水上支架临时防撞柔性拦阻系统技术研究与应用

秦 星

(中交(广州)建设有限公司，广东 广州 511458)

1 引言

在我国，日益繁重的交通压力促发了更多的桥梁修建工程。为避免船桥相撞事故，出现了一系列的水上临时或永久防撞设施来保证桥梁的安全。本文通过对广州凤凰二桥所跨越的航道及附近地区的港口、水文、船型调查，提出了合理的通航净空尺度，根据临时防撞设施对航道的影响采取相应的技术措施，使其满足所跨越的上横沥水道的通航安全技术要求，为水上防撞拦阻系统工程施工提供资料和审批依据，也为以后类似的水上施工防撞措施提供参考。

2 工程概况

广州南沙凤凰二桥全长2145 m，其中主桥结构形式为上承式混凝土葵花形拱桥，桥长312 m，跨越内河Ⅵ级航道。桥梁设计1个双向通航孔，净高6 m，净宽38 m。主桥采用水上钢管支架施工，为了满足施工期间通航防撞要求，防止个别偏航或机械故障船舶与桥墩临时支架碰撞，在上下游距离桥梁支架20 m处设置防撞墩组，防撞墩组采用外“八”形式布置，与航道轴线呈60°，防撞墩组之间上部采用柔性阻拦设施连接成整体，并配置自应力浮筒使其整体能随水位上下浮动。柔性防撞系统平面布置图见图1。

图1 柔性防撞系统平面布置

3 施工水域调查

3.1 防撞船型调查

为了了解凤凰二桥施工水域过往船舶的密度、大小、船型，以便科学地选取合理的撞击代表船型，项目组于2014年10月17～18日前往施工水域上游造船厂进行实地蹲点观测。2014年10月17日上午9点～2014年10月18日上午9点，共24 h船舶过往情况如表1。

表1 10月17日上午9点～10月18日上午9点过往船舶统计

从表1可知，100t级的船舶占全天过往船舶的61.8%；100t级以下的占38.2%。过往货船比例为78.7%，过往油/气船比例为4.5%，过往其他船型比例为16.8%。因此，来船主要还是以散货船为主，本工程撞击代表船型推荐采用货船。

此报告以早上5点至晚上8点为白天，晚上8点至次日早上5点30分为晚上，那么在白天、晚上船舶过往情况如表2。

表2 10月17日上午9点～10月18日上午9点分时段过往船舶统计

从表2可知，大多数船舶白天通行，占86%；小量船舶晚上通行，占14%。

综上所述，该河段主要为100 t及以下船舶，其中100吨级的船舶约占37%；100吨级的船舶约占63%。观测到的船舶以货船为主，占78%左右。大多数船舶白天通行，约占86%，小量船舶晚上通行，占14%。

3.2 防撞代表船型

在所有的统计来船中货船占78%，油/气船占5%，其他船舶占17%。因此，来船主要还是以散货船为主，本文撞击代表船型(表3)推荐采用货船。

表3 撞击代表船型

4 临时柔性拦阻系统组成

防撞墩与辅助墩之间采用柔性拦阻系统连接，该系统包括上下恒阻力浮筒、自适应浮筒、拦阻索、拦阻网等组成。

防撞墩组起定位和承受水平拦阻力作用。拦阻系统采用浮式设计，阻拦系统的高程相对于水面保持不变，适应潮位差的变化。拦阻系统长为50～70 m之间。一般情况下，上下拦阻索、拦阻网在恒阻力浮筒和自适应浮筒的作用下平铺于水面，高于水面30 cm，可随水位的变化，始终保证拦阻索位于水平面以上。防止水面垃圾等挂于拦阻索，影响拦阻系统安全和拦阻效果(图2)。

图2 柔性拦阻系统

4.1 恒阻力浮筒

自平衡拦阻系统由两部分构成，分别为恒阻力浮筒及自平衡小浮筒。恒阻力浮筒在已施打的钢管桩上布置，能随着潮位上下浮动，可以绕着钢管桩自由转动，以适应拦阻过程中受力方向的变化。

4.2 自平衡小浮筒

为防止船舶从缆索顶上经过后，将自平衡小浮筒与拦阻索链压入水中，致使拦阻系统失去作用，因此研究开发自平衡机构。该自平衡机构基于小浮筒的浮心、重心计算而设计，主要组成部分为自平衡小炮浮筒，可达到拦截撞击船舶的自平衡作用。柔性拦阻系统处于非工作状态时，自平衡小浮筒维持拦截网浮于水面以上。

4.3 恒阻力拦阻网

为了控制柔性拦阻系统对撞击船舶的拦阻力的大小，设计了恒阻力缆索。当船舶撞击拦阻网并一起往前滑动时，高强度缆索被主绳拉紧。高强度缆索的抗拉力保持在20 t左右，缆索被拉伸，而拦阻网主绳在100 t左右拉力作用下才会断裂。恒阻力缆索当主绳(铁链)受到拉力时，恒阻力缆索将被拉伸，直至断裂，小浮筒转动，带动另外一根恒阻力缆索，缆索在受拉过程中将提供、维持拉力，并吸收能量。

5 临时柔性拦阻系统原理

当船舶来撞时，船首首先碰触下层拦阻索，在船舶撞击力的作用下向船舶行驶方向拉伸；另外，因为船舷弧度，使得下层拦阻索同时向下运动。下层拦阻索向下运动的同时，带动中间浮筒一端下沉，同时在浮力的作用下另一端上升， 带动上层拦阻索和拦阻网竖起，垂直于水面，并包住船首，随船体共同运动。

当船舶拖动拦截网向前运动时，拦阻索带动恒张力浮筒锚链，锚链带动刚强度纤维绳伸长、变形，当来撞船舶撞击力作用在拦阻索上的力大于纤维绳的最大破断拉力时，纤维绳断裂，与此同时，后续纤维绳在锚链的带动下开始起作用，保证持续、恒定的张力。锚链带动恒阻力浮筒绕钢管桩旋转，同时带动后续纤维绳变形，提供持续的恒阻力，周而复始，直至船舶停止前进(图3)。

图3 临时柔性拦阻系统原理

拦阻索分为上层拦阻索与下层拦阻索，上、下拦阻索分别与恒张力浮筒无挡锚链相连(图4)。

图4 上、下拦阻索与恒张力浮筒无挡锚链相连

船舶在拦阻系统作用下，前行约17 m，小于20 m的最小安全距离，满足要求。

6 柔性拦阻系统应用优点

柔性拦阻系统有适应性好、结构简单、制作方便、安全可靠、经济性好、运用前景好等技术特征：

(1)适应性好。该系统可根据需要，适应不同通航等级、不同掩护范围的要求。既适于大吨位船舶通航水域，也适于小吨位船舶通航水域；既适于小范围、局部掩护，也适于大范围、全区域掩护。

(2)结构简单。本系统结构包括钢管桩、恒阻力浮筒、中间浮筒，各结构之间通过钢丝绳、无挡锚链、弹性绳连接，结构简单。

(3)制作方便。 浮筒材料为普通钢材，经简单加工即可完成结构物制造；钢管桩可与项目其他钢管桩通用，材料易得；钢丝绳、无挡锚链、弹性绳等可根据规格型号直接采购。

(4)安全可靠。该系统为主动柔性防撞，可以有效减小来撞船舶的瞬时撞击力；撞击物与施工临时结构不接触，可有效保护临时结构物的安全。

(5)经济性好。该柔性防撞系统造价低廉，维护方便，可有效降低项目成本。

(6)运用前景好。防撞装置对于桥梁建设和运营期间的安全防护意义重大，该柔性防撞系统可广泛用于水上建筑物施工期临时结构的防护，具有很好的运用前景。

7 结语

通过分析凤凰二桥所在区域的自然条件、航道状况、通航环境等内容，结合凤凰二桥临时通航孔支架的设计情况，确定并成功施工运用了柔性拦阻系统+防撞墩+辅助墩形式的临时防撞体系，保证了凤凰二桥主桥施工过程中栈桥和水上支架的安全。

在日益繁重的水上通航压力下，通航水道桥梁施工过程或使用过程中的防撞安全措施越发重要，本项目防撞墩+辅助墩+柔性拦阻系统的成功运用，为类似水上施工提供借鉴，亦给永久防撞设施的设计运用提供参考。