内河深水防撞墩基础防船撞验算及措施浅析

第19卷 第94期 交 通 节 能 与 环 保
Vol.19 No.2 2023年04月 Transport Energy Conservation ＆ Environmental Protection April. 2023
doi: 10.3969/j.issn.1673-6478.2023.02.009
内河深水防撞墩基础防船撞验算及措施浅析
郭海龙
（中国铁建港航局集团有限公司第一工程分公司，广东 广州 511442）
摘要：崖门大桥航道二期防撞工程位于崖门大桥12#墩及13#墩上下游侧各20m 的位置，防撞墩钢护筒直径为φ3.3m ，采用铁建桩01打桩船施打，铁建桩01桩架高108m ，而崖门大桥通航高度仅为48m 。

由于防撞墩与原有桥梁距离过小，航道通航船舶众多，为保证安全起吊钢护筒，本文结合设计图纸及现场实际情况，简单探讨了一种打桩船施打内河钢护筒时船舶防碰撞的简易验算方法及其安全措施，该验算方法及安全措施的应用，保障了海上近距离桥梁施工的安全，圆满完成了崖门出海航道二期工程防撞钢管桩基础的施打工作。

关键词：打桩船；防撞墩；防碰撞；内河 中图分类号：U674.32
文献标识码：A
文章编号：1673-6478（2023）02-0045-04
Analysis of Ship Collision Prevention Calculation and Measures of Inland Deep-water
Anti-collision Pier Foundation
GUO Hailong
(First Engineering Branch of China Railway Construction Port and Shipping Bureau Group Co., Ltd., Guangzhou
Guangdong 511442, China)
Abstract: The Anti-collision Project of Yamen Bridge Channel Phase Ⅱ is located at the position of 20m each on the upstream and downstream sides of pier 12# and 13# pier, the diameter of the steel casing in the anti-collision pier is φ3.3 m, and pile driving boat of Iron Pile Building 01 is used to drive the pile driving boat, of which frame height is 108 m, while the navigation height of Yamen Bridge is only 48 m. There are many navigable ships in the channel as well as the distance between the anti-collision pier and the original bridge is too small, in order to ensure the safe lifting of the steel casing, a simple calculation method and safety measures for ship collision prevention when piling ships apply inland river steel casings were briefly discussed combined with the design drawings and the actual situation of the site, and the application of this verification method and safety measures ensured the safety of bridge construction at sea at close distance, and successfully completed the construction of anti-collision steel pipe pile foundation of the Yamen channel Phase Ⅱ to the sea.
Key words: pile driver; anti-collision piers; anti-collision; inland
0 引言
崖门出海航道二期工程崖门大桥桥梁防撞工程位于广东省江门市新会区崖门大桥12#和13#墩位置，
收稿日期：2022-11-15
作者简介：郭海龙（1989-），男，江西赣州人，本科，工程师，研究方向为桥梁工程.（）
航道工程拟将原航道通航标准进行升级，由于通航等级的提升，设计船型从 5 000DWT 船舶提高到20 000DWT 船舶，故需对大桥桥墩防撞能力进行同步升级，升级后，需在崖门大桥12#墩及13#墩上下游侧
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20m位置各增设独立防撞墩，共4座。

主防撞墩布置了14根φ3.3m钢管复合桩，核心混凝土直径为3.0m，桩间距为6m；次防撞墩布置12根φ3.3m钢管复合桩，钢管桩最大设计桩长37.1m，单根重约85t，钢管桩的施工采用铁建桩01进行施打，铁建桩01工作时桩架高达108m，打桩船自身满载总吨位高达3 780t。

由于打桩船自身无动力，运输靠拖轮进行，打桩时的行走通过自身抛设的“八”字锚（见图1）进行游走，而崖门大桥施工区最大水深高达20m，最大水流速度1.5m/s，在如此巨大的水流冲击下，如何保障打桩船施工过程中不在水流以及现场阵风的作用下冲撞桥梁，是现场安全施工的关键，而打桩船的稳定主要靠抛设的“八”字锚，因此，锚力是否满足现场要求，需进行专门的验算。

图1 打桩船抛锚平面示意图
Fig.1 Schematic diagram of anchoring of pile driver
1打桩船锚固能力计算
1.1 外力计算
崖门大桥施工区为内河区，基本无波浪，因此不考虑波浪力的影响，打桩船所受的外力主要为风荷载及水流力。

（1）风荷载
打桩船作业最大工作风速取5级风，风速10.7m/s，换算成基本风压为W0
=0.07kPa。

最不利状
态下，风速方向垂直于桥梁方向（风力方向为横桥向），打桩船船体迎风面积约84m2，桁架迎风面积约378m2，风载按《港口工程荷载规范》（JTS 144-1—
2010）进行计算，具体如下：
W k=βµsµz W o(1)式中，β为高度Z处的风振系数；µz为风压高度变化系数，本工程取A类，µ�
=1.28；µs为风荷载体型系数，按下列条件分别计算，取值如下：
桁架结构整体体型系数取1.05；
非圆形型钢截面取1.3；
钢护筒、钢管桩等圆截面建筑物整体计算时，体形系数取0.5。

工作状态下风荷载计算如下：
桁架结构：
W k=βµsµz W o=1.0×1.05×1.28×0.07
=0.09(kPa)
非圆形构件：
W k=βµsµz W o=1.0×1.3×1.28×0.07
=0.12(kPa)
圆形构件：
W k=βµsµz W o=1.0×0.5×1.28×0.07
=0.04(kPa)
因此，打桩船船体按非圆形构件取值，上部桁架按桁架结构取值，最大风荷载为：
F1=0.09×378+0.12×84=44.1(kN)（2）水流力
打桩船总长77.25m，型宽28m，型深5.6m，满载状态下总吨位3 780t，吃水线长度66.85m，吃水深2.55m（夏季）。

为简化计算，假设打桩船吃水线下为矩形，则吃水型宽为：3780÷(66.85×2.55)=22.2m< 28m，为确保安全，吃水型宽按最大值取28m，最不
利状态下，水流方向与风速方向一致，此时阻水面积最大为：28×2.55=71.4m2，计算时最大水流流速vv取1.50m/s，根据《港口工程荷载规范》（JTS 144-1—
2010），打桩船水流压力为：
F�=CC�ρρvv22AA=0.52×12×1.52×71.4=41.8(kN) 1.2 锚的系留力计算
打桩船锚的系留力是指打桩船处在锚泊状态时
第2期 郭海龙，内河深水防撞墩基础防船撞验算及措施浅析 47
所受到的约束力，即锚泊力。

由于重力的影响，锚船
的出链长度分为两个部分，悬在水中的部分为悬链长度，平卧于海底的部分为卧底链长。

卧底链长与海底的摩擦力形成了链的抓力，它增加了锚泊力，故锚的系留力由锚的抓力和锚链的抓力两部分组成，即：
P =W 1H a +WH c L 1
(2)
式中，W 1为锚重，kg ；H a 为锚的抓重比（见表1）；
W 为锚链每米的重量，kg/m ；H c 为锚链摩擦系数，取
1.1～1.5；L 1为锚链卧底部分的长度，等于锚链总长
−K 1× 锚链顶至底高差，
m ；K 1为悬链计算长度参数，近似取K 1=cos Φs /(1−sin Φs)，见图2。

表1 海军锚抓重比 Tab.1 Navy anchor weight ratio
淤泥
软泥 硬泥 砂泥 石砾 平均 2～3
4～5
4～5
4
3～8
3～6
图2 悬链计算长度参数K 1
Fig.2 Effective length parameter K1 of catenary
崖门大桥桥址水深约20m ，海床表层为淤泥层，淤泥层平均厚度约8m ，铁建桩01打桩船抛设“八”字锚，单个锚自重约10t ，锚链直径52mm （破断力1 405kN ），锚平均抛设长度约为300m ，锚链夹角Φs 取26°，代入公式可得单个锚的系留力：
P =10 000×2.5+9.436×[300−1.60×
(15+7)]×1.3=28 248kg =282.48(kN)
因此，打桩船在风荷载和水流力共同作用下，承
受的最大外力为：
F =F 1+F w =44.1+41.8=85.9kN <282.48kN
(单个锚抓力)
即打桩船即便后锚只有一个，也远远满足锚固能
力要求，而实际上打桩船总共8个锚，其中后锚共有
2个。

综上，打桩船在5级风以及1.5m/s 的水流流速条件下作业时，锚固能力满足要求，不会引起走锚导致打桩船碰撞桥梁的事故发生。

2 打桩船防碰撞安全措施 2.1 选择合适的气象窗口 （1）风速的选择
为确保安全，打桩船施工时选择5级风以下进行作业，5级风以上时打桩船在距离桥址1公里之外抛锚。

（2）潮汐的选择
打桩船打桩选择低平潮时进行，此时水流流速、波浪均较小，水流和波浪对打桩船的影响较小，打桩船整体稳定性好。

2.2 设置防撞钢管桩
防撞墩基础钢管桩由φ1.2m 和φ3.3m 两种规格的钢管桩组成，考虑到φ3.3m 钢管桩重量大、精度高，施工功效低，为进一步确保安全，优先施打第一排距离既有桥梁最近的φ1.2m 钢管桩作为防撞钢管桩（见图3中编号为1、2、3的三根钢管桩），该三根钢管桩自重小，精度要求低，施工效率较高，可利用平潮时水流流速较低的窗口期，优先打设该三根钢管桩，
然后利用28b 槽钢作为平联临时连接形成整体，建立第一道防撞墙，确保打桩船后续施工的安全。

图3 次防撞墩钢管桩基础平面布置图
Fig.3 Layout plan of steel pipe pile foundation of secondary
anti-collision pier
2.3 走锚预警措施
打桩船走锚如果不及时采取有效的措施，将会引起打桩船冲撞桥梁或周边驳船的事故发生，因此制定走锚预警措施显得尤为重要。

在外力作用船舶的同时，船舶对锚链有作用力，
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第19卷
当外力较大或抛出的锚链较短而无卧底链长时，会使
锚杆上提，此时如果继续增加外力，将会使锚翻转，船舶的锚泊力消失，导致船舶走锚。

因此，如何在走锚之前对其状态进行预测，已成为当今广泛研究的内容。

有些学者已经提出了自己的观点，根据各项研究，得出锚泊船走锚预报警处理器的运行机理，即利用累计计算拖锚距离预测法。

在实际工程中，走锚前和走锚时锚链的受力是不一样的，锚泊中的船舶在偏荡运动中要产生锚链张力，当锚链张力大于锚泊力时，锚将被拖动，每次冲击下的拖动距离计算公式为：
b/h =0.158×10−2exp[0.0896F 0/m]
(3)
其中，b/h 为每次锚移动距离与锚长之比；F 0/m
为冲击负荷与锚重之比。

当锚杆连续受到多次冲击力作用时，拖动距离的累计值为：
∑b/h =0.158×10−2exp[0.0896∑(F 0/m)](4)
通过上式实现对锚泊船走锚的预警：
当∑b/h =6时，即拖锚距离达到6倍锚长时，此时锚链张力大于锚泊力，锚处于被拖动的临界点，但不会立即走锚，此时打桩船发出走锚预报信号，以此提醒工作人员；
当∑b/h >7时，即拖锚距离达到7倍锚长时，此时打桩船发出走锚警报，走锚的瞬间，锚链张力和锚泊力突降，当锚泊力小于1/3最大抓力时，此时已经发生走锚情况，如发生断链，锚泊力接近零值。

打桩船一旦走锚，可采取的措施主要有：利用打桩船上备用的水袋增加压载水，保持首倾；加抛止荡锚，抛“八”字锚，或使用备用拖轮、起锚艇等侧推。

3 结语
本文结合现场实际情况，通过验算，确定了铁建桩01打桩船在崖门大桥桥址区施工满足稳定性要求，并制定了相应的安全措施，多重防护措施的采用在崖门大桥航道二期工程崖门大桥桥梁防撞工程基础施工中得到了实际应用，较好地指导了现场施工，快速完成钢管桩的打设，杜绝了安全隐患，取得了较大的社会经济效益，该种施工工艺，望在今后的施工中得到借鉴。

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