滨州黄河大桥气象预警及凝冰处置系统研究.pdf

-125-李 炎：紧邻城市繁忙道路深基坑中的钢板桩方案研究-124-滨州黄河大桥气象预警及凝冰处置系统研究孙 凡，王文华，杨 丽（山东高速滨州发展有限公司，山东 滨州 256600）摘要：针对高速公路重要桥梁和特长大桥冬季除雪防滑面临的融雪剂撒布不及时、传统养护作业安全事故频发、传统融雪剂对桥梁构件腐蚀等问题，采取设置气象预警及凝冰自动化处置两个子系统，确保在不影响车辆安全行驶的前提下，对公路凝冰进行预测和处置，以提高公路除雪防滑作业效率，有效避免养护作业事故的发生。关键词：桥梁工程；除雪防滑；高速公路安全；智能交通中图分类号：U455文献标识码：AStudy on meteorological warning and ice disposal system of Binzhou Yellow River bridgeSUN Fan,WANG Wenhua,YANG Li（Shandong Hi-speed Binzhou Development Co.,Ltd.,Shandong Binzhou 256600 China）Abstract:Duetotheuntimelydistributionofsnowmeltingagentinwintersnowremovalandanti-skidofimportantbridgesandextra-longbridgesonexpressways,frequentsafetyaccidentsintraditionalmaintenanceoperations,problemsfacedbycorrosionofbridgecomponentscausedbytraditionalsnowmeltingagent.Twosubsystemsofmeteorologicalearlywarningandautomaticicedisposalareadopted,ensurethatthesafedrivingofthevehicleisnotaffected,anticipateanddisposeofroadice,toimprovetheefficiencyofsnowremovalandanti-skidoperationonhighways,effectivelyavoidmaintenanceaccidents.Key words:bridgeworks;snowremovalandanti-skid;expresswaysafety;intelligenttransportation0 引言滨州黄河大桥位于G25长深高速，是国家干线公路上重要的桥梁，年平均日交通量22500pcu/d。冬季雨雪天气下，道路结冰对行车安全产生影响，传统除雪防滑养护作业方式效率低下，除雪效果不佳，且存在安全隐患。1 桥梁概况滨州黄河大桥全长为 1 698.4 m，主桥为（422+3002+422）m三塔双索面预应力混凝土斜拉桥，桥面全宽32.8m。大桥由主桥和南、北引桥组成，北引桥和南引桥分别为642m和1642m预应力连续箱梁，全宽27.5m。桥梁起点桩号K1299+302，终点桩号K1301+000。2 高速公路除雪工作面临问题及需求据公安部交通安全研究中心统计，超过22%的交通事故是由恶劣天气引起的1。因此，交通领域的精准气象预报，将直接关系到人民生命与财产安全，将天气状况和预报可视化，实现气象保障与智能交通无缝衔接，是构建和谐社会、保障交通安全畅通的一条重要途径。针对冰雪、大雾等极端天气，管养部门建立了训练有素、快速反应的处置组织机构和工作机制。但是桥面却因为恶劣天气路面结冰，带来了非常大的安全隐患，影响了整体的服务质量和形象，也为大桥的现代化管理提出了严峻挑战。3 自动凝冰系统总体构成3.1 交通气象预警预报子系统3.1.1 系统概述交通气象预警预报系统基于GIS地理信息和气象大数据建立，以高速公路气象站数据、路面状况数据和设备状态信息采集为基础，以气象部门大数据为依托，结合路段热谱地图数据分析，向高速公路管理者提供分钟级、公里级气象预报，全面的灾害信息预警、趋势预报，可量化的精准数据为交通管制提供决策依据，以实现高速公路气象的全面监测和动态管理，提前布置处置策略，降低了高速公路的事故率，提高了高速公路的利用效率和经济效益。收稿日期：2022-12-08作者简介：孙凡（1987），男，山东滨州人，工程师。五、方案七均能满足基坑支护的各项要求。考虑尽量增大内支撑间距，提高施工便利性的要求，推荐采用方案七作为基坑支护方案。3.2 设计参数影响性分析九种基坑支护方案的稳定性及拉森钢板桩的截面抗弯、侧向位移均满足设计要求，沉降变形是确定基坑支护方案的关键因素。基于上述计算结果，将沉降变形作为控制因素，分析横向内支撑间距、钢板桩嵌固深度对基坑沉降变形的影响程度。3.2.1 内支撑间距影响分析（1）当基坑深度为5m、横向支撑间距为5m时，嵌固深度由3m增长到5m，基坑沉降变形增长率分别为20.9%、7.0%。（2）当基坑深度为5m、横向支撑间距为7.5m时，嵌固深度由3m增长到5m，基坑沉降变形增长率分别为21.1%、7.9%。（3）当基坑深度为5m、横向支撑间距为10m时，嵌固深度由3m增长到5m，基坑沉降变形增长率分别为22.2%、9.5%。通过基坑沉降变形增长率分析可知，随着横向内支撑间距的增大，不同嵌固深度下沉降变形的增长率不断增大，平均增大幅度约9.9%。3.2.2 钢板桩嵌固深度影响分析（1）当基坑深度为5m、嵌固深度为3m时，横向支撑间距由5m增长到10m时，基坑沉降变形增长率分别为2.9%、4.4%。（2）当基坑深度为5m、嵌固深度为4m时，横向支撑间距由5m增长到10m时，基坑沉降变形增长率分别为2.8%、3.4%。（3）当基坑深度为5m、嵌固深度为5m时，横向支撑间距由5m增长到 10m时，基坑沉降变形增长率分别为1.9%、1.9%。通过基坑沉降变形增长率分析可知，随着嵌固深度的增大，不同横向内支撑间距下沉降变形增长率不断变小，平均减小幅度约33.7%。综合可得，增加嵌固深度对于减小基坑沉降变小的效果要远大于缩小内支撑间距。在进行紧邻城市繁忙道路或对变形敏感的基坑进行设计时，应将钢板桩嵌固深度作为关键参数进行基坑设计。4 结语本项目紧邻城市繁忙道路，基坑最大深度为5m，根据工程质地条件，建议采用400170热轧U型钢板桩进行支护，钢板桩嵌固深度5m，钢管支撑采用609mm，内支撑间距10m。通过对九种基坑支护方案的结构分析、基坑变形及稳定性验算得出：增加嵌固深度对于减小基坑沉降变小的效果要远大于缩小内支撑间距。在对紧邻城市繁忙道路或对变形敏感的基坑进行支护时，应将钢板桩嵌固深度作为关键参数进行基坑支护设计。参考文献：1 何世凤.拉森钢板桩在建筑工程深基坑支护施工中的应用探讨J.工程与建设,2020,34（2）:300-301.2 刘伯洋.深基坑施工拉森钢板桩的受力分析J.施工技术,2009,38（S1）:158-160.3 卢健.拉森钢板桩围堰在紧邻繁忙公路桥梁深基坑中的应用J.建材世界,2022,43（2）:140-143.4 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑基坑支护技术规程:JGJ 1202012S.北京:中国建筑工业出版社,2012.（上接第119页）4 林旭,陈海涛,徐斌,等.嵌入路线算法的公路桥梁BIM自动化建模研究J.项目管理技术,2022,20（12）:151-157.5 李仲,杨树英,蔡秋婉.BIM正向设计在EPC项目设计管理中的应用研究J.广东土木与建筑,2022,29（12）:5-9.6 黄炎.BIM技术在公路改扩建设计中的应用J.中外公路,2022,42（6）:255-259.7 陈文镪,陈俊涛,胡伟飞,等.基于Revit二次开发的拱坝参数化建模方法J.水电与新能源,2022,36（11）:31-35.8 朱双颖,陈唤.基于BIM技术精细化工程计量管理模式的研究J.价值工程,2022,41（33）:5-8.9 余珍,李瀛,肖金龙,等.交通运输领域BIM知识图谱构建与可视分析C.北京:机械工业出版社,2022:241-242.-127-孙 凡，王文华，杨 丽：滨州黄河大桥气象预警及凝冰处置系统研究-126-山区高速公路服务区选型研究巩 琛1，相振行2（1.山东省交通规划设计院集团有限公司，山东济南 250101；2.山东东泰工程咨询有限公司，山东淄博 256400）摘要：以鲁中山区高速公路建设项目为依托，为解决山区高速公路服务区采用常规选型模式带来的工程规模大、景观性差、对自然环境破坏性大等突出问题，对山区高速公路服务区的选型进行了探索和研究。提出了在适宜条件下设置单侧集聚型场区的方案，分析了单侧集聚型场区的优点，得出了单侧集聚型场区的适用条件。关键词：山区高速公路；单侧服务区；服务区选型；适用性中图分类号：U417.9文献标识码：BType slection exploration of the expressway service area in mountain areaGONG Chen1,XIANG Zhenhang 2（1.Shandong Provincial Communications Planning and Design Institute Group Co.,Ltd.,Shandong Jinan 250101 China;2.Shandong Dongtai Engineering Consulting Co.,Ltd.,Shandong Zibo 256400 China）Abstract:ThispaperisbasedonanexpresswayprojectinmountainareainthemiddleofShandongprovince.Itistosolvetheoutstandingproblemscausedbythegeneraltypeslectionoftheexpresswayserviceareainmountainarea,suchasthelargeprojectscale,poorlandscape,thegreatdamagetothenaturalenvironment.Itstudiesandexploresthetypeslectionoftheexpresswayserviceareainmountainarea.Thispaperputsforwardtheschemethatsetingupunilateralaggregationserviceareawhereappropriate.Itanalyzestheadbantagesofunilateralaggregationservicearea,andgivestheapplicableconditionsoftheunilateralaggregationservicearea.Key words:expresswayinmountainarea;unilateralservicearea;typeslectionofservicearea;applicability0 引言服务区是有着供驾乘人员休息、餐饮及车辆加油、维修等重要服务功能的高速公路沿线设施。山区高速公路服务区选址及选型除受技术规范中的指标约束外，地形因素常成为影响工程规模的重要限制条件。山区地形起伏大，山间沟壑密布，平整土地少，建设条件差。常规布设及选型常导致场区工程规模大，景观性差。依托鲁中山区高速公路建设项目，对山区高速公路服务区选型进行探索和研究。1 影响服务区选址选型的因素1.1 技术规范1.1.1 服务区间距服务区的位置应根据区域路网、建设条件、景观等规划和布设1。服务区之间的标准间距宜为50km，最大不超过100km2。当服务区间距较大时，应增设停车区。服务区应在合理的间距范围内选址布设。项目里程、服务区个数及区域路网中已建成服务区的布局影响着新建项目服务区的选址范围。1.1.2 全线总体布局服务区作为高速公路的接入设施，其出入口位置存在运行速度的变化，对主线的通行能力和运行安全有一定的影响3。服务区与互通式立体交叉、隧道等的分布应全线总体布局，相邻出入口应满足间距控制的要求4，满足设置出口预告标志的需要。1.1.3 主线技术指标服务区及其出入口应满足规范要求的主线线形指标，以保障出入口的视距要求和行车安全性2。1.2 地形因素服务区的选址及选型应力求与地形相适应，以减小工程规模，降低工程投资。1.3 景观因素优美的风景、开阔的视野有利于营造服务区舒适的休息环境，服务区的设置及选型应充分考虑利用风景资源，有利于提高服务区的服务水平及高速收稿日期：2023-02-04作者简介：巩琛（1985），女，山东潍坊人，工学硕士，高级工程师，研究方向为互通式立体交叉设计。3.1.2 技术原理交通气象预警预报系统由四部分组成：气象观测站、路网热谱地图、数据分析软件和局地气象预报数据。其中，气象观测站提供实时基础气象数据，包括空气温湿度、路面状态、路面温度、能见度等。数据分析软件整合接入热谱地图数据、气象观测站数据和局地气象预报数据，计算输出道路结冰态势、气象灾害信息等，实时分析数据和预测未来一段时间的数据，并推送给用户。3.1.3 气象观测站气象观测站根据地形地貌合理分布建设，特别是一些恶劣的地理条件下，如长下坡、陡坡急弯、高海拔、一侧悬崖、靠近水域、隧道出入口、山谷等地区。气象观测站采用了具有专利技术的遥感式路面传感器、能见度仪，再加上具有独特设计的一体化气象站（空气温度、空气湿度、风速、风向、大气压强、降水量等物理量）作为辅助，为道路管理者提供及时准确的道路气象预警信息，有利于做出科学的处置方案，减少事故的发生，提高通行效率。3.1.4 气象交通预报平台采用可视化公里级路网的气象预报地图展示方式，气象灾害信息显而易见，为管理者提供良好的交互体验。平台可实时显示气象雷达回波图，通过分析云层分布以及厚度情况，从而预测出降水的可能性。平台结合热谱地图技术，建立预测模型，推导出周围路段的路面温度以及未来一段时间路网的路面温度变化趋势，扩大了气象观测站的覆盖面。系统平台在有预警信息时，能够通过短信、APP、电话等多种途径及时向管理者推送信息。系统具备全面的后台管理功能，可对历史数据进行查询、统计、趋势分析等处理，以及设备信息、日志维护以及用户管理等管理功能，以满足日常系统的基本信息维护工作。3.2 凝冰预警及自动化处置系统3.2.1 系统概述本系统主要由预警系统、自动化处置控制系统和喷洒处置系统三部分组成。工作原理主要是通过安装于路侧监控杆上的遥感式路检器、自动气象站以及气象信息采集器实时采集路面、气象信息，通过数字通信、自动控制等技术实时对采集来的气象信息及路面信息进行分析、计算，精确推算出道路凝冰生成的时间点，提前3040min推送预警信息并自动向处置系统发出处置启动指令，对道路进行液体融雪剂喷洒，降低路面冰点温度，避免道路凝冰的生成，从而保障道路通行安全。该系统可应用于高速公路、城市立交桥、高架桥道路、长大纵坡、机场、闸道、隧道进出口、山区公路等各种路段；尤其在桥梁、陡弯与下坡等易凝冰路段，可防止道面凝冰的生成，保障冬季道路通行安全。3.2.2 凝冰预警功能。根据自动气象站和路检器上传的数据，采用自主开发的具有专利技术的数据解析算法，进行智能分析和处理后，精确推算出路面凝冰生成的时间点。系统会在凝冰生成3040min推送出预警信息。凝冰处置系统根据气象预警系统推送出的预警信息，在凝冰生成前2030min启动喷洒处置作业对路面进行融雪剂喷洒，也可以在平台上远程启动喷洒。登录平台后，在喷洒系统控制界面上选择需要控制的站点，并显示所选站点的储液量和管道压力。喷洒区域选项可以选择全部喷洒、单点或局部喷洒等，喷洒区域选项还可以细化到第几个终端到第几个终端进行喷洒。对于喷洒行为可以选择喷洒与停止两种行为。喷洒模式是指系统根据降雪量的大小而预先设置的三种喷洒量的控制方式，分别对应小雪、中雪和大雪。对于喷洒系控制面板，用户可以根据自己的需求在更多参数设置中对喷洒系统进行更为详细的系统设置。4 建设方案桥面道路为双向六车道，故组合喷头的喷洒距离不应小于16m。组合喷头应选用加长稳流槽的8.5m喷嘴的组合喷头。喷洒溅射距离16m。拟定喷洒终端安装间隔28m，每套处置系统控制喷洒终端72套。中雪模式下处置一次用时18min，小雪模式下处置一次用时13min。处置作业时，靠近机房端的喷洒终端可同时喷洒23个或者远端喷洒1个，以减少处置时长，提高处置效率。经测算，每套处置系统在中雪模式下处置一次需融雪剂2.8m3，在小雪模式下处置一次需融雪剂1.6m3。拟定安装储液罐54m3，即加注满融雪剂可在中雪模式下处置18次，在小雪模式下可处置32次。以济南地区2020年冬季为例，整个结冰季节降水8次，其中中雪两次，小雪3次，雨加雪3次。正常年份，融雪剂一次加注可满足系统1a的处置需求。4.1 交通气象预警预报系统本方案建设道路气象观测站1座（包括遥感式路面传感器1台，一体化气象站1台，球型摄像机1个，数据采集箱1台），气象预警预报平台一套。依据桥面道路情况，拟定监控杆安装于桥梁外侧，采用专用构件固定。将遥感式路面传感器、一体化气（下转第145页）朱小磊，倪晓雯，王曙光：航道工程设计风险评估研究2023 年第 4 期山东交通科技-144-145-5 风险控制措施根据风险评估结论，应在保障安全、保护环境和控制成本的前提下，针对本工程存在的风险源，制定具有针对性的合理有效的应对措施，预防、降低或消除风险，使项目总体风险达到可接受的水平。（1）充分调研和掌握航区段水文、气象及地质情况，合理确定综合地质勘探方法及手段，建立建设期和运营期气象环境监测与预警保障系统，制定恶劣天气条件下避险应急预案。（2）对通航尺度不足暂不改建的高速桥开展防船撞能力提升专项设计，制定针对性通航管理措施，并与权属公司签订相关协议，明确其拆除改建时间，以彻底消除安全隐患；开展航道疏浚底泥处置专项研究，并取得相关主管部门批复意见。（3）针对不同设计方案的施工方法进行可行性、适应性评价，选择风险小的施工方法；选择技术管理水平较高的施工单位，要求按规定开展施工安全风险评估，对残余风险有效跟踪。（4）设计时充分结构考虑耐久性，适当留有安全富余；不易改扩建的工程按航运发展长远需求进行规划设计，将级船闸变更为级船闸建设。（5）运营期加强运营管理和养护，制定本航道通航管理办法、养护管理办法及各项应急预案。采取上述风险控制措施后，根据各风险因素集的风险值和权重可得该工程总体风险为级，风险水平可接受。6 结语（1）航道工程是一项高风险的建设工程，项目建设规模一般较大，工程条件复杂，设计荷载种类多，建造环境恶劣，易受到自然灾害及各类工程事故的影响，因此有必要对其开展设计风险评估，采取必要的风险处理措施，预防工程风险。（2）在一些发达国家会有专业的工程事故数据库或风险一览表，为做好风险估计奠定了良好的基础。由于在我国对航道工程进行设计风险评估工作刚刚起步，相关资料匮乏，建议加强对风险事故资料的统计、整理和保存，为今后大规模开展设计风险评估奠定基础。（3）设计风险评估是建设项目全寿命周期风险评估的第一阶段，后续应采用动态的方法随着项目建设不断更新风险源并进行风险控制，以推动航道工程建设的高质量发展。参考文献：1 中华人民共和国交通运输部.公路水运工程安全生产监督管理办法 Z.交通运输部令（2017）25号.2 中华人民共和国交通运输部.公路桥梁和隧道工程设计安全风险评估指南（试行）Z.交公路发（2010）175号.3 汤苏.航道桥梁施工风险评估研究J.中国水运,2014,14（5）:250-251.（上接第126页）象站和球型摄像机设置于监控立杆上。4.2 道路凝冰自动化处置系统拟建设一套道路凝冰自动化处置系统，拟处置路段1000m，两套控制机房与储液罐都拟定建设在大桥下位置，输液管道及控制线路沿大桥快车道中间隔离护栏上侧敷设，喷洒终端拟定安装在快车道一侧方形护栏外侧。（1）储液罐及机房建设安装在大桥下，选取2035m2的平坦地区，平整后，浇筑0.2m厚混凝土基础平台，用于放置储液罐及机房。（2）管道敷设安装。主管道敷设在中间隔离护栏第三和第四横臂之间，管道外加设防护桥架，且防护层与横臂颜色一致，整体协调美观；为了统一建设，管道建设预留了一条电源线路，可为桥梁健康监测系统提供电源。（3）喷洒终端安装。大桥处置长度全长1000m等间距（约28m）安装喷洒终端总计约72套。采用专用固定架安装在第一层横臂外侧，喷洒终端侧面贴有反光标贴。5 实施效果喷洒终端处置作业时，水流离开终端1.52m落地，然后沿路面向前溅射喷洒。采用溅射的撒布方式，以最少的撒布量处置最大的撒布面积，而且撒布均匀。整个处置过程中水流紧贴着路面溅射，水流溅射高度可控制在10cm以下，不会对行车安全产生影响。6 结语G25长深高速滨州黄河大桥气象预警和凝冰自动化处置系统工程在高速公路应急养护管理中发挥了重大作用，有效应对了雨雪天气，保障了高速公路恶劣天气下的安全畅通。参考文献：1 邓德文,杨华,周雨.江西交通气象服务系统组成与应用J.气象水文海洋仪器期刊,2017（11）:16.的技术、经济、施工等方面比选，确定推荐方案，因此风险评估也需结合各比选方案同深度进行。施工图设计阶段风险评估主要是对前阶段评估进行细化，分析是否存在新增风险，并重点对上一阶段的残留风险和对施工、运营影响较大的设计关键技术风险进行评估，设计单位依据评估结论对设计方案进行修改完善，以达到预防工程风险的目的。结合国内外现有的风险分析理论与方法研究，根据航道工程实际特点，采用适宜于本工程的风险分析理论和方法，形成航道工程设计风险评估流程，见图1。航道工程风险分析任务系统定义风险识别风险估计风险后果估计风险评价模型风险评价风险决策是否满意接受方案YESNO风险概率估计多目标风险评价风险应对多种风 险集成图 1航道工程设计风险评估流程3 设计风险评价指标依据生产安全事故报告及调查处理条例 公路桥梁和隧道工程设计安全风险评估指南（试行）和其他国家现行有关标准对风险评价指标的相关规定3，结合航道工程风险评估研究实际，风险发生概率等级及判定标准见表1。表 1风险发生概率等级等级概率描述概率区间1几乎不可能发生0.000 32难以发生0.000 30.0033偶然发生0.0030.034可能发生0.030.35很可能发生0.3事故损失包括人员伤亡、经济损失、环境破坏等，等级应采用就高原则确定，见表2。表 2事故损失等级判断标准等级人员伤亡等级判断标准/人经济损失等级 判断标准/万元1重伤55002死亡3或5重伤105001 00033死亡10或10重伤501 0005 000410死亡30或50重伤1005 00010 000530死亡或100重伤10 000航道工程设计风险等级分为4级，依据风险分析结论采用评价矩阵方式综合确定，见表3。表 3 风险等级评价矩阵表风险发生概率等级风险损失等级123451IIIIIIIII2IIIIIIIIIII3IIIIIIIIIIIV4IIIIIIIIIVIV5IIIIIIIVIVIV4 设计风险评估结合前文航道工程设计方案，全面检查搜集本工程及其周边相关已存在与将出现的风险源，按不同评估单元对其风险做辨识并进行评定，确定其设计风险等级，见表4。表 4 山东省某航道工程主要设计风险评估单元风险源主要风险风险概率等级风险损失等级设计风险等级建设条件大雾、大风操船困难，发生刮擦、搁浅31II级暴雨、洪水护岸损毁、船舶失稳22II级勘察不确定性影响施工过程及设计方案的顺利实施32II级设计方案桥梁应拆未拆通航尺度不足发生船桥碰撞、人员伤亡43III级航道底泥疏浚破坏生态、污染环境23II级施工技术闸首及闸室施工大体积混凝土的质量不满足要求32II级带、临水施工岸坡与地基失稳、人员落水32II级运营条件结构耐久性材料腐蚀老化、损伤积累32II级危险品运输引发火灾或爆炸，污染水体、断航23II级通过能力远期通过能力不足导致待闸过久、堵航23II级