第19卷 第2期 中 国 水 运 Vol.19 No.2 2019年 2月 China Water Transport February 2019 内河性航道跨航桥梁防撞分析 谢亭亭，张睿涵 摘 要：本文首先分析了内河和沿海桥梁防撞研究的差距，并指出加强内河桥梁防撞研究的必要性；其次分析了内河航道中桥梁的各种不同情况及拆建保留原则，最后本文系统梳理了既有的各类桥梁防撞措施，并从经济性、技术可行性等角度分析提出了不同情况的具体防撞推荐措施，本文研究对推进内河桥梁防撞具有积极的引导意义。 关键词：内河性航道；跨航桥梁；防撞墩；船闸撞击力 中图分类号：U1.3 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2019）02-0212-02 一、研究意义 跨海跨江大桥由于建设投资巨大，且通航船舶吨位大（万吨级）、船速快（6-20节）、撞击力巨大（万KN），如若发生船舶偏航而撞击桥梁导致桥梁受损甚至垮塌等，将造成极其巨大的经济影响和严重的负面社会影响，如广东九江大桥等桥梁垮塌事故，因此国内外对跨海跨江大桥的防撞研究较多[1-3]，且实际中跨海跨江大桥防撞设施建设投入较大，防撞设施也较为充分和周全。而对于内河性航道，由于航道面宽较窄（一般不超100m），历来航道等级较低（全国五及以下航道占比80%以上），通航船舶吨位较小（1,000t级以下）、船速相对较慢（5~8节），因此对内河性航道的跨航桥梁防撞研究相对较少，且实际中桥梁防撞设施建设投入也相对不足，防撞设施较少，防撞能力较差，如若发生船撞桥事故，代价也非常巨大。 “十一五”以来，国家持续加大内河水运基础设施投入[4]，全国航道等级逐步提高。目前高等级航道中的四级航道里程已超过10,000km、三级已达到7,000km，内河性航道中以京杭运河为例，山东济宁以南至江苏长江以北段已达到二级，江苏苏南段已达到三级，浙江段也正在进行三级整治，在高等级航道中行驶的船舶平均吨位已接近1,000t级，且随着造船及船用发动机的技术进步，船舶航速持续增长，如果发生船舶撞桥事故也必将造成极其严重的经济和社会影响。因此，我们需转变观念，深化内河性航道跨航桥梁的防撞研究，强化桥梁防撞设施。 二、防撞设施设置原因及原则 内河性航道提升改造过程中，跨航桥梁的建设作为航道改造工程的一部分，其拆建标准应该是达不到通航标准的跨航桥梁全部拆除重建，即长三角地区三级、四级航道跨航桥梁主跨净空尺度需满足Bm*Hm=60*7m、55*7m，且按一跨过河标准建设[5]，新建桥墩全部设置于岸基。但是，实际中由于长三角地区河网密集、人口密度大、经济相对发达，既有跨航桥梁非常多，改造代价非常大，新建桥梁建设投资也非常大，需逐一认真研究分析。 收稿日期：2018-09-02 作者简介：谢亭亭（1985-），男，中交上航局航道建设有限公司工程师。 设计最高水位第1层集装箱最矮跨航桥梁底面 （中交上航局航道建设有限公司，浙江 宁波 315200） 1．既有桥梁保留原则：一是对于建成年份较近，质量状况较好，净高满足规范要求，净宽不满足规范要求的跨航桥梁；二是对于净空尺度满足要求但桩基位于航道中，或原本位于岸侧但由于航道拓宽后才致使桥墩位于航道中的跨航桥梁。出于合理控制造价，最大化发挥既有设施效益，避免不良社会影响等，均予以保留，但需加强管理，强化防撞措施，以保障通航安全。 2．既有桥梁拆除原则：一是五类危桥必须予以拆除重建；二是要求可通航两层或三层集装箱的航道，根据船舶过桥时的水位、高度及稳性分析[6]，详见下图，对于净高分别在4.1m、6.2m以下的桥梁必须要拆除重建。 3．新建桥梁建设原则：新建桥梁原则上需一跨过河，但对于位于较为宽阔航段的情况，如湖漾段等，宽度100m及以上，新建桥梁如采取一跨过河方式则工程造价将非常巨大（呈倍数级增长），则为合理控制造价，可以研究将桥墩设施于航道中，但需通过采取防撞措施等以保障通航安全。 控制性跨航桥梁底面0.5m（ 净空安全富裕）第3层集装箱0.5m（ 净空安全富裕）第2层集装箱4.1m（最矮桥梁净高）5.2m（2层集装箱净高）6.2m（控制性桥梁净高要求）第2层集装箱7.8m（3层集装箱净高）设计最高水位船舶外底面0.7m（箱底到船外底净距）2.3m（船舶吃水）第1层集装箱2.8m（船舶吃水）船舶外底面0.7m（箱底到船外底净距）五级航道底面（此时航道水深3.9~4.5m） 表1 航道防撞设置 三、主要防撞措施及分析 从受力的角度分析，内河性航道跨航桥梁防撞设施，可以分为非承载式防撞设施和承载式防撞设施。非承载式防撞设施可分为警示标志、预警系统和柔性耗能设施等三类。承载式防撞设施可分为防撞警示墩和防撞墩两类。 1．标准涂装警示标志。根据《内河通航水域桥梁警示标志》，主要设置于桥墩和桥梁上部结构，显示桥墩和通航净空，标明桥下可航行通道和船舶通过的最佳位置。图案由红、白 第2期 谢亭亭等：内河性航道跨航桥梁防撞分析 213 二色等宽度、倾角为45o的斜纹构成，可涂红白漆，显示通航孔、桥墩位置和实时净空。 2．桥底红外预警系统。随着船舶的日趋大型化，船舶水线以上高度越来越高，尤其是随着内河集装箱的迅猛发展，空重箱不同配载比例决定了船舶水线以上的不同高度，容易发生因跨航桥梁净高无法满足内河集装箱船通过要求而发生船顶撞桥底的事故，针对这种情况，地方海事部门制定出了一套行之有效的红外线防撞预警系统，即在桥梁净高以下安全富裕范围内设置水平红外射线，当船舶处在红外射线以下时，则系统不报警，船舶可安全通过，当船舶处于红外射线以上时，系统自动报警，经判断超线高度较小且仍在桥底以下一定范围内，则在保持船体整体平稳的前提下可降速缓慢通过；经判断超线高度较大且非常接近或超过桥底，则要求船舶立即停泊，待采取加载措施有效降低船舶水线以上高度满足安全通航要求后予以放行通过。例如，杭甬运河宁波市区段针对个别净高较低存在撞击风险的老桥设置了相应的红外防撞预警系统。 3．桥墩柔性耗能设施。全国内河航道中四级及以上高等级航道占比仅18%，非高等级及等外航道占通航总里程高达82%。实际中，出于航运效益需要，船舶通航主要集中在四级及以上高等级航道范围内；非高等级及等外航道中由于水深较浅，船舶通航不便，通航的船舶较少，且多限定为小吨位船舶。由于小吨位船舶撞击力相对较小，对于非一跨过河而设墩于水中的一些可承载相对较大船舶撞击力的跨航桥墩，可在桥墩上设施一圈橡胶护舷，或设置一圈橡胶轮胎，帮助有效降低船舶撞桥时的能量，即保护了桥墩，也避免了船舶的毁损。 4．防撞警示墩。主要用于桥梁自身有足够的防撞能力，但为避免船舶与桥梁相撞，设立防撞警示墩，以防止船舶直接撞到桥墩上出现局部撞坏。防撞警示墩可承受一定的船舶撞击荷载，但在较大的船舶撞击力作用下，防撞警示墩可被破坏。通过先行撞击警示墩，有效降低船舶撞击力，实现了保护桥梁作用。防撞警示墩多为单桩机构，即一根直立式的钻孔灌注桩或预制打入桩。 5．防撞墩。主要从设置原则、撞击力计算及结构选型等角度进行分析。 （1）防撞墩设置原则：一般而言防撞墩的设置需综合考虑桥梁重要性、桥梁撞坏影响、道路等级、结构型式、地形地貌、通航水位、水流特征、船型及碰撞速度、与桥梁间距以及不得减小通航净宽等因素。因内河航道涉水跨航桥梁一般都是单孔通航，故防撞墩需沿桥墩前后分别布置，共4座，与桥梁间距不超过设计船宽。 （2）船舶撞击力计算：内河性高等级航道建设以四级、三级航道为主、二级为辅，2004版公路桥涵设计通用规范指出当缺乏实际调查资料时，内河上船舶撞击作用的标准值可按下表采用。随着船舶的大型化且超载、航速快等因 素，取值相对偏小。故2015版规范则取消了三级及以上航道相应吨级船舶撞击作用标准值取值，建议按专题研究确定。 表1 不同航道等级参数 内河航道等级 船舶吨级DWT（t） 横桥向撞击作用（KN） 顺桥向撞击作用（KN） 一级 3,000 1,400 1,100 二级 2,000 1,100 900 三级 1,000 800 650 鉴于实际航行的情况，可参照漂流物横桥向撞击力公式，考虑船舶超载、航速因素，可将水流速度替换为船舶航速计算船舶撞击力，否则计算值明显偏小。 F=Wv/（gT） F—漂流物横桥向撞击力（KN）； W—漂流物重力（KN），根据河道中漂流物情况，按实际调查确定； v—水流速度（m/s）； T—撞击时间（s），在无实际资料时，可用1s； g—重力加速度（m/s2），g=9.8m/s2。 1,000t级、2,000t级船闸分别按实载1,600t载重吨、3,000t载重吨，在6节航速下横桥向撞击力分别约为5,000KN、10,000KN，远大于2004版规范标准值。 3）防撞墩桩型确定：防撞墩实质上就是桩基础，只是一般桩基础主要用于承受持续的竖向作用力，而防撞墩主要用于承受偶然的横向作用力。一方面从横向受力角度考虑，斜桩优于直桩，直桩中预制桩（钢管桩或预应力PHC桩）又优于钢筋混凝土灌注桩。另一方面从航道条件角度考虑，由于内河航道水深较浅，有利于灌注桩施工，且内河桥梁桩基采用灌注桩的设计习惯及施工工艺的成熟性，实际中多采用大直径的钢筋混凝土钻孔灌注桩+桩基外部高强度的钢板作钢套筒组合，三级航道考虑抵抗1,000t级船舶撞击，多为直径2.5~3m的单柱式结构，二级航道为灌注桩群桩结构。同时，防撞墩顶部设置LED太阳能信号灯，作用船舶航行警示；迎撞侧设置橡胶护弦，墩体侧面贴反光膜警示标示。 参考文献 [1] Larry D，Olson P E Dynamic bridge substructure evaluation and monitoring[R] Report No. FHWA-RD-03-0，U.S. Federal Highway Administration，2005. [2] 陈国虞，王礼立.船撞桥及其防御[M].北京：铁搭工业出版社，2006. [3] 翁卫军.大型桥梁防撞方法及应用研究[J].宁波大学学报（理工版)，2011，24（4）：106-111. [4] 关于加快长江等内河水运发展的意见（国发〔2011〕2号）. [5] 交通运输部天津水运工程科学研究所JTS 180-2-2011.运河通航标准[S].北京：人民交通出版社，2011. [6] 仲南艳.浙江省内河集装箱运输适用船型研究[J].水运工程，2015，5.
