关于台州沿海高速加强对桥梁防撞安全防护方案

1、关于台州沿海高速加强对基桩安全防护的方案本项目桥梁占55%以上，很多是位于通航海域或河道，且通航等级较高，如台州湾大桥主通航等级按10000t级要求设计，因此对通航位置和主航道位置对桥墩等保护尤为重要。针对本工程实际，及结合近几年完工的部分跨海大桥通航的防撞方案，提出部分防撞方案，以供参考。一、防撞的基本原理采用桥梁防撞设施是防止船舶撞击桥梁时桥梁发生整体或局部破坏。采用不同型式的防撞设施，可以阻止船舶撞击力传到桥墩，或者通过缓冲消能延长船舶的碰撞时间，减小船舶撞击力，保障桥梁安全。防撞设施的设计需要根据桥墩的自身抗撞能力、桥墩的位置、桥墩的外形、水流的速度、水位变化情况、通航船舶的类型、碰撞

2、速度等因素进行。防撞设施一般应满足如下要求：1防撞装置能被桥梁、船舶运输和港航(海事) 管理三方面共同接受；2对船舶碰撞的撞击能量进行消能缓冲，使船舶不能直接撞击桥墩，或使船舶碰撞力控制在安全范围内；3防撞设施不能影响航道的通航，尽量少占航道，并能适应水位变化的要求；4通过合理的结构、材料布置，通过设施的消能，尽量减少船舶的损伤；5不因设置防撞装置而增加新的问题，如回流沉积、妨碍捕捞等；6防撞设施制造、安装、维修经济方便，造价低；7经久耐用、功能可靠。二、防撞方案经过多年的研究应用，世界上有多种类型的桥墩防撞设施，每种防撞措施都有其特点和使用条件。如缓冲材料方式、缓冲设施工程方式、重力方式、桩

3、方式、人工岛、薄壳筑沙围堰方式 ( 或沉井方式 ) 、浮体系泊方式、非结构物防撞系统等 。三、具体防撞方案的选择（以台州湾大桥为例）（一）工程背景台州湾跨海大桥为本项目的控制性工程，起于椒江北安化工原料基地控制区西侧，红旗闸东侧约200m，跨过台州湾椒江口后，于椒江南岸十塘，十一塘结合部登陆。桥位处主航道通行10000吨级海轮，单孔双向通航净空405*40m，副通航孔通行500吨级杂货船，双孔单向通航净空68*19.5m。桥位处水域宽约3500m，江底地形平坦，水深46m，跨海桥梁总长3741m。台州湾大桥分北侧非通航孔桥，通航孔桥，南侧非通航孔桥三个区段。桥跨布置：主跨布置为85+145+4

4、88+145 +85m斜拉锁采用空间双索面布置。结构采用五跨连续半漂浮体系，在索塔处设置竖向支座和横向抗风支座，为了改善纵向静风荷载及地震荷载作用下的结构性能，在每个索塔处各设置两个速度锁定纵向限位阻尼器图如（图一）。（二）、通航孔主墩防撞方案1、防撞设计的原则及要求设置防撞保护系统的目的是防止桥梁因船舶撞击超过桥墩的承受能力而遭受破坏。采用不同型式的防护系统，可以阻止船舶撞击力传到桥墩或者通过缓冲消能延长碰撞时间，减小船舶撞击力，保护桥梁安全。防护系统的设计应根据桥墩的自身抗撞能力、桥墩的位置和结构型式、通航船舶的类型和碰撞速度、桥区水文地质情况等因素进行，设计时应遵循以下原则：1.1 对碰

5、撞的船舶能量进行消能缓冲，使船舶不能直接撞击桥墩，或使船舶碰撞力控制在安全范围内。1.2 防护设施的构造形式和几何形状须使船只损伤最小，以避免造成航道堵塞或环境污染。1.3 应保证桥梁下部结构在船撞时不发生严重损伤，如应防止船艏凸出部分直接撞击塔柱或墩身。1.4 防护设施不能影响航道的通航，占用航道范围尽量少。1.5根据桥墩承台的水平承载能力，可以考虑其承受由防护系统传递来的一定量残余撞击力，以使设计更经济合理。1.6在一定条件下，允许防护系统受破坏，但应考虑破坏后便于迅速修复。1.7本工程防撞结构设计应满足以下三个条件：1.7.1 结构可靠性：防撞结构应能够吸收或消减船舶碰撞能量，使船舶不能

6、直接撞击桥墩，或使船舶撞击力控制在安全范围内，保证桥墩的安全；1.7.2环境适应性：海上构筑物生存条件较恶劣，波浪、潮差、潮流流速均较大，海水中抗腐蚀性能要求高，特别是对使用年限以百计的大桥，防护系统遭轻微破坏在所难免，增加了抗腐蚀的难度。1.7.3施工可行性：海上施工比较困难防护设施应采用便于安装施工和便于快速修复的结构型式。2、常见防护系统及分析各种防护系统在本工程的适用情况见表一：表一 常见防护系统在本工程中的适用情况序号名称适用情况原因1人工岛不适用1）海底表层为淤泥和淤泥质粘土，地基垂直承载力较差，不能承受人工岛巨大的自重2）桥梁跨径不支持采用体积巨大的防护系统2薄壳筑 沙围堰钢板桩

7、或钢筋混凝土薄板桩不适用1）施工期受波浪和流速的制约，即使采用格形板桩，流速也不宜超过0.8m/s。波高不宜大于0.5m2）淤泥质粘土饱和、流塑、水平承载力极差，板桩围堰内回填后将产生极大的弯矩大直径薄壳圆 筒适用1）防撞原理同板桩筑沙围堰2）能适用于软基，采用深埋式可免除基床，减少开挖方量和回填量，加快施工速度3）钢筋混凝土结构有利于海水中防腐3漂浮网状结构不适用1）需要较大的活动范围，适用于跨径较大的地方2）对无球状凸出船首的船舶不起作用4钢飘或浮箱不太适用1）在周期性波浪作用下，会频繁冲击承台产生破坏2）防撞能力有限，承台仍要承受较大的参与撞击力5船型防撞承台（刚套箱方案）适用1）附着于

8、承台上，不受自然条件和施工条件限制2）能部分吸收桩基动能，适用于桩基能量较小和承台水平抗力较大的情况6防撞墩（或桩群）不适用1）地基土的水平抗力较差，桩的抗弯能力有限2）桩受撞击后变形位移较大，桩侧土体产生破坏，故桩的变形不可逆转，应拆除重建3）仅适用于撞击能量较小的情况7缓冲材料（橡胶护舷）部分适用1）性能可靠，可根据计算选用护舷品种、规格2）安装、维护较方便3）承台仍要承受一定的护舷反力，适用于撞击能量较小和承台水平抗力较大的情况8重力式不适用1）设施规模较大，需要开阔的水域2）海上波浪较大，支撑结构极易疲劳损坏，且不易维修3）防撞能力有限船形防撞承台（钢套箱方案）除了通过自身的变形、破坏

9、吸收部分撞击能量外，还有一个突出的优点，是当碰撞船舶的船体轴线与船形防撞承台的轴线不共线时，在两者碰撞接触的瞬间，承台的尖端可改变撞击船舶的运动方向，使船的动能较多地保留在碰撞后的船上，从而减轻桥墩受到的威胁。但是由于船形防撞承台是支承在桥墩承台上的，其支承结构既要承受其巨大的自重，又要能适应一定的活动范围，这是它的薄弱环节，且要注意对钢套箱的防腐处理。台州湾跨海大桥设计采用此方案。大直径薄壳圆筒结构是一种较先进的港口工程结构型式,由于其结构简单、受力条件好、材料省、施工速度快和工程造价低等特点,已成功应用于许多码头、防波堤以及护岸等水工建筑物。我国于80年代初开始引入,二十年来已积累了一定的

10、设计和施工经验。天津大学和中交第三航务工程勘察设计院有限公司等单位联合进行了结构理论与计算方法的大量研究工作,并已编制和开发了结构计算的程序和软件。大直径薄壳圆筒结构的基本组成单元为无底的薄壳圆柱壳,其最大特点是对地基的适应性好,可象沉箱一样直接建造于基床上或硬基上,也可以象沉井一样沉入地基土体中(深埋式)。这种圆筒结构在受到水平荷载的作用下,土体将其产生一种嵌固作用,以增强其稳定性。大直径薄壳圆筒结构的特点,就其几何形态看,径高比较大,通常在0.45以上。厚径比一般小于0.03,是一空间体系的薄壳结构。从力学特征看,为一桩壳结构的受力特点,即在壳体中以中面力为主而弯曲应力较小。由此可以充分发

11、挥混凝土材料承压强度大的特点,可节省钢筋用量。此外,从薄壳圆筒结构的工作机理看,大直径圆筒结构刚度大,具有重力式结构的特征。其中筒体内的填料不只是作为一种垂直重量用于维持其稳定性,它还将协同简体结构共同承担结构的外载作用,并将所受外载直接传递给地基土体,因此筒体内的回填材料自身的物理力学性质将直接影响到圆筒结构的受力状态和稳定性,这又是大直径薄壳圆筒结构不同于一般重力式结构(方块和沉箱结构)的特点之一。对于淤泥质海床采用插入式大直径薄壳圆筒结构可以不设基床,减少开挖方量。为此可减少施工环节,加快施工进度,大大地节省造价。大直径薄壳圆筒结构用于大桥防撞系统还没有先例,但其良好的受力条件和地基适应

12、性表明用于防撞设施是可行的。3、防护系统设计3.1本工程设计特点作为跨海大桥，由于要承受较大的风、浪、水流荷载以及汽车制动力、地震惯性力等水平荷载，桥墩本身应具备较大的水平抗力。台州湾跨海大桥按六车道设计，自重和地震惯性力都很大，桥墩承台按满足以上船舶撞击力设计，但是墩柱的抗撞击能力比较差，对撞击振动比较敏感，因此应采取合适的保护措施确保大桥安全，并尽量减少碰撞船只本身的损伤。3.2防撞结构形式3.2.1 10000吨级通航孔桥墩防撞结构10000吨级通航孔为跨径488m的双塔单索面斜拉桥，通航5000吨船舶时作为单孔双向航道，通航10000吨船舶时作为单孔单向航道。塔柱基础采用群桩基础，基桩

13、为2.82.5m钢管桩。主墩承台能承受10000吨级船舶的撞击力（不保护时，碰撞速度为4m/s），上部桥梁为漂浮式结构，对桥墩承台的振动位移适应性较好，因此保护的目的主要是避免船舶直接撞击墩柱和尽量减少船只损伤。主墩承台设计了两种防撞结构方案。方案一：混凝土船型防撞承台与橡胶护舷混合型方案采用预制混凝土套箱作船型防撞承台，并靠在主墩承台上，避免船舶直接撞击承台。套箱内填砂并现浇混凝土封顶，对船舶撞击可起到一定的缓冲作用。套箱下面为钢管桩支承，套箱外面用拱型橡胶护舷加钢质防冲板围护。主墩承台侧面采用H2500mm鼓型橡胶护舷加钢质防冲板围护，能有效地吸收5000吨以下船舶的撞击能量及10000吨

14、船舶的大部分撞击能量，其护舷反力要小于不设保护时船舶直接撞击承台时的撞击力。10000吨级通航孔主墩承台防撞方案一图1 混凝土船型防撞承台与橡胶护舷混合型方案方案二：大直径薄壳圆筒与橡胶护舷混合型方案采用预制大直径薄壳圆筒结构作为分离式防撞墩，使桥墩承台正面不承受船舶撞击力。由于承台的宽度较大，采用三只大圆筒呈三角形布置。圆筒直径为15m，高度为30m，分两节预制，利用大型起重船在现场拼接沉放，筒内换填海砂并振冲密实，然后现浇混凝土盖板。大圆筒周围采取抛石护底措施。主墩承台侧面采4300超大型桥墩浮护舷作为防撞设施，能有效地吸收,5000吨以下船舶的撞击能量及10000吨船舶的大部分撞击能量，

15、其护舷反力要小于不设保护时船舶直接撞击承台时的撞击力。10000 吨级通航孔主墩承台防撞方案二图2 大直薄壳圆筒与橡胶护舷混合型方案方案一：结构简单、施工方便，对桥墩承台的围护作用比较好。船舶的撞击能量主要通过本身的变形、破坏吸收。另外船舶撞击套箱也会发生遇转、滑移，套箱的破坏也能吸收一部分撞击能量。混凝土套箱耐海水腐蚀，平时不用维修。由于套箱是套放在桩顶上的，一旦遭受破坏，可以将其吊走，因此拆除、修复方便。方案一的缺点是主墩承台仍然要承受较大的撞击力，同时对船舶的安全也不利。方案二：利用预制大直径薄壁圆筒内填海砂作为薄壳筑砂围堰隔离船舶与承台。船舶撞击圆筒时，圆筒薄壁发生破坏，船舶冲入圆筒，

16、与简内填砂产生摩擦消耗撞击动能，能降低船舶的破坏程度，保证承台的安全。大直径薄壁圆筒结构的基本组成单元为无底的薄壁圆柱壳，其最大特点是对地基的适应性好，可象沉箱一样直接建造于基床上或硬基上，也可以象沉井一样沉入地基土体中（深埋式）。对于淤泥质海床采用插入式大直径薄壁圆筒结构可以不设基床，减少开挖方量，为此可减少施工环节，加快施工进度。此外，大直径混凝土薄壁圆筒结构在海水中具有良好的耐久性。本方案的缺点是增加了另一种施工工艺，并对施工的要求比较高，另外，由于承台宽度比较大，不得不采用三只大圆筒，其抗撞击能力只能按单只圆筒考虑。同时由于大圆筒的阻水作用，海底的局部冲刷可能较大，需相应采取护底措施。

17、与此相比，方案一的施工经验比较成熟，其造价低于大圆筒结构方案。两个方案的比较见表2表2 主通航孔主墩承台防撞方案比较项目方案一方案二结构可靠性1. 能使撞击船舶发生偏转，减少有效撞击动能，套箱破坏也能吸收部分撞击动能；2. 能有效隔离船舶与桥墩；3. 承台仍然要承受较大的撞击水平力。1. 能较好地消耗船舶撞击能量保护桥墩，降低船舶损伤程度；2可采用外加缓冲材料或局部调整圆筒壁厚等措施避免小能量撞击时的破坏。环境适应性1. 对波浪、水流的影响适应性较好；2. 钢管桩应采取防腐保护措。1. 对波浪、水流的影响适应性较好；2. 预制混凝土圆筒在海水中耐久性较好；3. 透空性差，对水流有影响，需采取护

18、底措施防止局部冲刷。施工可行性1. 对拟建工程处的地质条件适应性较好；2. 施工工艺与非通航孔基础相同，施工技术较成熟； 3. 容易修复。1. 采用插入式大圆筒结构，对软土地基适应性较好；2. 需要较大的预制、吊运设备，施工工艺要求高；3. 插入式大圆筒沉放质量控制难度较高；4. 修复较困难。结论推荐方案比较方案经分析比较，推荐采用方案一。（三）、非通航孔防撞方案1. 防撞墩+拦截索链+锚泊钢浮体+锚碇方式防撞非通航孔可采用防船撞拦截体系，拦截体系由独立防撞墩+拦截索链+锚泊钢浮体+锚碇 沉块组成，即由水面拦截系统和锚碇系统组成一个拦截区域保护大 桥。船舶撞击时，可能会撞击到独立防撞墩、拦截索

19、链或锚泊钢浮体3部分：撞击独立墩台时，通过桩基的变形、破断和墩台的破坏、位移等消除船舶撞击能；撞击索链或锚泊钢浮体时，船舶带动锚泊钢浮体一起移动，通过锚碇沉块的位移消能。（如图3）图3 拦截体系典型分段立面示意图 ( 单位 ：m)拦截体系的典型分段主要有以下几部分：（1）第一层水面附近的船用锚链，起拦截作用；（2）第二层高于水面的拦截索，为轻质的钢缆索，表面用警戒色护套包裹，起拦截警戒作用；（3）第三层更高的拦截索，材质同第二层，3层结构保证拉住船舶，不会让船舶划走；（4）钢浮体，一个大浮体起主要定位及消能作用，几个小浮体，连接锚链消能并给上层拦截索提供支撑作用；（5）塑料浮体，漂浮起锚链作用

20、，并有一定的警戒作用；（6）抛锚锚链，上面连接锚碇沉块，起定位及船幢时移动以消能的作用；（7）独立防撞墩，起定位，消能，警示作用；（8）整个分段连接在一起，共同形成一个典型的拦截分段保护大桥。2. 主动防撞主动防撞装置即不接触式防撞装置，一般采用声波、光波或电波提醒驾驶员，当船舶航向偏离航道或进入危险区域后给于强烈警示。主动防撞设施有：桥梁水域的船舶通航服务系统（VTS）、航标、桥梁标志、报警声号（配备激光测距仪）、桥区安全航行管理规则、桥区船舶监控系统、桥区水上事故应急预案、桥区水上搜救系统等。2.1船舶监控、预警系统近年来，船舶交通管理系统（VTS）、船舶自动识别系统（AIS）、电视监控系

21、统（CCTV）等科技手段广泛应用于船舶通航安全监管和桥梁保护。（1）VTS系统船舶通航服务系统（VTS），它以港口监测雷达、甚高频（VHF）电话及AIS 系统为主要技术手段对通航船舶进行全天候安全监督管理，一旦发现船舶偏航或洪入危险区域时及时通告当事船舶，避免事故的发生。（2）CCTV系统CCTV系统作为安全监测的手段已经广泛应用于交通管理的各个领域。系统通过在桥梁上安装摄像机获取当前监控区域图像，利用图像识别技术识别过往船舶并通过摄像机测距技术测量船舶与桥墩的相对位置，对船舶进行检测、识别和定位，为监控预警提供依据。CCTV系统是VTS的重要组成部分。桥梁建成后，为了对桥区水域实施有效监管，

22、保护大桥和保障船舶航行安全，必须建设与大桥监管相适应的CCTV系统。（3）其它系统报警声号以激光或红外传感对进入非通航孔一定距离，例如（100m，200m） 的船只发出紧急警示声号，引起该船的注意，也引起周围船舶的注意，以便帮助失去动力的船。航标、桥梁助航标志水上助航标志和桥梁助航标志是保障船舶安全通过大桥的重要手段之一。大桥建设时应根据中国海区水上助航标志和中华人民共和国海事局中国海区可航行水域桥梁助航标志（试行） 和结合实际情况对桥区助航标志进行配布。为保障桥梁和船舶航行安全，将具有示位、警告危险、指示交通等功能的视觉、音响、无线电航标设置于桥梁上。视觉航标包括双向通航桥孔中央标志、通航桥

23、孔左侧标志、通航桥孔右侧标志、单向通航桥孔标志、桥孔禁航标志、桥墩警示标志。音响航标可以用一座或多座雾号向航行者警告接近桥梁。无线电航标可用来标示通航桥孔的航道中线，设置在通航桥孔中央位置或附近。2.2现场监督管理设施现场监督管理是船舶通航安全管理的重要环节。由于跨海大桥跨越约交通繁忙水域，应配置巡逻艇实行现场监督管理。2.3桥区海域船舶事故应急系统按照“国家海上搜救应急预案”要求制定船舶事故应急预案，建立船舶事故搜救应急反应机制，迅速、有序、高效地组织海上突发事件的应急反应行动，救助遇险人员，控制船舶事故突发事件扩展，最大程度地减少船舶事故造成的人员伤亡、财产损失和环境破坏，并适时切断桥面交通。3.被动防撞被动防撞设施是针对船撞桥事故所采取的结构性措施。3.1桥梁本体结构抗撞（1）提高桥梁木体结构抗撞冗余度，在局部区域撞损的情况下，其余结构能继续承载，不至于导致桥梁坍塌。（2）提高本体结构整体抗撞能力，减少桥梁较大范围撞损风险。（3）在可能遭受船舶撞击的局部区域进行加固避免局部结构撞损。4. 独立式防撞结构在距桥轴线100500m区域内设置与桥梁主体结构分离的防撞设施，防撞设施可有以下方式。4.1浮体系泊式拦截设施拦截设施由以下几部分组成：水面浮体；拦截索；水下锚定及锚链；附设助航标志。失控船舶偏航下非通航孔桥区，撞击