梅海娟

（福州新區(qū)交通建設(shè)有限責(zé)任公司，福建 福州 350026）

0 引言

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，跨海、跨河橋梁快速建設(shè)，雖然滿足了陸路交通的延伸，但對(duì)于承擔(dān)水上運(yùn)輸?shù)拇?，橋梁卻在一定程度上阻礙了船舶航行。近年來(lái)也發(fā)生了多起船舶偏離航道撞擊橋墩事故，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，致使海、河環(huán)境也受到了污染，因此需要在大橋非通航區(qū)域水中引橋前方設(shè)置攔截設(shè)施。當(dāng)船舶偏離航道撞向攔截設(shè)施時(shí)，該設(shè)施自動(dòng)快速提升攔截網(wǎng)、包裹船頭。攔截網(wǎng)通過(guò)纜繩連接恒阻力裝置，當(dāng)船舶拖帶攔截網(wǎng)向前移動(dòng)時(shí)，恒阻力裝置對(duì)攔截網(wǎng)將提供一個(gè)大致恒定的拖阻力，阻礙船舶向前的動(dòng)力，消耗船舶動(dòng)能，直至船舶停止運(yùn)動(dòng)，達(dá)到保護(hù)大橋安全的目的。

1 防船撞技術(shù)研究成果

1.1 自適應(yīng)恒阻力攔截系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

通過(guò)模擬試驗(yàn)、實(shí)船撞擊試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，建立了自適應(yīng)恒阻力攔截技術(shù)。自適應(yīng)恒阻力攔截系統(tǒng)由系泊浮體、自適應(yīng)浮筒、恒阻力纜繩、恒阻力攔截網(wǎng)、系泊錨鏈和固定錨組成，如圖1 所示。

圖1 自適應(yīng)恒阻力攔截系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

1.2 自適應(yīng)恒阻力攔截系統(tǒng)的原理

當(dāng)船舶撞擊攔截系統(tǒng)時(shí)，船舶推動(dòng)攔截網(wǎng)最外側(cè)的鋼絲索（觸發(fā)鋼纜），在船撞力作用下，鋼纜逐步被壓入水中，隨鋼索向船首下部沉降，帶動(dòng)浮筒前部（船舶撞擊端）沉降，在提升鋼纜及浮力的作用下浮筒后部（靠近大橋端）升起，帶動(dòng)攔截網(wǎng)由水平狀態(tài)豎起展開，攔截網(wǎng)包住船頭，攔住船舶，并帶動(dòng)系泊浮體及固定錨一起運(yùn)動(dòng)，在此時(shí)恒阻力裝置將產(chǎn)生恒定的拖阻力作用于攔截網(wǎng)，使船舶在拖阻力的作用下降低速度，直至停止運(yùn)動(dòng)[1]。

2 引橋防船撞技術(shù)應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目概況

平潭海峽大橋共59 個(gè)橋墩，通航孔主橋橋墩設(shè)有防撞套箱，可以保護(hù)橋墩不受破壞，靠近通航孔兩側(cè)6個(gè)引橋橋墩（兩側(cè)各3 個(gè)橋墩）均在深水區(qū)域，且6 個(gè)引橋橋墩設(shè)計(jì)抗撞力為450t，其余橋墩抗撞力僅400t。而該橋設(shè)計(jì)通航標(biāo)準(zhǔn)為5000t 多功能用途船舶，所以水中引橋橋墩抗撞力小于通航標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)橋墩所產(chǎn)生的橫向撞擊力為2500t。通航孔設(shè)置為南北雙孔單向通航，北上通道程“S”型，因此在大橋引橋非通航孔附近設(shè)置攔截設(shè)施是非常必要的，既能保證大橋安全，也可以保證人身財(cái)產(chǎn)安全及海洋環(huán)境不受污染。

2.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

通航孔船舶航行標(biāo)準(zhǔn)5000t 多用途船舶，以載重量為5000t 的多用途船為典型船舶，排水量約為9000t，航速以8 節(jié)計(jì)，船速度約為4m/s。

式（1）中：

E——需要設(shè)防的船舶所具有的動(dòng)能

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JT D60—2015），5000t 海輪橫向撞擊作用力為25kN 作為大橋設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，即引橋的抗橫向船舶撞擊防護(hù)設(shè)施須能防御該典型船舶的撞擊，該攔截設(shè)施應(yīng)具有較強(qiáng)的能量吸收能力，其能量吸收能力要大于76MJ。

2.3 攔截范圍

攔截設(shè)施設(shè)在大橋非通航東西引橋南北，分成A、B、C、D 四個(gè)區(qū)域。A 區(qū)為47～51#橋墩南側(cè)，B 區(qū)為38～41#橋墩北側(cè)，C 區(qū)為38～41#橋墩南側(cè)，D 區(qū)為46～49#墩北側(cè)[2]，如圖2 所示。

圖2 引橋防船撞攔截設(shè)施分布示意圖

這是引橋防船撞攔截設(shè)施在國(guó)內(nèi)的首次應(yīng)用，無(wú)具體參考標(biāo)準(zhǔn)。首先對(duì)引橋防船撞D 區(qū)攔截設(shè)施施工，并進(jìn)行船舶撞擊試驗(yàn)，自適應(yīng)攔截設(shè)施在5000t 撞擊位置及各種撞擊姿態(tài)下以7 節(jié)速度正撞擊攔截系統(tǒng)時(shí)，撞擊結(jié)果驗(yàn)證攔截網(wǎng)、恒阻力繩索、錨鏈等抗拉強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。船舶在63m 的最大位移之內(nèi)被成功攔截，即使在有偏差的情況下，船舶也會(huì)在88m 位移時(shí)被完全攔截，因此，四個(gè)區(qū)攔截設(shè)施設(shè)置在距橋梁中心線200m 是能夠保證橋梁結(jié)構(gòu)安全的。驗(yàn)證了自適應(yīng)恒阻力船舶攔截設(shè)施的可靠性和實(shí)用性，并優(yōu)化其他三個(gè)區(qū)的設(shè)計(jì)圖紙。

2.4 引橋防船撞設(shè)施應(yīng)用

2.4.1 引橋防船撞設(shè)施設(shè)防范圍

該設(shè)施以C 區(qū)應(yīng)用為例，C 區(qū)攔截設(shè)施位于平潭海峽大橋37～42#橋墩南側(cè)，距大橋中心線200m，距航道對(duì)稱線（即44#橋墩中心線）約310m，同時(shí)與大橋縱向成30o夾角。

2.4.2 防船撞設(shè)施制作

（1）防撞裝置設(shè)施制作要求

組成攔截系統(tǒng)的系泊浮體、自適應(yīng)浮筒與船體結(jié)構(gòu)相似，由具有資質(zhì)的船廠制作，加工制作主要工藝要點(diǎn)達(dá)到以下要求。

第一，船用鋼板采用精密切割，并用趕板機(jī)矯平，下料后要在明顯位置打?qū)懴挡锤◇w零件號(hào)，利于組裝，手動(dòng)切割僅適用于次要零件或切割后邊緣需要機(jī)加工的零件；第二，組裝系泊浮體及自適應(yīng)浮筒所有焊縫為熔透焊縫，焊縫末端用手工焊包圓，焊縫不得有“咬邊”缺陷，不得有裂紋、未熔合、焊瘤、夾渣、未填滿弧坑及漏焊等缺陷，系泊浮體所有焊縫均采用雙面連續(xù)焊，自適應(yīng)浮筒焊縫采用K 型焊縫，全部為連續(xù)焊；第三，因系泊浮體和自適應(yīng)浮筒是水密結(jié)構(gòu)，所有水密艙均要進(jìn)行水密性試驗(yàn)，檢查鋼結(jié)構(gòu)是否會(huì)進(jìn)水等。水密性檢測(cè)分為一般沖水試驗(yàn)及充氣試驗(yàn)兩種，該項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)采用充氣試驗(yàn)，系泊浮體和自適應(yīng)浮筒內(nèi)每個(gè)艙均應(yīng)采用充氣試驗(yàn)進(jìn)行水密性試驗(yàn)；第四，系泊浮體和自適應(yīng)浮筒為鋼結(jié)構(gòu)，其長(zhǎng)期置于海面會(huì)受到海水腐蝕，設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)浮體要求20年免維修，此要求超過(guò)一般船舶很多倍，屬于特別長(zhǎng)的保護(hù)期，所以其鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕需采用防腐涂層＋犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)的綜合防腐措施。防撞設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面涂裝防腐壽命及陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用壽命均不小于20年[3]。

此外，加工制作好后的系泊浮體及自適應(yīng)浮筒焊縫、防腐涂層及水密性等經(jīng)過(guò)檢測(cè)符合設(shè)計(jì)要求后，用船運(yùn)至施工水域安裝，在拖運(yùn)過(guò)程中不得劇烈碰撞。

（2）恒阻力纜索制造工藝和高強(qiáng)度攔網(wǎng)編織工藝

高強(qiáng)度攔截網(wǎng)采用抗海水腐蝕的超高分子量高強(qiáng)度聚乙烯繩組成，由具有相關(guān)資質(zhì)的廠家按設(shè)計(jì)要求編織，抗拉強(qiáng)度（單根100t）及涂層檢測(cè)符合設(shè)計(jì)要求后，運(yùn)往現(xiàn)場(chǎng)安裝。攔截網(wǎng)繩索由迪尼瑪編織成直徑42mm 的多股纖維繩，其外層涂2mm 厚的聚脲作為保護(hù)層，保護(hù)該繩不受海水泥沙磨損及外載而受損，可延長(zhǎng)其使用壽命。高強(qiáng)度攔截網(wǎng)分為Ⅰ型和Ⅱ型兩種，Ⅰ型網(wǎng)連接各個(gè)浮筒浮于水面，Ⅱ型攔截網(wǎng)設(shè)置于浮體一側(cè)，每個(gè)單元3 張Ⅰ型網(wǎng)和2 張Ⅱ型網(wǎng)組成，如圖1 所示。

恒阻力纜繩設(shè)置于系泊浮體一側(cè)有攔截網(wǎng)的側(cè)舷上，由兩根主纜繩（BM-44 無(wú)檔錨鏈，其頭部用連接BM2-48 無(wú)檔錨鏈，抗斷拉力100t）、連接主纜繩吸收能量的副纜繩（φ36 超高強(qiáng)PA66 纖維繩，安裝長(zhǎng)度約3m，破斷拉力大于20t、小于30t，采用保證強(qiáng)度的方式纏繞在無(wú)擋錨鏈上）及主副纜繩鏈接件組成。當(dāng)主繩受到拉力時(shí)，其間連接兩根主繩的副繩將被拉長(zhǎng)、直至攔斷，副繩在受拉過(guò)程中將提供、維持拉力吸收能量。

恒阻力纜繩與攔截網(wǎng)構(gòu)成恒阻力攔截網(wǎng)。

（3）固定錨

固定錨為四方形錐臺(tái)預(yù)制鋼筋混凝土，每個(gè)錨約60t，中間預(yù)埋φ90 的錨耳。每個(gè)系泊體分別由4 個(gè)錨碇采用DGPS 定位，準(zhǔn)確平穩(wěn)的施入挖好的坑底，錨碇上表面離海床表面深度不小于8m，錨碇順錨鏈方向的誤差不大于5m，垂直于錨鏈方向的誤差不大于2m。錨鏈一端連接在固定錨的錨耳，另一端與系泊體上可調(diào)掣器連接。用卷?yè)P(yáng)機(jī)對(duì)錨碇進(jìn)行校準(zhǔn)，保證系泊浮體位置及資態(tài)。

2.4.3 防船撞設(shè)施安裝

系泊浮體、自適應(yīng)浮筒、攔截網(wǎng)、鋼索及錨鏈應(yīng)由具有相關(guān)資質(zhì)的廠家加工，驗(yàn)收合格后，運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)并在海面上安裝。主要安裝程序如下：系泊浮體定位、放固定錨—安裝浮筒、觸發(fā)鋼纜—安裝提升鋼纜—安裝攔截網(wǎng)—安裝恒阻力索—攔截設(shè)施驗(yàn)收。

C 區(qū)攔截系統(tǒng)是由3 個(gè)系泊浮體（每個(gè)浮體長(zhǎng)為23m，寬為10m，吃水深度為1.3m），12 個(gè)固定錨及錨鏈，8 個(gè)自適應(yīng)浮筒（每個(gè)浮筒總長(zhǎng)為19.98m，頭部寬為φ0.25m，尾部φ0.3m）及攔截鋼纜、攔截網(wǎng)和恒阻力攔截設(shè)施。首尾系泊浮體之間的距離88m，每個(gè)系泊浮體分別由4 個(gè)固定錨及錨鏈定位，系泊錨鏈一端固定在錨塊預(yù)埋件，另一端連接到系泊浮體的摯鏈器；系泊浮體之間由4 個(gè)浮筒組成，浮筒之間距離18m；浮筒與浮體之間用恒阻力攔繩及攔截網(wǎng)片連接；浮筒則是用高強(qiáng)度攔截網(wǎng)連接，并浮于水面；恒阻力攔繩結(jié)構(gòu)設(shè)置于系泊浮體有攔截網(wǎng)的側(cè)舷上，與攔截網(wǎng)片相連，組成一個(gè)完整的防船撞攔截設(shè)施，如圖3所示。

圖3 已建成的自適應(yīng)恒阻力攔截系統(tǒng)

3 應(yīng)用存在的問(wèn)題及分析

3.1 提升鋼纜磨損或斷裂

為了防止小漁船人員攀爬系泊浮體，在原系泊浮體周圍設(shè)置了欄桿，因海上風(fēng)力等關(guān)系影響，提升鋼纜常年與欄桿摩擦，連接系泊浮體與自適應(yīng)浮筒之間的提升鋼纜容易斷裂，導(dǎo)致船舶在撞擊到攔截設(shè)施時(shí)，提升鋼纜不能起到提升浮筒作用，致使浮筒不能帶動(dòng)攔截網(wǎng)豎起攔截船舶作用。

針對(duì)此問(wèn)題，應(yīng)在系泊浮體有提升鋼纜一側(cè)設(shè)置欄桿，并在提升鋼纜與系泊浮體接觸邊緣設(shè)置減磨板，減少提升鋼纜的磨損。

3.2 系泊浮體及浮筒內(nèi)部進(jìn)水

因系泊浮體、自適應(yīng)浮筒屬水密性結(jié)構(gòu)，如果水密性不符合設(shè)計(jì)要求，或因受到撞擊焊縫開裂導(dǎo)致海水進(jìn)入浮體或浮筒內(nèi)。

針對(duì)這一問(wèn)題，應(yīng)在系泊浮體和自適應(yīng)浮筒下水前進(jìn)行密水試驗(yàn)。密水試驗(yàn)前，將系泊浮體和自適應(yīng)浮筒各部分與檢驗(yàn)合格的焊縫清除氧化屑及焊渣清除干凈，在焊縫檢查表面涂上肥皂液，試驗(yàn)壓力不小于0.02MPa，不大于0.03MPa。試驗(yàn)壓力保持15min后，確認(rèn)壓力無(wú)明顯下降，再降艙內(nèi)氣壓。如浮體及浮筒被船舶撞擊致鋼板開裂，須返回廠家維修。

3.3 系泊浮體及自適應(yīng)浮筒防腐涂料脫落

鋼結(jié)構(gòu)表面裸露在海面，容易受到海水腐蝕，或因廠家防腐涂料工藝不符合設(shè)計(jì)要求，鋼板焊縫焊渣及鋼板表雜物未清除干凈，導(dǎo)致防腐涂層不均勻，出現(xiàn)麻點(diǎn)，或經(jīng)船舶碰撞后，導(dǎo)致浮體、浮筒表面防腐涂料脫落。

針對(duì)此問(wèn)題，一方面，需要廠家嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求程序進(jìn)行防腐工藝的操作，涂裝作業(yè)應(yīng)盡量選擇天氣良好時(shí)進(jìn)行，氣候潮濕或氣溫過(guò)低時(shí)應(yīng)在室內(nèi)進(jìn)行，雨天不應(yīng)進(jìn)行涂裝作業(yè)。肉眼檢查需漆膜均勻、平整，無(wú)流掛、氣泡、起皺、縮孔和夾雜雜質(zhì)等現(xiàn)象。采用特殊測(cè)厚儀檢查濕膜厚度或干膜厚度，油漆膜厚度應(yīng)在油漆完全干透后進(jìn)行檢查，油漆厚度應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。另一方面，要定時(shí)巡查攔截系統(tǒng)使用情況，攔截設(shè)施在服役期間受船舶撞擊后，對(duì)浮體及浮筒防腐涂料及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)涂。

3.4 恒阻力繩索、攔截網(wǎng)老化、斷裂

恒阻力繩索、攔截網(wǎng)長(zhǎng)期因海水浸泡、泥砂沖刷，嚴(yán)重腐蝕、老化，大大減弱攔截網(wǎng)（迪尼瑪繩）的抗拉能力。

所以，恒阻力繩及攔截網(wǎng)廠家須嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求的編織工藝進(jìn)行編織，加工完后迪尼瑪單繩抗拉強(qiáng)度應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，進(jìn)場(chǎng)前檢查其檢測(cè)報(bào)告等資料，同時(shí)在臺(tái)風(fēng)或船撞擊之后，及時(shí)巡查攔截網(wǎng)和恒阻力繩索是否有斷裂情況，如有斷裂及時(shí)更換。

3.5 維修周期長(zhǎng)、成本高

自適應(yīng)攔截系統(tǒng)在海上屬于永久結(jié)構(gòu)物，若經(jīng)過(guò)船舶撞擊或臺(tái)風(fēng)影響會(huì)造成攔截系統(tǒng)受到損壞且不能及時(shí)更換，導(dǎo)致攔截設(shè)施不能正常發(fā)揮攔截作用。

因此，浮筒、攔截網(wǎng)及鋼纜繩須有備用品，在浮筒及其他構(gòu)件損壞時(shí)，及時(shí)進(jìn)行更換，使攔截設(shè)施能夠發(fā)揮攔截作用，保護(hù)大橋及人員、財(cái)產(chǎn)安全。系泊浮體設(shè)計(jì)20年免維修，如被船舶撞擊變形、開裂，須返廠維修，成本較高，目前還未提出相關(guān)更簡(jiǎn)便的維修方式。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)大跨度橋梁引橋防船撞設(shè)施技術(shù)在平潭海峽大橋應(yīng)用分析，對(duì)以后采用此項(xiàng)技術(shù)的施工工藝及設(shè)計(jì)提供了有力支持，可根據(jù)海、河域條件，確保橋梁設(shè)施安全情況下，優(yōu)化設(shè)計(jì)及施工工藝，為降低后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本提出了更高的要求，取得更好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。