中国跨海大桥防撞体系的应用现状

冯忠居，李维洲，戴良军，李孝雄，4，王增贤，刘 闯，吴敬武

1.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064 2.中交华东区域总部，江苏 南京 211800 3.安徽建工集团有限公司，安徽 合肥 230001 4.滁州学院 地理信息与旅游学院，安徽 滁州 239000 5.福建省交通运输厅，福建 福州 350004 6.海南省交通运输厅，海南 海口 570000 7.中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100000

中国跨海大桥防撞体系的应用现状

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

冯忠居1，李维洲2，戴良军3，李孝雄1，4，王增贤5，刘 闯6，吴敬武7

1.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064 2.中交华东区域总部，江苏 南京 211800 3.安徽建工集团有限公司，安徽 合肥 230001 4.滁州学院 地理信息与旅游学院，安徽 滁州 239000 5.福建省交通运输厅，福建 福州 350004 6.海南省交通运输厅，海南 海口 570000 7.中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100000

0 引言

跨海大桥的建设为交通运输带来了便利，促进了沿海地区社会效益和经济效益的高速发展；但随着船舶运输业的崛起，数万吨级特大型船舶的数量急剧增加，且在海水流速较大、自然环境复杂等各种因素的影响下，船撞桥梁事故频发[1]。世界范围内每年都会发生船撞桥梁事件，严重危害人民生命安全，给国民经济带来巨大的损失，同时破坏了海洋生态环境。

因此，船撞桥梁的安全问题受到全世界广泛关注，相关设计及施工单位也提出了相应的防撞措施。本文通过对中国已建或在建跨海大桥防撞措施资料的收集及分析，总结了中国跨海大桥防撞体系的应用现状，为后期深入、系统研究跨海大桥防撞体系提供一定的借鉴。

1 船舶撞毁桥梁事件

1.1 事故总体统计分析

据国内外资料统计，船舶撞毁桥梁的事故在全世界范围内已发生100余次，造成数千人伤亡，事故的发生给国民经济带来了极大的损失。中国船撞桥梁事故的部分统计见表1[2^3]。

表1 船撞桥事件年代统计

从表1可看出，20世纪船撞桥梁事故总数逐年攀升，到21世纪后事故总数下降。其主要原因是，20世纪随着经济发展，跨海、跨江大桥不断修建，且船舶业兴起，桥梁设计未充分考虑防撞措施，导致事故不断发生。随着设计、施工水平增长，桥梁跨径及净高不断加大，防撞体系不断完善，船舶操作水平提高，使近年来船撞桥梁事故不断减少。

1.2 事故原因分析

20世纪中国发生最大船撞桥梁事故为发生于1998年的龙港大桥被撞事件。事故是由于船舶失控加之潮水影响猛撞大桥，导致桥面直接坠落于船面，造成多人伤亡及船上所载甲苯外泄，直接经济损失达600余万元，该区域自然环境受到的影响巨大。龙港大桥在2003年再次受到船舶撞击，导致桥墩底座包铁严重变形。2002年，由于江水突然上涨，一艘船舶失控，径直撞向飞云大桥桥墩，导致桥墩受损，混凝土大面积剥落，如图1所示。武汉长江大桥自建成通车后遭遇70多次船舶撞击事件[4]；南京长江大桥自1968年通车后先后遭遇30多次船舶撞击事故[5]；杭州湾大桥、平潭大桥在桥梁施工期间就遭遇船舶撞击数次九江大桥； 2007年，一艘运砂船经过九江大桥桥底时，突然撞向桥墩，随后桥面迅速垮塌，该事故导致多人受伤，如图2所示。最近报道的国内船舶撞击桥梁事故发生在2017 年4月1日，一艘货船通过珠海市斗门莲大桥时不慎撞到桥梁，导致桥上正中一片梁位移近1 m，桥面前后两部分出现明显错位，被撞移位的桥面也出现断裂痕迹。

跨海大桥防撞安全问题在全世界范围内受到广泛关注，相关设计单位也根据要求开展了专项桥梁防撞研究，规范了防撞设计及相关风险评估，并应用于中国跨海大桥。

图1 飞云江大桥被撞桥墩

图2 广东九江大桥桥墩被撞后桥面垮塌

2 跨海大桥防撞设计

为防止船舶撞击桥梁导致桥梁损坏，需对跨海桥梁安装相应的防撞设施，以确保桥梁结构安全[6]。防撞措施主要分为两大类：阻止船舶与桥梁直接撞击接触；船舶撞击桥梁后，通过消能缓冲的方式降低撞击力，达到防撞作用。防撞设计考虑的因素主要有：桥址区气象、水文及地质情况；航道几何尺寸、通航等级、通航密度、航速及船舶类型；适用性、经济性等。

2.1 主动防撞措施

主动防撞措施主要是通过对船舶、航道及作业进行规范管理达到防撞目的，常规手段有：设置助航标志，标明海域中的浅滩、锚地、碍航物及航道，保证水上交通安全；指引船舶的离泊、航行及靠泊等活动；对专供船舶停泊及作业水域进行管理；通过AIS、VTS等电子网络化密切观察、监管船舶作业、航行等[7]。

2.2 被动防撞措施

被动防撞措施主要有两大类：第一类是设置防撞结构替代桥梁与船舶直接接触，该防撞结构设位于桥梁之外的位置，适用于水深较浅、航道较宽且海水冲刷较小的情况，主要有人工岛、防撞墩等；第二类是直接式，即将防撞措施直接附于桥梁相应位置处，当船舶撞击桥梁时，防撞措施以消能缓冲的方式降低撞击力，常见措施有防撞钢套箱、橡胶护舷以及采用缓冲能量新材料等。

(1)采用缓冲材料。主要采用橡胶等受力易变形的材料在船舶撞击过程中消能缓冲，从而减小撞击力的作用，因其只能消除一定程度的撞击力，仅适用于小型船舶撞击情况，或与其他措施结合使用。陈国虞提出了“三不坏”钢丝绳圈柔性防撞装置，并成功应用于湛江海湾大桥，如图3所示。随着复合材料结构与性能的发展，复合材料已被广泛应用于桥梁防撞设计中[8]，如图4所示。

图3 钢丝绳圈柔性防撞装置

图4 复合材料管桩防撞系统

(2)缓冲消能设施。缓冲消能设施主要有混凝土结构或钢结构箱体，其原理是消能设施遭遇船舶撞击后变形、破坏，进而吸收撞击能量，减小撞击力。该措施由于可满足不同形状及结构尺寸，因此在中国跨海大桥中应用广泛，已应用于杭州湾跨海大桥[9](图5)、象山港跨海大桥、平潭海峡大桥[10](图6)、东海大桥等国内多座跨海大桥。

(3)重力式防撞墩。重力式防撞墩主要采用圆形钢护筒、钢板桩围堰形成外围挡水结构，内填砂石料，吸收船舶撞击能量。现有重力式防撞墩内填混凝土以达到更佳效果，如图7所示。

(4)人工岛。人工岛防撞措施是在水流上方设小岛以防止桥梁墩柱遭受船舶的撞击。人工岛外轮廓一般为流线形，四周斜坡较平缓，外围采用石头铺砌，内部填充沙、石。人工岛可有效吸收撞击动能，减小船舶损坏程度，建设及维修费用低，便于施工，但仅适用于浅水海域，且占用面积大，如图8所示。

图5 杭州湾大桥主墩钢套箱

图6 平潭海峡大桥主墩钢套箱

图7 重力式防撞墩

(5)防撞墩。防撞墩适用于桥址区水位较深、地质稳定的情况，多为钢管桩，埋深及桩径主要由设计撞击力决定。为了增加防撞墩效果，可将钢管桩设为斜桩，且在桩基之间设置平联体系。防撞墩易于更换、维修，且效果较好，但对船舶的损伤较明显，如图9所示。

(6)浮体系方式。浮体系主要由上层结构(含浮体)、钢丝绳及底层锚碇组成。当船舶航行通过境界位置时，船舶碰到上层结构，撞击力通过浮体及钢丝绳系统传递给底层锚碇，底层锚碇通过固定于海床面来提供反力，从而降低船舶撞击力。船舶吃水较浅，易穿越浮体，无法达到防撞目的。但2010年宁波大学发明的自适应恒阻力防撞拦截系统成功地解决了这一问题，并应用于平潭海峡大桥引桥中[11]。浮体系拦截防撞如图10所示。

图8 航道桥人工防撞岛

图9 防撞墩设施

(7)钢围堰。钢围堰防撞措施是在基础施工时对临时钢围堰进行改造升级，双壁钢围堰的改造升级措施为：将混凝土填充至围堰体内，有效增大钢围堰整体刚度；将橡胶护舷等缓冲消能材料安装在围堰外壁，减小船舶的撞击力；海洋环境对结构物腐蚀性极大，为了延长钢围堰使用年限，对钢结构部件进行防腐油漆的涂装。防撞钢围堰如图11所示。

图10 浮体系拦截防撞

图11 防撞钢围堰

(8)浮式钢套箱消能防撞设施。当跨海大桥所在海域潮差较大，墩柱处于潮汐变动区，为有效地保护墩身和承台，设计出了浮式钢套箱。该防撞设施由橡胶件及钢结构组成，最大的优点是可随潮位上下浮动，更大范围保护桥梁墩身。但套箱由于长期不断运动，易导致防撞设施易损坏，且该构件需采用专门的防腐措施。浮式钢套箱消能防撞设施及工程应用如图12、13所示。

2.3 既有跨海大桥防撞措施

通过对中国跨海大桥防撞措施的调研与分析，归纳出桥梁的典型防撞措施类型及应用情况，如表2所示。

从表2可看出，中国跨海大桥防撞措施主要有人工岛、管形浮钢围堰、防撞钢套箱及复合材料防撞护舷。通航孔主墩防撞措施以防撞钢套箱为主，但随着复合材料的快速发展，复合材料防撞护舷在实体工程中得到了广泛的应用。

图12 浮式钢套箱

图13 浮式防撞装置工程应用

表2 中国跨海大桥采用的防撞设施结构形式

3 跨海大桥防撞施工技术

跨海大桥防撞措施较多，其中防撞钢套箱可在工厂加工后分节运输至施工现场，可作为桩基础施工时的临时围堰，质量和安装进度可有效控制，后期损坏可分块拆卸维修[12]，在中国跨海大桥中被广泛应用。以下结合平潭大桥实体工程介绍防撞钢套箱施工技术。

防撞钢套箱的施工流程为：加工制作、运输及整体吊装、支撑挑梁、测量定位及固定、封底混凝土浇注、箱内抽水、承台施工、防撞功能启用。

(1)运输及整体吊装。钢套箱在加工厂验收合格后，利用起重船将分节后钢套箱吊至半浅驳船上并固定，防止在运输工程中受到海浪及海风的影响。钢套箱的运输吊装如图14所示。

图14 钢套箱整海上运输及吊装

(2)支撑挑梁。当桩基础施工完成后，安装钢套箱作为承台施工的临时围堰和模板，安装前需拆除防撞钢套箱平面范围内钻孔平台，仅保留桩基钢护筒。

(3)测量定位及固定。钢套箱在下放过程中根据预留在平台轨道梁和钢套箱的中轴线位置进行紧密安装。安装时需待高潮位平潮，起重船再开始起吊钢套箱。安装钢套箱平面偏差应控制在5 cm范围内。当安装精度达到要求后，立即对钢套箱的拉压杆、挑梁及封孔板固定焊接；焊接固定需在潮水涨至套箱底板前完成。防撞钢套箱安装定位如图15所示。

(4)浇注封底混凝土。浇注封底混凝土时，钢套箱底板需露出水面。浇注前需将钢护筒外侧、套箱底板清理干净，防止混凝土由于杂质影响导致封底失败。

图15 防撞钢套箱安装定位固定

(5)箱内抽水。封底混凝土达到设计强度后，排除箱内多余海水，准备承台施工。

(6)承台施工。钢套箱作为承台施工的临时围堰，因此，承台施工不受海水的影响，当箱内抽水完成后，可直接进行承台钢筋的绑扎及混凝土浇注。

(7)防撞功能启用。当承台施工结束后，解除挑梁，安装防撞钢套箱的挂腿和防撞的橡胶护护舷，修复损坏的防腐涂装，防撞钢套箱即施工结束。

4 工程建议

被动防撞措施可有效削弱桥墩受到的船舶撞击力，保证桥梁运营的安全，但被动防撞措施无法确保桥梁不受损坏，且对船舶破坏极大。因此，在充分考虑被动防撞措施的同时，应加强跨海大桥主动防撞措施的实施。

跨海大桥防撞措施的设计及安装施工应综合考虑桥址区的气象、水文、海况、施工工艺、相应的配套设备及经济适用性等因素。

5 结语

(1)跨海大桥通航等级一般较高，船舶载重量可达几十万吨，船舶在人为与自然因素下易发生撞击桥梁的事故，对桥梁产生毁灭性破坏，直接影响桥梁运营安全。

(2)中国已建或在建跨海大桥基础形式一般多为群桩基础、承台结构形式，被动防撞设施选用防撞钢套箱时，不仅可有效保护桩基不直接被船舶撞击，且在承台施工时可作为临时围堰，经济效果较好。

(3) 相比其他被动防撞措施，防撞墩是最直接有效的防撞体系，且具有施工简单、工期短、成本低等优点。

[1] 马建华,刘德新,陈衍球.中国大陆海岸线随机前分形分维及其长度不确定性探讨[J].地理研究,2015,34(2):319-327.

[2] 张景峰.船舶—桥梁碰撞动力分析及船撞作用下桥梁结构可靠度研究[D].成都:西南交通大学,2016

[3] 林铁良,王君杰,陈艾荣,等.基于事故记录的船撞桥故障树建立[J].同济大学学报:自然科学版,2006,34(4):467-471

[4] 戴彤宇,聂 武.船撞桥事故综述[J].黑龙江交通科技,2003,26(2):1-3.

[5] 戴彤宇.船撞桥及其风险分析[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2003.

[6] 范 彬,王 林.船桥碰撞及桥梁防撞结构研究[J].江苏科技大学学报:自然科学版,2005,19(4):1-5.

[7] 祝世华.海上大型桥梁非通航孔防撞问题研究[J].港工技术,2011,48 (6):12-14.

[8] 王 平,方 海,张 强.桥梁复合材料防撞方案研究[J].世界桥梁, 2012(3):46-49.

[9] 于兴泉,孙国强.杭州湾跨海大桥北航道桥防船撞结构方案研究[J].桥梁建设,2006,40(3):8-11.

[10] 李维洲.跨海大桥深水桩基础防船撞能力及安全评估研究[D].西安:长安大学,2014.

[11] 王贝壳,陈 涛,杨黎明,等.非通航孔桥墩自适应拦截网防撞装置实船拦截试验与水动力计算[J].海洋工程,2017,35(1):90-96.

[12] 罗中军,涂 鹏.对桥区通航水域防范发生船舶碰撞桥梁事故的几点思考[J].珠江水运,2011(6):43-46.

福建省交通科技发展项目(200820)