復雜軟基條件下自動化堆場沉降控制的思路和方法

王躍全

（上海市交通建設工程安全質量監督站，上海市 200120）

0 引言

上海國際航運中心洋山深水港區四期工程岸線全長2 350 m，建設7個5～7萬t泊位（水工結構按靠泊15萬t級集裝箱船設計），后方陸域總面積223.16萬m2，設計年通過能力630萬標準箱。工程定位于全自動化集裝箱碼頭，堆場按垂直于碼頭前沿線布置，共61列箱區，全自動化工藝解決方案采用“雙小車岸橋+AGV+ARMG”，堆場內使用31 m跨距的自動化軌道式龍門起重機ARMG自動裝卸作業，自動導引車AGV在碼頭堆場之間實現岸橋與ARMG間的自動化作業交接，港外集卡則在堆場外側與ARMG進行集裝箱交接。

洋山四期工程建設用地為外海島嶼吹填造陸形成，東西兩端分別是顆珠山島、大烏龜島，2004年完成東海大橋顆珠山海堤形成港區北邊界，南側邊界為四期工程碼頭接岸結構的擋土墻。港區陸域包括了3種完全不同的地質類型（見圖1），近90%為吹填形成，其中A區為開山爆破區；B區、C區均是開山炸石回填的硬質地基和吹砂形成的軟土地基，主要作為集裝箱堆場使用；下臥層分布著海相沉積的深厚軟土，強度低、變形大，給工程的設計與施工帶來許多困難。

圖1 洋山四期港區陸域分區示意圖

1 沉降控制思路

1.1 地基情況

洋山四期工程陸域部分主要為深厚軟土層的吹填土地基，地質條件復雜。下臥軟土層深厚，一般厚20～40 m，局部最厚處達62 m，軟土層底板標高深－50～－60 m左右，多個分層均屬高含水量、高壓縮性靈敏軟土，物理力學性質較差，是引起變形的主要不良土層。上覆吹填土為長江口砂，回填標高為+7.0 m左右，回填層平均厚度約17 m，最大回填厚度達30 m。回填層初期承載力僅為80～120 kPa，當受到循環剪應力的作用時，易產生液化現象，從而導致地基破壞。

在軟弱地基基礎上建設全自動化碼頭，并做到工期可控、經濟合理，滿足集裝箱堆場運行的嚴苛要求，地基基礎沉降是首先需要面對和處理的難題。按照自動化堆場裝卸工藝，設計要求地基承載力[R]≥150 kPa。經計算，在陸域地基未加固情況下，受回填層自重荷載和使用荷載的疊加作用，堆場將產生0.87～5.04 m的沉降量，全區平均沉降量3.14 m。其中回填層造成的沉降占90%以上，而后期堆箱使用荷載引起的沉降量占10%左右。洋山四期工程天然地基采用了插塑料排水結合堆載預壓的加固方案，以加快天然地基排水加固。回填層地基則主要采用強夯、振沖的加固方案，以此實現提高地基承載力，防止回填層地基液化，減小地基工后沉降，提高路基密實度的目標。

1.2 控制思路

經多方論證，洋山四期陸域的沉降控制提出以下思路：

（1）考慮到地基下臥層軟弱，且區域內吹填區與開山區交錯，吹填層厚薄不一，有部分吹填層由于超深未實施插打塑排加固。將盡量減小工后沉降、控制不均勻沉降作為主要目標，即工后不均勻沉降梯度≤0.5%。

（2）吹填土地基的沉降客觀存在，地基加固后仍有殘余沉降，并且時間效應較長，沉降控制方案應綜合考慮效果、投資和工期，施工期沉降采取二次施工方式解決。

（3）分施工期、調試使用期兩個階段實施沉降觀測，定期調整堆場軌道吊軌道位置和標高，保證運行要求。

2 地基加固效果

為檢驗加固效果，選擇B區設置觀測點，埋設磁環進行分層沉降觀測。分層沉降標采用鉆孔埋設，鉆孔垂直偏差率不大于1.5%，分層沉降測點間距為4 m，底層2 m。埋設后磁環實測原始標高見表1。陸域分層沉降點沉降曲線見圖2。

表1 沉降觀測磁環原始標高 m

圖2 陸域分層沉降點沉降曲線圖

沉降觀測自陸域形成完成后實施，自2012年7月5日設點開始至2014年11月22日。圖2曲線顯示，初始階段（包括地基加固施工階段）沉降較快，施工后絕大部分陸域的沉降速率已基本穩定,曲線呈收斂狀態，后期所有測點連續5個月沉降均小于20 mm，沉降絕對值及梯度滿足要求。數據表明洋山四期工程的地基加固方法取得了預期效果，主要沉降已完成，場地具備施工條件。

3 軌道基礎結構選型

自動化集裝箱堆場主要由堆場與ARMG軌道（含基礎）組成。堆場采用“箱條基+三渣層”基礎，此結構為上海地區港口堆場的常用結構，在外高橋港區、洋山一期～三期等工程中應用廣泛，已具有成熟的設計和施工經驗。自動化堆場內實施堆箱作業的ARMG，根據裝卸作業效率需求，最快運行速度達240 m/min，對軌道的安裝精度和平整度、順直度要求很高[1]。考慮堆場仍存在殘余沉降和不均勻沉降的實際情況，軌道基礎的選型必須適應沉降影響，這是實現自動化堆場功能和控制運營維護費用的關鍵所在。

3.1 軌道基礎結構主要形式

目前國內能較好解決不均勻沉降問題的ARMG基礎形式主要有以下3種：

（1）樁基軌道梁基礎（剛性基礎），通過設置樁基達到消除沉降和不均勻沉降的目的。

（2）軌枕道碴基礎（柔性基礎），通過調整道碴厚度解決使用期產生的整體沉降和不均勻沉降問題。

（3）可調節彈性地基梁基礎，通過調節基礎與鋼軌間的上、下層鋼板達到協調不均勻沉降的目的。

3.2 軌道基礎設計方案

設計提出軌道基礎0.5%沉降梯度的控制標準，經測算陸域大部分區域經加固后，殘余沉降基本不影響ARMG正常運行，故上述3種方案均具可行性。

樁基軌道梁方案在運營期的使用效果比較理想，但投資高、工期長，開山區、塊石回填區和吹填區圍堤部位施工難度大，并且與軌道周邊箱區沉降差大等，存在諸多不利因素，不是最適合洋山自動化堆場的最佳方案。兩種可調整的軌道基礎型式，經過初期調整均可滿足運營期的正常使用要求，在投資、工期等方面更有優勢。軌枕道渣方案和可調式軌道梁方案在調整不均勻沉降能力方面各有千秋，前者對于調整較大的不均勻沉降作用明顯，而后者則適用于需進行微調、精度較高的場合。

綜合考慮陸域地基實際和自動化軌道控制指標要求，結合兩種可調方案的優點，組合形成“帶槽（U型槽）軌枕道砟+可調基座”方案[2]（見圖3），軌枕道砟基礎上部為32 cm厚預制軌枕，通過壓件與鋼軌連接，下設650 mm厚的道碴基層。該方案能很好適應洋山四期的地基特點，同時經濟指標好，相對樁基方案投資節約明顯。

圖3 雙重可調式軌道基礎示意圖

4 沉降控制效果

4.1 施工期

施工期沉降觀測每條軌道布設3處，分別位于南北兩側車檔預埋鋼板和中間錨定預埋鋼板上，平均每個月測量1次，表2為施工期典型箱區測點沉降數據。軌道槽（包含聯合基礎）實行二次施工，第2次澆筑前，通過沉降觀測數據預留沉降量，適當調整并確定各箱區軌道預埋板的施工安裝標高，由此最終形成各箱區軌道安裝及精調標高[3]。

表2 施工期典型箱區測點沉降數據統計表

根據沉降觀測數據，施工期情況分析如下：

（1）自動化箱區大部分區域的施工期沉降量基本在50 mm以內，且不均勻沉降坡比控制在0.1%～0.4%范圍內，總體沉降情況與預計基本一致。最后箱區平均沉降量控制在5 mm/月以內，施工期沉降趨于穩定。

（2）軌道基礎施工期間發生的沉降量通過軌道槽（聯合基礎）二次施工等手段已基本消除，僅少數拋石區無法進行插打塑排進行深層加固的區域沉降尚未穩定。軌道基礎最后完工標高與設計標高基本相符，保證了軌道安裝精度。

4.2 調試使用期

按計劃自動化碼頭調試期1年左右，軌道吊將分別進行空載、重載調試運行，在部分箱區進行了集裝箱堆存作業。為全面客觀掌握工后沉降情況，并監控工程營運期道路堆場和軌道等設施設備安全，保證自動化碼頭的可靠運行和后續調整工作實施，需要繼續開展使用期沉降位移觀測工作，同時可以掌握軌道槽與鋼軌的沉降差值，并由此驗證道砟密實情況。

調試箱區每條鋼軌頂部每間隔20 m左右布設1處，同時在鋼軌對應的軌道槽墻身頂部也布設1處，掌握調試期間沉降變化情況。所有軌道沉降觀測點全部進行初測，并記錄現有標高情況。后續穩定以后，每根軌道南北兩側車檔和中間錨定基礎位置設永久觀測點銅釘。觀測結合維護工作實施，沉降尚未穩定、差異沉降比較明顯需重點關注的箱區初期安排1個月測量一次，對于沉降相對穩定的箱區可適當延長觀測間隔時間，最長不超過2個月。后續觀測頻率及具體結束觀測沉降時間根據實測數據分析后確定。表3、表4分別為調試使用期中43#箱區及其余箱區測點沉降數據。

表3 43#箱區設備調試期（2016-08～2016-12）沉降數據表

從觀測數據進行分析：

（1）40#～44#箱區為首批ARMG進場調試的箱區，軌道與軌道槽的沉降趨勢一致，每條軌道連續5個月累計沉降量均在30 mm以內。

（2）前期月均沉降量大于5 mm，經過一段時間后月均沉降量逐漸減小，最后各箱區平均沉降量控制在5 mm/月以內，沉降趨于穩定。同箱區東、西軌同截面高差基本在10 mm以內，調試期間運行情況基本正常，未出現跳車、啃軌等影響行車的現象。

表4 調試使用期典型箱區測點沉降數據統計表

（3）調試使用期沉降主要是以場地沉降為主，道砟引起的沉降量很小，驗證了道砟回填與碾壓的施工質量。施工的陸域標高設計時已考慮了一部分沉降量，調試使用期的場地標高可以滿足自動化堆場使用要求。

5 結語

（1）綜合施工和調試使用兩個階段的沉降觀測數據，說明在復雜軟弱地基條件下建設全自動化堆場時，采用洋山四期的沉降控制思路和方法是可行的，沉降控制結果基本與預計值接近。

（2）地基的前期加固處理、施工期沉降和調試使用期，堆場沉降量前期大后期小，逐漸趨于穩定。整個堆場以箱區為單元來控制，箱區的沉降變形可控，能滿足設備的運行要求。

（3）針對洋山四期工程客觀情況所提出的新型非樁基軌道基礎結構型式——“帶槽（U型槽）軌枕道砟+可調基座”，將常規的軌枕結構優化為帶可調支座的新型軌枕結構，具有良好的適應地基沉降變形能力，也便于后期軌道調整，道砟與基座雙可調機制能適應殘余沉降量較大的地基。

（4）由于測點數量較多，目前的人工方式工效低且會影響港區運營，需要盡快研究自動化測量方案，提高沉降變形觀測的效率與精度，發生超限能及時報警處置，保障自動化堆場作業正常運行。

參考文獻：

[1]中交第三航務工程勘察設計院有限公司.上海國際航運中心洋山深水港區四期工程堆場軌道基礎專題研究報告[R].上海：中交第三航務工程勘察設計院有限公司，2014.

[2]韓時捷，王施恩，周亞平.雙重可調式軌道基礎研究與設計[J].水運工程，2016（9）：126-129.

[3]中建港務建設有限公司.洋山四期道堆工程交工施工總結[R].上海：中建港務建設有限公司，2017.