水上支架臨時防撞柔性攔阻系統技術研究與應用

秦 星

(中交(廣州)建設有限公司，廣東 廣州 511458)

1 引言

在我國，日益繁重的交通壓力促發了更多的橋梁修建工程。為避免船橋相撞事故，出現了一系列的水上臨時或永久防撞設施來保證橋梁的安全。本文通過對廣州鳳凰二橋所跨越的航道及附近地區的港口、水文、船型調查，提出了合理的通航凈空尺度，根據臨時防撞設施對航道的影響采取相應的技術措施，使其滿足所跨越的上橫瀝水道的通航安全技術要求，為水上防撞攔阻系統工程施工提供資料和審批依據，也為以后類似的水上施工防撞措施提供參考。

2 工程概況

廣州南沙鳳凰二橋全長2145 m，其中主橋結構形式為上承式混凝土葵花形拱橋，橋長312 m，跨越內河Ⅵ級航道。橋梁設計1個雙向通航孔，凈高6 m，凈寬38 m。主橋采用水上鋼管支架施工，為了滿足施工期間通航防撞要求，防止個別偏航或機械故障船舶與橋墩臨時支架碰撞，在上下游距離橋梁支架20 m處設置防撞墩組，防撞墩組采用外“八”形式布置，與航道軸線呈60°，防撞墩組之間上部采用柔性阻攔設施連接成整體，并配置自應力浮筒使其整體能隨水位上下浮動。柔性防撞系統平面布置圖見圖1。

圖1 柔性防撞系統平面布置

3 施工水域調查

3.1 防撞船型調查

為了了解鳳凰二橋施工水域過往船舶的密度、大小、船型，以便科學地選取合理的撞擊代表船型，項目組于2014年10月17～18日前往施工水域上游造船廠進行實地蹲點觀測。2014年10月17日上午9點～2014年10月18日上午9點，共24 h船舶過往情況如表1。

表1 10月17日上午9點～10月18日上午9點過往船舶統計

從表1可知，100t級的船舶占全天過往船舶的61.8%；100t級以下的占38.2%。過往貨船比例為78.7%，過往油/氣船比例為4.5%，過往其他船型比例為16.8%。因此，來船主要還是以散貨船為主，本工程撞擊代表船型推薦采用貨船。

此報告以早上5點至晚上8點為白天，晚上8點至次日早上5點30分為晚上，那么在白天、晚上船舶過往情況如表2。

表2 10月17日上午9點～10月18日上午9點分時段過往船舶統計

從表2可知，大多數船舶白天通行，占86%；小量船舶晚上通行，占14%。

綜上所述，該河段主要為100 t及以下船舶，其中100噸級的船舶約占37%；100噸級的船舶約占63%。觀測到的船舶以貨船為主，占78%左右。大多數船舶白天通行，約占86%，小量船舶晚上通行，占14%。

3.2 防撞代表船型

在所有的統計來船中貨船占78%，油/氣船占5%，其他船舶占17%。因此，來船主要還是以散貨船為主，本文撞擊代表船型(表3)推薦采用貨船。

表3 撞擊代表船型

4 臨時柔性攔阻系統組成

防撞墩與輔助墩之間采用柔性攔阻系統連接，該系統包括上下恒阻力浮筒、自適應浮筒、攔阻索、攔阻網等組成。

防撞墩組起定位和承受水平攔阻力作用。攔阻系統采用浮式設計，阻攔系統的高程相對于水面保持不變，適應潮位差的變化。攔阻系統長為50～70 m之間。一般情況下，上下攔阻索、攔阻網在恒阻力浮筒和自適應浮筒的作用下平鋪于水面，高于水面30 cm，可隨水位的變化，始終保證攔阻索位于水平面以上。防止水面垃圾等掛于攔阻索，影響攔阻系統安全和攔阻效果(圖2)。

圖2 柔性攔阻系統

4.1 恒阻力浮筒

自平衡攔阻系統由兩部分構成，分別為恒阻力浮筒及自平衡小浮筒。恒阻力浮筒在已施打的鋼管樁上布置，能隨著潮位上下浮動，可以繞著鋼管樁自由轉動，以適應攔阻過程中受力方向的變化。

4.2 自平衡小浮筒

為防止船舶從纜索頂上經過后，將自平衡小浮筒與攔阻索鏈壓入水中，致使攔阻系統失去作用，因此研究開發自平衡機構。該自平衡機構基于小浮筒的浮心、重心計算而設計，主要組成部分為自平衡小炮浮筒，可達到攔截撞擊船舶的自平衡作用。柔性攔阻系統處于非工作狀態時，自平衡小浮筒維持攔截網浮于水面以上。

4.3 恒阻力攔阻網

為了控制柔性攔阻系統對撞擊船舶的攔阻力的大小，設計了恒阻力纜索。當船舶撞擊攔阻網并一起往前滑動時，高強度纜索被主繩拉緊。高強度纜索的抗拉力保持在20 t左右，纜索被拉伸，而攔阻網主繩在100 t左右拉力作用下才會斷裂。恒阻力纜索當主繩(鐵鏈)受到拉力時，恒阻力纜索將被拉伸，直至斷裂，小浮筒轉動，帶動另外一根恒阻力纜索，纜索在受拉過程中將提供、維持拉力，并吸收能量。

5 臨時柔性攔阻系統原理

當船舶來撞時，船首首先碰觸下層攔阻索，在船舶撞擊力的作用下向船舶行駛方向拉伸；另外，因為船舷弧度，使得下層攔阻索同時向下運動。下層攔阻索向下運動的同時，帶動中間浮筒一端下沉，同時在浮力的作用下另一端上升， 帶動上層攔阻索和攔阻網豎起，垂直于水面，并包住船首，隨船體共同運動。

當船舶拖動攔截網向前運動時，攔阻索帶動恒張力浮筒錨鏈，錨鏈帶動剛強度纖維繩伸長、變形，當來撞船舶撞擊力作用在攔阻索上的力大于纖維繩的最大破斷拉力時，纖維繩斷裂，與此同時，后續纖維繩在錨鏈的帶動下開始起作用，保證持續、恒定的張力。錨鏈帶動恒阻力浮筒繞鋼管樁旋轉，同時帶動后續纖維繩變形，提供持續的恒阻力，周而復始，直至船舶停止前進(圖3)。

圖3 臨時柔性攔阻系統原理

攔阻索分為上層攔阻索與下層攔阻索，上、下攔阻索分別與恒張力浮筒無擋錨鏈相連(圖4)。

圖4 上、下攔阻索與恒張力浮筒無擋錨鏈相連

船舶在攔阻系統作用下，前行約17 m，小于20 m的最小安全距離，滿足要求。

6 柔性攔阻系統應用優點

柔性攔阻系統有適應性好、結構簡單、制作方便、安全可靠、經濟性好、運用前景好等技術特征：

(1)適應性好。該系統可根據需要，適應不同通航等級、不同掩護范圍的要求。既適于大噸位船舶通航水域，也適于小噸位船舶通航水域；既適于小范圍、局部掩護，也適于大范圍、全區域掩護。

(2)結構簡單。本系統結構包括鋼管樁、恒阻力浮筒、中間浮筒，各結構之間通過鋼絲繩、無擋錨鏈、彈性繩連接，結構簡單。

(3)制作方便。 浮筒材料為普通鋼材，經簡單加工即可完成結構物制造；鋼管樁可與項目其他鋼管樁通用，材料易得；鋼絲繩、無擋錨鏈、彈性繩等可根據規格型號直接采購。

(4)安全可靠。該系統為主動柔性防撞，可以有效減小來撞船舶的瞬時撞擊力；撞擊物與施工臨時結構不接觸，可有效保護臨時結構物的安全。

(5)經濟性好。該柔性防撞系統造價低廉，維護方便，可有效降低項目成本。

(6)運用前景好。防撞裝置對于橋梁建設和運營期間的安全防護意義重大，該柔性防撞系統可廣泛用于水上建筑物施工期臨時結構的防護，具有很好的運用前景。

7 結語

通過分析鳳凰二橋所在區域的自然條件、航道狀況、通航環境等內容，結合鳳凰二橋臨時通航孔支架的設計情況，確定并成功施工運用了柔性攔阻系統+防撞墩+輔助墩形式的臨時防撞體系，保證了鳳凰二橋主橋施工過程中棧橋和水上支架的安全。

在日益繁重的水上通航壓力下，通航水道橋梁施工過程或使用過程中的防撞安全措施越發重要，本項目防撞墩+輔助墩+柔性攔阻系統的成功運用，為類似水上施工提供借鑒，亦給永久防撞設施的設計運用提供參考。