天津港智能化集裝箱碼頭堆場(chǎng)精細(xì)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用

彭 浩，王麗芳

（1.天津港第二集裝箱碼頭有限公司，天津 300450；2.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300220)

引言

天津港北疆港區(qū)C段智能化集裝箱碼頭投入運(yùn)營(yíng)以來(lái)，設(shè)備設(shè)施運(yùn)行良好，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。碼頭后方堆場(chǎng)區(qū)是核心配套設(shè)施之一，負(fù)責(zé)集裝箱的堆存以及與內(nèi)、外部集卡交接箱功能，按照生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)需要對(duì)堆場(chǎng)分區(qū)域精細(xì)化設(shè)計(jì)，使其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理，將直接影響工程建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)效果。

1 堆場(chǎng)總體布置與荷載要求

1.1 智能化集裝箱堆場(chǎng)總體布置

天津港智能化集裝箱堆場(chǎng)平行于碼頭布置，堆場(chǎng)區(qū)分為A、B、C三個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域均布置8塊堆場(chǎng)，重箱與空箱混堆，冷藏箱靠近輔建區(qū)集中堆放。堆場(chǎng)區(qū)裝卸箱設(shè)備為34 m軌距、吊具下起重量41 t的雙懸臂自動(dòng)化軌道式集裝箱龍門(mén)起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱ARMG），其軌內(nèi)布置11排集裝箱，兩側(cè)軌外各布置1條集裝箱作業(yè)車(chē)道；內(nèi)、外集卡作業(yè)模式為邊裝卸，即內(nèi)、外集卡需行駛至各自作業(yè)區(qū)域內(nèi)的ARMG懸臂下方接送箱作業(yè)，內(nèi)集卡為人工智能運(yùn)輸機(jī)器人（以下簡(jiǎn)稱ART），外集卡為有人駕駛集裝箱拖掛車(chē)。堆場(chǎng)平面布置見(jiàn)下圖1，堆場(chǎng)工藝斷面布置見(jiàn)下圖2。

圖1 堆場(chǎng)平面布置示意圖

圖2 堆場(chǎng)工藝斷面布置示意圖

1.2 智能化集裝箱堆場(chǎng)荷載要求

1）堆箱荷載

空、重箱混堆區(qū)堆箱高度6層，均布荷載60 kPa，箱角接地應(yīng)力9.51 N/mm2，單箱、單列箱、多列箱箱角荷載分別為274.3 kN、548.6 kN、1 097 kN。

冷藏箱堆場(chǎng)區(qū)堆箱高度4層，均布荷載40 kPa，箱角接地應(yīng)力7.40 N/mm2，單箱、單列箱、多列箱箱角荷載分別為213.4 kN、426.7 kN、853.4 kN。

2）ARMG荷載：

ARMG軌距34 m，吊具下額定起重量41 t，堆箱高度為堆6過(guò)7，大車(chē)總輪數(shù)4×4，基距17 m，輪間距1.05 m+1.2 m+1.05 m，工作最大輪壓386 kN/輪。

3）流動(dòng)機(jī)械荷載

ART（最大輪壓110 kN/輪）滿載；80 t集裝箱拖掛車(chē)（最大輪壓73 kN/輪）滿載。

根據(jù)堆場(chǎng)的總體布置及相應(yīng)區(qū)域的荷載要求，可以對(duì)整體堆場(chǎng)進(jìn)行分區(qū)域的精細(xì)化設(shè)計(jì)。根據(jù)使用功能的不同，可大致分為集裝箱堆場(chǎng)、ARMG軌道基礎(chǔ)、道路三個(gè)方面，從不同角度進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)如下。

2 集裝箱堆場(chǎng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)化集裝箱重箱堆場(chǎng)結(jié)構(gòu)形式采用較多的有鋼筋混凝土箱角梁結(jié)構(gòu)、高強(qiáng)混凝土聯(lián)鎖砌塊鋪面結(jié)構(gòu)型式[3]。鋼筋混凝土箱角梁結(jié)構(gòu)具有受力明確，美觀耐用的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是施工效率低，造價(jià)較高，同時(shí)由于箱角荷載較大，導(dǎo)致條形基礎(chǔ)基底應(yīng)力也很大，箱角梁基礎(chǔ)下需要采用樁基礎(chǔ)、復(fù)合地基及開(kāi)挖換填等處理方法。聯(lián)鎖塊結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格較低、施工較簡(jiǎn)單、損壞區(qū)域容易修復(fù)；其缺點(diǎn)是沉降較大、箱角處聯(lián)鎖塊受沖擊力后易破碎、維修較頻繁，箱角處鋪砌聯(lián)鎖塊標(biāo)高要按照堆場(chǎng)整體坡度控制，平整度較差。而天津港地區(qū)為軟土地基，聯(lián)鎖塊結(jié)構(gòu)沉降較大且堆箱層數(shù)較高，將嚴(yán)重降低自動(dòng)化場(chǎng)橋的作業(yè)效率，不適合選用聯(lián)鎖塊結(jié)構(gòu)。

鋼筋混凝土箱角梁結(jié)構(gòu)有樁基礎(chǔ)和復(fù)合地基等多種形式。樁基礎(chǔ)方案為鋼筋混凝土箱角梁基礎(chǔ)下采用PHC摩擦樁基礎(chǔ)，打入PHC樁至相對(duì)較硬的持力層，通過(guò)樁基有效支撐了箱角梁基礎(chǔ)，使用期沉降較小，施工方便快捷，且箱角梁平整度較高，有益于生產(chǎn)作業(yè)效率提高；缺點(diǎn)是工程造價(jià)高，與周邊場(chǎng)地有一定的沉降差。復(fù)合地基方案為鋼筋混凝土條基下采用高壓旋噴樁或水泥攪拌樁復(fù)合地基處理，使其滿足地基承載力要求，造價(jià)要低于樁基礎(chǔ)。該方案為設(shè)置褥墊層使樁土共同作用，減小地基梁的內(nèi)力，屬于彈性地基梁結(jié)構(gòu)型式；缺點(diǎn)是有部分的殘留沉降，施工技術(shù)要求較高，施工效率相對(duì)較低，局部維修頻率及對(duì)生產(chǎn)的影響取決于施工質(zhì)量及地基差異。

從考慮使用效果和維護(hù)維修等方面綜合考慮，重箱堆場(chǎng)結(jié)構(gòu)采用箱角梁（樁基礎(chǔ)）+級(jí)配碎石（空擋區(qū)）方案，具體布置為：每列重箱箱角布置兩條箱角基礎(chǔ)，每列箱角梁基礎(chǔ)間距6.458 m，箱角梁采用C40鋼筋混凝土，箱角梁標(biāo)準(zhǔn)斷面1.6 m×0.9 m（寬×高），PHC樁樁徑為800 mm，樁間距為3.5 m，平均樁長(zhǎng)為36 m。PHC樁基礎(chǔ)+箱角梁斷面見(jiàn)圖3。

圖3 PHC樁基礎(chǔ)+箱角梁斷面

箱角梁基礎(chǔ)之間填擋區(qū)采用級(jí)配碎石填筑，級(jí)配碎石容易壓實(shí)，且透水性較好，可以作為透水面層，級(jí)配碎石頂標(biāo)高低于箱角梁基礎(chǔ)頂面0.1～0.2 m，不僅能夠降低堆場(chǎng)標(biāo)高，減少場(chǎng)地回填量，而且能夠快速收集雨水，保證條基頂面在強(qiáng)降雨時(shí)仍然不會(huì)被水淹沒(méi)，初擬級(jí)配碎石厚度20 cm，級(jí)配碎石層以下填筑場(chǎng)內(nèi)山皮土。

3 ARMG軌道基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

ARMG大車(chē)輪壓大，往復(fù)行走作業(yè)頻率較高，要求軌道基礎(chǔ)有較高的抗疲勞強(qiáng)度。目前國(guó)內(nèi)ARMG軌道基礎(chǔ)多數(shù)采用樁基礎(chǔ)+鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)型式，其樁基礎(chǔ)主要有PHC摩擦樁和復(fù)合地基等多種形式。PHC摩擦樁方案為協(xié)調(diào)樁基與土共同受力，結(jié)構(gòu)合理，施工難度較小，施工效率高，施工質(zhì)量易控制，但造價(jià)較高。復(fù)合地基方案為采用高壓旋噴樁或水泥攪拌樁復(fù)合地基，加強(qiáng)上層軟弱土層，使其滿足地基承載力要求。該方案通過(guò)設(shè)置褥墊層保持樁土共同作用，減小地基梁的內(nèi)力，降低工程造價(jià)。缺點(diǎn)是有部分的殘留沉降，施工技術(shù)要求較高，施工效率相對(duì)較低，局部維修頻率及對(duì)生產(chǎn)的影響取決于施工質(zhì)量及地基差異。

從保證ARMG安全運(yùn)行、高效作業(yè)，以及施工較方便快捷等方面綜合考慮，ARMG軌道基礎(chǔ)采用PHC摩擦樁+軌道梁方案，協(xié)調(diào)樁基與土共同受力，結(jié)構(gòu)合理，施工的難度較低，有較高的施工效率，施工的質(zhì)量能得到有效控制。PHC樁徑800 mm，樁間距5 m，平均樁長(zhǎng)36 m，鋼筋混凝土軌道梁采用C40鋼筋混凝土，標(biāo)準(zhǔn)斷面1.6 m×1.6 m。樁基+軌道梁斷面見(jiàn)圖4。

圖4 樁基+軌道梁斷面

4 道路設(shè)計(jì)

自動(dòng)化集裝箱堆場(chǎng)的道路交通量較大，綜合選取道路區(qū)域鋪面等級(jí)為一級(jí)。設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)地基沉降量不大于30 cm，道路區(qū)域路床材料為分層填筑的山皮土，道路結(jié)構(gòu)層的底面地基土壓實(shí)度一般不應(yīng)小于96 %，回彈模量大于40 MPa。道路面層結(jié)構(gòu)需結(jié)合工程的作業(yè)區(qū)使用要求、本地氣象、地質(zhì)等建設(shè)條件及當(dāng)?shù)貙?shí)際使用情況進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。集裝箱港區(qū)道路通常采用的鋪面結(jié)構(gòu)主要有三種類型，即混凝土聯(lián)鎖塊鋪面、瀝青混凝土鋪面及現(xiàn)澆混凝土大板鋪面。

混凝土聯(lián)鎖塊結(jié)構(gòu)是一種半剛性的鋪面結(jié)構(gòu)，其依靠相鄰塊體間的聯(lián)鎖嵌固作用，相互傳遞剪力，使聯(lián)鎖塊鋪面形成半剛性板體，達(dá)到共同受力的效果。其主要優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)蝹€(gè)塊體的尺寸較小，可適應(yīng)整體或局部地基的不均勻沉降，因整體或局部沉降導(dǎo)致其表面不平整時(shí)易修補(bǔ)；聯(lián)鎖塊也可以室內(nèi)集約化加工生產(chǎn)，施工環(huán)境能有效控制；質(zhì)量易控制，抗滑、抗油性能好；能夠承受壓強(qiáng)較大的集中荷載；塊體鋪砌施工為裝配式結(jié)構(gòu)，基本不受氣候的影響，鋪砌完工后可立即投入使用；工程費(fèi)用低，應(yīng)用范圍廣。主要缺點(diǎn)：地基的不均勻沉降能造成連鎖塊鋪面平整度急劇降低，特別是高速行車(chē)時(shí)乘坐者體驗(yàn)性能較差。

瀝青混凝土路面是將一定級(jí)配的礦物材料與一定比例的路用瀝青材料進(jìn)行拌制壓實(shí)形成的柔性路面結(jié)構(gòu)，其主要優(yōu)點(diǎn)：行車(chē)舒適性好、噪音小；對(duì)路基、地基變形的適應(yīng)性強(qiáng)；修復(fù)速度快，碾壓后即可通車(chē)。主要缺點(diǎn)：使用年限相對(duì)較短；工程造價(jià)較高。

現(xiàn)澆混凝土大板面層結(jié)構(gòu)為剛性路面結(jié)構(gòu)，采用水泥混凝土現(xiàn)澆并養(yǎng)護(hù)形成的路面結(jié)構(gòu)，其主要優(yōu)點(diǎn)：其表面的平整度較高、整體剛度較大；能承受較大壓強(qiáng)的集中荷載，不易變形；其表面具有較強(qiáng)的耐磨損、耐裝卸機(jī)械刻痕能力；鋪面使用年限相對(duì)較長(zhǎng)。主要缺點(diǎn)：鋪面接縫較多且接縫處易破損；施工后養(yǎng)護(hù)時(shí)間長(zhǎng)；由于地基的不均勻沉降，鋪面產(chǎn)生破損情況較多，鋪面破損后不易修補(bǔ)，工程造價(jià)相對(duì)較高。

結(jié)合地質(zhì)條件、施工條件以及造價(jià)控制等因素，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮施工、使用、養(yǎng)護(hù)方便等原則。從天津港地區(qū)道路設(shè)計(jì)及使用經(jīng)驗(yàn)等情況綜合考慮，道路鋪面結(jié)構(gòu)采用瀝青混凝土。瀝青混凝土路面有PAC排水瀝青路面、AC改性瀝青路面、SMA改性瀝青路面等多種類型，而PAC排水瀝青路面又被稱為多孔瀝青路面，是指該路面被壓實(shí)后其空隙率約為20%，可在結(jié)構(gòu)材料內(nèi)組成有效排水出路的瀝青混凝土道路面層，其技術(shù)特點(diǎn)如下：

1）可有效減少道路表面的水膜厚度，提高雨天行車(chē)能見(jiàn)度和安全性；

2）可有效降低道路行車(chē)噪音污染，改善作業(yè)區(qū)聲環(huán)境質(zhì)量；

3）可有效提高道路的抗滑能力，減少雨天車(chē)輛打滑事故；

4）可有效吸收行車(chē)炫光，保障夜間行車(chē)的安全。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了天津港智能化集裝箱堆場(chǎng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)營(yíng)需求進(jìn)行分區(qū)域、精細(xì)化設(shè)計(jì)的情況。項(xiàng)目建成后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了跟蹤，項(xiàng)目建成以來(lái)，堆場(chǎng)、道路使用情況良好，未見(jiàn)有破損和沉降情況，ARMG、ART及外集卡行駛平穩(wěn)，到達(dá)了自動(dòng)化設(shè)備所需的要求，在保證運(yùn)營(yíng)效果的同時(shí)節(jié)省了工程投資。希望本文精細(xì)化設(shè)計(jì)理念及相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可為同類工程設(shè)計(jì)提供一定的借鑒。