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，隨著經(jīng)濟的飛速發(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，但對于承擔(dān)水上運輸?shù)拇?，橋梁卻在一定程度上阻礙了船舶航行。近年來也發(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，該設(shè)施自動快速提升攔截網(wǎng)、包裹船頭。攔截網(wǎng)通過纜繩連接恒阻力裝置，當(dāng)船舶拖帶攔截網(wǎng)向前移動時，恒阻力裝置對攔截網(wǎng)將提供一個大致恒定的拖阻力，阻礙船舶向前的動力，消耗船舶動能，直至船舶停止運動，達(dá)到保護大橋安全的目的。

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)

通過模擬試驗、實船撞擊試驗和數(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，船舶推動攔截網(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，并帶動系泊浮體及固定錨一起運動，在此時恒阻力裝置將產(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，直至停止運動[1]。

2 引橋防船撞技術(shù)應(yīng)用

2.1 項目概況

平潭海峽大橋共59 個橋墩，通航孔主橋橋墩設(shè)有防撞套箱，可以保護橋墩不受破壞，靠近通航孔兩側(cè)6個引橋橋墩（兩側(cè)各3 個橋墩）均在深水區(qū)域，且6 個引橋橋墩設(shè)計抗撞力為450t，其余橋墩抗撞力僅400t。而該橋設(shè)計通航標(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，也可以保證人身財產(chǎn)安全及海洋環(huán)境不受污染。

2.2 設(shè)計標(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，船速度約為4m/s。

式（1）中：

E——需要設(shè)防的船舶所具有的動能

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(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)施在國內(nèi)的首次應(yīng)用，無具體參考標(biāo)準(zhǔn)。首先對引橋防船撞D 區(qū)攔截設(shè)施施工，并進行船舶撞擊試驗，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，撞擊結(jié)果驗證攔截網(wǎng)、恒阻力繩索、錨鏈等抗拉強度符合設(shè)計要求。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，船舶也會在88m 位移時被完全攔截，因此，四個區(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。驗證了自適應(yīng)恒阻力船舶攔截設(shè)施的可靠性和實用性，并優(yōu)化其他三個區(qū)的設(shè)計圖紙。

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，距航道對稱線（即44#橋墩中心線）約310m，同時與大橋縱向成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達(dá)到以下要求。

第一，船用鋼板采用精密切割，并用趕板機矯平，下料后要在明顯位置打?qū)懴挡锤◇w零件號，利于組裝，手動切割僅適用于次要零件或切割后邊緣需要機加工的零件；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)，所有水密艙均要進行水密性試驗，檢查鋼結(jié)構(gòu)是否會進水等。水密性檢測分為一般沖水試驗及充氣試驗兩種，該項目鋼結(jié)構(gòu)采用充氣試驗，系泊浮體和自適應(yīng)浮筒內(nèi)每個艙均應(yīng)采用充氣試驗進行水密性試驗；第四，系泊浮體和自適應(yīng)浮筒為鋼結(jié)構(gòu)，其長期置于海面會受到海水腐蝕，設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)浮體要求20年免維修，此要求超過一般船舶很多倍，屬于特別長的保護期，所以其鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕需采用防腐涂層＋犧牲陽極陰極保護的綜合防腐措施。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系統(tǒng)設(shè)計使用壽命均不小于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)過檢測符合設(shè)計要求后，用船運至施工水域安裝，在拖運過程中不得劇烈碰撞。

（2）恒阻力纜索制造工藝和高強度攔網(wǎng)編織工藝

高強度攔截網(wǎng)采用抗海水腐蝕的超高分子量高強度聚乙烯繩組成，由具有相關(guān)資質(zhì)的廠家按設(shè)計要求編織，抗拉強度（單根100t）及涂層檢測符合設(shè)計要求后，運往現(xiàn)場安裝。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 厚的聚脲作為保護層，保護該繩不受海水泥沙磨損及外載而受損，可延長其使用壽命。高強度攔截網(wǎng)分為Ⅰ型和Ⅱ型兩種，Ⅰ型網(wǎng)連接各個浮筒浮于水面，Ⅱ型攔截網(wǎng)設(shè)置于浮體一側(cè)，每個單元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 無檔錨鏈，其頭部用連接BM2-48 無檔錨鏈，抗斷拉力100t）、連接主纜繩吸收能量的副纜繩（φ36 超高強PA66 纖維繩，安裝長度約3m，破斷拉力大于20t、小于30t，采用保證強度的方式纏繞在無擋錨鏈上）及主副纜繩鏈接件組成。當(dāng)主繩受到拉力時，其間連接兩根主繩的副繩將被拉長、直至攔斷，副繩在受拉過程中將提供、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預(yù)制鋼筋混凝土，每個錨約60t，中間預(yù)埋φ90 的錨耳。每個系泊體分別由4 個錨碇采用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。用卷揚機對錨碇進行校準(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，驗收合格后，運輸至施工現(xiàn)場并在海面上安裝。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)施驗收。

C 區(qū)攔截系統(tǒng)是由3 個系泊浮體（每個浮體長為23m，寬為10m，吃水深度為1.3m），12 個固定錨及錨鏈，8 個自適應(yīng)浮筒（每個浮筒總長為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，每個系泊浮體分別由4 個固定錨及錨鏈定位，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，提升鋼纜不能起到提升浮筒作用，致使浮筒不能帶動攔截網(wǎng)豎起攔截船舶作用。

針對此問題，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)計要求，或因受到撞擊焊縫開裂導(dǎo)致海水進入浮體或浮筒內(nèi)。

針對這一問題，應(yīng)在系泊浮體和自適應(yīng)浮筒下水前進行密水試驗。密水試驗前，將系泊浮體和自適應(yīng)浮筒各部分與檢驗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，試驗壓力不小于0.02MPa，不大于0.03MPa。試驗壓力保持15min后，確認(rèn)壓力無明顯下降，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，或經(jīng)船舶碰撞后，導(dǎo)致浮體、浮筒表面防腐涂料脫落。

針對此問題，一方面，需要廠家嚴(yán)格按照設(shè)計要求程序進行防腐工藝的操作，涂裝作業(yè)應(yīng)盡量選擇天氣良好時進行，氣候潮濕或氣溫過低時應(yīng)在室內(nèi)進行，雨天不應(yīng)進行涂裝作業(yè)。肉眼檢查需漆膜均勻、平整，無流掛、氣泡、起皺、縮孔和夾雜雜質(zhì)等現(xiàn)象。采用特殊測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行檢查，油漆厚度應(yīng)符合設(shè)計要求。另一方面，要定時巡查攔截系統(tǒng)使用情況，攔截設(shè)施在服役期間受船舶撞擊后，對浮體及浮筒防腐涂料及時進行補涂。

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)計要求的編織工藝進行編織，加工完后迪尼瑪單繩抗拉強度應(yīng)符合設(shè)計要求，進場前檢查其檢測報告等資料，同時在臺風(fēng)或船撞擊之后，及時巡查攔截網(wǎng)和恒阻力繩索是否有斷裂情況，如有斷裂及時更換。

3.5 維修周期長、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)過船舶撞擊或臺風(fēng)影響會造成攔截系統(tǒng)受到損壞且不能及時更換，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，及時進行更換，使攔截設(shè)施能夠發(fā)揮攔截作用，保護大橋及人員、財產(chǎn)安全。系泊浮體設(shè)計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)更簡便的維修方式。

4 結(jié)語

通過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，對以后采用此項技術(shù)的施工工藝及設(shè)計提供了有力支持，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)計及施工工藝，為降低后期運營維護成本提出了更高的要求，取得更好的經(jīng)濟及社會效益。