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，內部填充沙、石。人工島可有效吸收撞擊動能，減小船舶損壞程度，建設及維修費用低，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水位較深、地質穩定的情況，多為鋼管樁，埋深及樁徑主要由設計撞擊力決定。為了增加防撞墩效果，可將鋼管樁設為斜樁，且在樁基之間設置平聯體系。防撞墩易于更換、維修，且效果較好，但對船舶的損傷較明顯，如圖9所示。

(6)浮體系方式。浮體系主要由上層結構(含浮體)、鋼絲繩及底層錨碇組成。當船舶航行通過境界位置時，船舶碰到上層結構，撞擊力通過浮體及鋼絲繩系統傳遞給底層錨碇，底層錨碇通過固定于海床面來提供反力，從而降低船舶撞擊力。船舶吃水較淺，易穿越浮體，無法達到防撞目的。但2010年寧波大學發明的自適應恒阻力防撞攔截系統成功地解決了這一問題，并應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 防撞墩設施

(7)鋼圍堰。鋼圍堰防撞措施是在基礎施工時對臨時鋼圍堰進行改造升級，雙壁鋼圍堰的改造升級措施為：將混凝土填充至圍堰體內，有效增大鋼圍堰整體剛度；將橡膠護舷等緩沖消能材料安裝在圍堰外壁，減小船舶的撞擊力；海洋環境對結構物腐蝕性極大，為了延長鋼圍堰使用年限，對鋼結構部件進行防腐油漆的涂裝。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施。當跨海大橋所在海域潮差較大，墩柱處于潮汐變動區，為有效地保護墩身和承臺，設計出了浮式鋼套箱。該防撞設施由橡膠件及鋼結構組成，最大的優點是可隨潮位上下浮動，更大范圍保護橋梁墩身。但套箱由于長期不斷運動，易導致防撞設施易損壞，且該構件需采用專門的防腐措施。浮式鋼套箱消能防撞設施及工程應用如圖12、13所示。

2.3 既有跨海大橋防撞措施

通過對中國跨海大橋防撞措施的調研與分析，歸納出橋梁的典型防撞措施類型及應用情況，如表2所示。

從表2可看出，中國跨海大橋防撞措施主要有人工島、管形浮鋼圍堰、防撞鋼套箱及復合材料防撞護舷。通航孔主墩防撞措施以防撞鋼套箱為主，但隨著復合材料的快速發展，復合材料防撞護舷在實體工程中得到了廣泛的應用。

圖12 浮式鋼套箱

圖13 浮式防撞裝置工程應用

表2 中國跨海大橋采用的防撞設施結構形式

3 跨海大橋防撞施工技術

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運輸至施工現場，可作為樁基礎施工時的臨時圍堰，質量和安裝進度可有效控制，后期損壞可分塊拆卸維修[12]，在中國跨海大橋中被廣泛應用。以下結合平潭大橋實體工程介紹防撞鋼套箱施工技術。

防撞鋼套箱的施工流程為：加工制作、運輸及整體吊裝、支撐挑梁、測量定位及固定、封底混凝土澆注、箱內抽水、承臺施工、防撞功能啟用。

(1)運輸及整體吊裝。鋼套箱在加工廠驗收合格后，利用起重船將分節后鋼套箱吊至半淺駁船上并固定，防止在運輸工程中受到海浪及海風的影響。鋼套箱的運輸吊裝如圖14所示。

圖14 鋼套箱整海上運輸及吊裝

(2)支撐挑梁。當樁基礎施工完成后，安裝鋼套箱作為承臺施工的臨時圍堰和模板，安裝前需拆除防撞鋼套箱平面范圍內鉆孔平臺，僅保留樁基鋼護筒。

(3)測量定位及固定。鋼套箱在下放過程中根據預留在平臺軌道梁和鋼套箱的中軸線位置進行緊密安裝。安裝時需待高潮位平潮，起重船再開始起吊鋼套箱。安裝鋼套箱平面偏差應控制在5 cm范圍內。當安裝精度達到要求后，立即對鋼套箱的拉壓桿、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。澆注封底混凝土時，鋼套箱底板需露出水面。澆注前需將鋼護筒外側、套箱底板清理干凈，防止混凝土由于雜質影響導致封底失敗。

圖15 防撞鋼套箱安裝定位固定

(5)箱內抽水。封底混凝土達到設計強度后，排除箱內多余海水，準備承臺施工。

(6)承臺施工。鋼套箱作為承臺施工的臨時圍堰，因此，承臺施工不受海水的影響，當箱內抽水完成后，可直接進行承臺鋼筋的綁扎及混凝土澆注。

(7)防撞功能啟用。當承臺施工結束后，解除挑梁，安裝防撞鋼套箱的掛腿和防撞的橡膠護護舷，修復損壞的防腐涂裝，防撞鋼套箱即施工結束。

4 工程建議

被動防撞措施可有效削弱橋墩受到的船舶撞擊力，保證橋梁運營的安全，但被動防撞措施無法確保橋梁不受損壞，且對船舶破壞極大。因此，在充分考慮被動防撞措施的同時，應加強跨海大橋主動防撞措施的實施。

跨海大橋防撞措施的設計及安裝施工應綜合考慮橋址區的氣象、水文、海況、施工工藝、相應的配套設備及經濟適用性等因素。

5 結語

(1)跨海大橋通航等級一般較高，船舶載重量可達幾十萬噸，船舶在人為與自然因素下易發生撞擊橋梁的事故，對橋梁產生毀滅性破壞，直接影響橋梁運營安全。

(2)中國已建或在建跨海大橋基礎形式一般多為群樁基礎、承臺結構形式，被動防撞設施選用防撞鋼套箱時，不僅可有效保護樁基不直接被船舶撞擊，且在承臺施工時可作為臨時圍堰，經濟效果較好。

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

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福建省交通科技發展項目(200820)