luda 南京栖霞山长江大桥（原南京长江第四大桥，以下简称栖霞山大桥）是南京绕城高速公路的过江通道和重要组成部分，大桥位于南京长江第二大桥下游约10公里处。栖霞山大桥主桥为双塔三跨钢箱梁悬索桥，其跨径布置为576.2+1418+481.8=2476米，大桥于2008年12月开工建设,2012年12月建成通车。
栖霞山大桥横跨长江，是重要的交通枢纽。大桥的建成给两岸的生产及生活带来交通便利，也给桥梁的管理养护带来了巨大的挑战。截至2020年6月底，栖霞山大桥累计交通通行量为8082万辆，其中货车约2779万辆，占比为34%。当前日均交通量约为35000辆，近期统计数据表明，平均每天约有300辆危化品车辆要从大桥通过。
在大桥建设期，为防止危化品运输车辆泄漏及污染长江水体，在主桥桥面上各泄水孔安装了不锈钢材质的排水盖板（见图1），共计552个。
图1 主桥桥面的不锈钢排水盖板
为避免雨水在桥面积聚，排水盖板平时处于开启状态。当有危化品泄漏等特殊情况发生时，需要人工进行关闭，关闭实施的过程中存在安全和应急时效性差等问题。
排水系统的管养“痛点”
大量危化品运输车辆通行
由于地域的特殊性，栖霞山大桥毗邻化工园区及仓储区，为南京市内主要化工品车辆过江通道，也是过境危化品车辆的主要通道之一。根据2019年10月30日至11月6日的危化品车辆通行情况统计：7天内总计通行2120辆危化品车辆，其中易燃易爆为1617辆，有毒127辆，易腐蚀为261辆，不燃115辆，如图2所示。
图2 栖霞山大桥一周内危化品车辆通行状况
由此可以看出，大量的危化品运输车辆在大桥上通行，因而危化品发生泄漏的风险较大。
排水板盖缺陷
栖霞山大桥桥址距离二级水源保护区上游边界约2.5公里，距离一级水源保护区上游边界约6公里。在一级水源保护区内有南京市龙潭水厂的取水口，根据政府规定需作重点保护。栖霞山大桥与龙潭饮用水水源保护区的位置关系，如图3所示。
图3 栖霞山大桥与龙潭饮用水水源保护区的位置关系
根据原有的管理流程，排水盖板始终处于开启的时候，能有效降低桥面积水，避免车辆在桥面出现打滑现象。但在实际管理使用过程中，原有排水盖板的管养过程存在以下几点不足：
（1）易产生二次泄漏
原排水盖板直接与沥青路面接触，存在较大间隙，封闭不严，在危化品泄漏后可能直接排入长江污染水源。
（2）应急管理流程问题
由于排水盖板处于开启状况，此时若发生危化品泄漏，有关工作人员必须奔赴现场去关闭盖板。但从危化品泄漏处置的应急管理要求来看，所有人员都应尽快撤离，而人工关闭盖板的安排则显得不够合理。
（3）人工操作效率不高
若涉及关闭多个排水盖板，工程量较大，而人工操作效率低下，耗时又多，基本无法满足应急处置的要求。
（4）较大的安全隐患
排水盖板均匀分布于2476米长的主桥桥面，桥面常有高速通行的车辆。即便不考虑危险品的泄漏风险，工作人员乘坐工程车上路手动启闭盖板时，亦会影响其他车辆通行，存在较大的交通安全隐患。
盖板的智能化改造
为了解决排水盖板养护管理的痛点，经充分调研，大桥管理单位探索实施栖霞山大桥主桥面排水盖板智能化改造，拟采用低压气动控制盖板启闭，开发专用软件实现开闭动作的自动化控制，目标是为了消除危化品车辆泄漏后直排入江的安全隐患。
改造方案比选
经调研，相关人员主要对电动阀门控制和低压气动控制两种方案展开讨论，最终选择后者。两种改造方案的对比情况可见表1。
低压气动控制方案
低压气动方案采用分段分区域控制，以跨中和桥中线，将主桥桥面划分为4个区域。在两桥塔处各安装两套防爆控制电柜及动力气源，控制方式为气动控制，即采用气缸来控制排水盖板的开启与关闭。其中，A、B区域共用控制系统C1#， C、D区域共用控制系统C2#。两套控制系统通过GPRS与监控室进行数据交换与控制。该方案应用两种工作模式：
（1）远程无线控制。在监控室通过GPRS无线监控A、B、C、D各区域排水盖板的启闭状态，同时监测各路气压。如果气压不足，系统会发出报警信号（见图4）。
图4 第一种模式：远程无线控制
（2）现场手动控制。根据现场情况，可选择现场手动控制，分别控制A、B、C、D区域排水盖板的启闭状态（见图5）。需要说明的是，正常情况下盖板是打开状态，只有出现危化品泄漏，才会将其关闭。
图5 第二种模式：现场手动控制方式
采用本方案具有以下优点：
（1）桥面采用气压传动，无火花且无污染，安全环保。
（2)专门开发软件并通过4G、5G网络远程控制，先进可靠。
（3）现场设有手动控制模式，方便应急处理。
（4）可用手机短信、APP、云平台远程控制，灵活机动。
（5）建立数据库管理，便于数据追踪。
（6）可根据用户需求，未来加装智能检测装置、升级控制系统，例如可根据雨量、通行量等数据信息，实现更加安全、可靠的数字化、信息化、智能化的智慧交通与智慧桥梁管理与控制。
关键技术与实施效果
关键技术
根据桥面跨度大、排水盖板分布广的特点，在控制方式上采用分段分区域控制。其目的是当一个区间关闭时，不影响其他区域正常工作，确保各系统的稳定性和及时性，同时便于分区域检修和监控。在区域划分上结合桥面桥塔的位置、盖板的分布、控制系统的位置安放综合考虑。针对突出问题，管养单位制定应对措施，涉及以下几项关键技术：
（1）重新设计运行方式
①设计控制方式。开启为常态，紧急情况下关闭；实时监测，对数据库进行统一管理。
②分段分区域控制。每个区域单独控制，互不影响，也便于分区域检修和监测。全桥四个区域，共计552个排水盖板，每个区域138个，实现分段分区域控制。
③开发专用控制系统。自主开发研制自动化控制系统，采用西门子PLC控制系统、GPRS无线通讯，设置远程无线控制和现场手动控制方式。在优先级方面，设置现场手动控制方式为最高级别，方便根据实际情况进行应急处理。系统方框图如图6所示。
图6 控制系统方框图
（2）增强防水密闭性
拆下原排水盖板，在盖板外轮廓内侧加装硅胶类密封圈（如图7所示）。密封圈材质为硅胶，可耐200摄氏度以上高温，具有较强的抗腐蚀、抗老化、低温柔韧性。加装密封圈后，盖板关闭时可实现良好的密闭效果，在寒冷冬季亦不失效。
图7 排水盖板密封
（3）保证系统功能性
由于原泄水孔、排水盖板日久损坏，对可以修复的加以维修，对于破损严重的器件，需要重新制作盖板或直接更换，如图8所示。
图8 排水盖板维修与更换
（4）创新管养方式
由于开发了远程监测软件，管养方式发生了变化。操作人员在监控大厅就可以实现远程监测与控制，在发生事故时亦不必奔赴现场，保障人身安全。为便于应急处理，在桥塔内控制电柜、桥塔外手动按钮箱均安装手动操作装置，提高了系统的稳定性与安全性，如图9所示。
图9 远程监控与现场手动控制
实施效果
根据改造方案目标，管养单位对排水盖板控制系统进行设计，并经现场施工和调试，控制系统于2020年6月中投入试运行（图10）。
图10 现场及远程调试
2020年6月23日，栖霞山大桥管理单位在大桥上组织开展危化品车辆过桥应急演练，如图11所示。经现场实际测试，主桥排水盖板气动控制系统单区域气压在0.4-0.6MPa时，气缸就能快速启闭，排水盖板分区域控制正确、动作无误、反应迅速（如图12），最快6秒钟就可完成盖板关闭。经实际检验，所有参数均达到既定目标，排水盖板自动控制系统达到设计预期，能满足大桥应急管养之用。
图11 危化品车辆过桥应急演练
图12 现场关闭效果
经本次改造工程的建成及投用，解决了栖霞山大桥原有排水盖板需要手动操作及效率低等问题，有效防范危化品事故车辆泄漏直排长江等风险，保护长江水体和下游集中式饮用水水源地，提高应急处置效率和能力。
在排水盖板的智能化控制方面，充分运用先进物联网技术，对原运行控制方式进行重新定义与设计，并专门开发智能控制系统，可实现远程控制与数据库全程实时监测管理。为了确保安全，在现场设置最高级别的手动控制装置。
该项目是国内跨江大桥排水系统管养技术与控制方式的革新，是将现代控制技术与物联网技术有效结合的成功案例，亦为此类技术在跨江大桥排水系统上的首次应用，为同类跨江跨海大桥的科学管养，提供了借鉴与指导。
本文刊载 / 《大桥养护与运营》杂志 2020年 第4期 总第12期
作者 / 李金桥 倪修勤 张鹏飞
作者单位 / 南京长江第四大桥有限责任公司
中交公路规划设计院有限公司