自動化集裝箱碼頭港區(qū)道路鋪面結構設計

陳 欽，岑學徐

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510290)

隨著智能駕駛技術的發(fā)展，越來越多的新建或改建的集裝箱碼頭也開始嘗試從傳統(tǒng)的人工作業(yè)轉入自動化作業(yè)，從而促使港區(qū)內(nèi)作業(yè)車輛從集裝箱拖掛車升級為智能引導車(intelligent guided vehicle，IGV)。根據(jù)IGV的特點，對港區(qū)道路鋪面的結構設計也提出新的要求。本文結合欽州港自動化集裝箱碼頭工程，針對IGV的特點和使用要求，對IGV行駛的港區(qū)道路進行鋪面結構設計探討。

1 自動化碼頭港區(qū)道路的特點

1.1 采用IGV進行水平運輸

自動化集裝箱碼頭港區(qū)道路與傳統(tǒng)集裝箱碼頭相比主要的特點有：1)采用IGV替代集裝箱拖掛車進行集裝箱從碼頭作業(yè)區(qū)到堆場區(qū)之間的水平運輸；2)IGV行駛通道交通渠化嚴重，車輛對路面的作用次數(shù)頻繁，對鋪面結構的適用性及耐久性提出更高的要求；3)IGV不同的定位方式對路面結構的選型和構造措施提出不同的要求。

欽州港自動化集裝箱碼頭工程采用IGV替代集裝箱拖掛車進行集裝箱從碼頭作業(yè)區(qū)到堆場區(qū)之間的水平運輸[1]。每輛IGV有4個軸，軸距從前至后分別為1.65、6.00、1.65 m，每個軸有2個輪，輪距為2.56 m，見圖1。無交互作業(yè)時IGV最大輪壓為125 kN，與岸橋主小車交互作業(yè)時IGV最大輪壓為145 kN，與海側交互區(qū)軌道吊小車交互作業(yè)時IGV最大輪壓為135 kN。傳統(tǒng)的集裝箱拖掛車最大輪壓為70 kN，最大軸壓為280 kN。因此，IGV與傳統(tǒng)的集裝箱拖掛車荷載相比，最大軸壓差別不大。

圖1 IGV車輛(單位：m)

1.2 IGV行駛的道路交通渠化嚴重

自動化集裝箱碼頭作業(yè)效率遠高于常規(guī)集裝箱碼頭，且IGV行駛路線相對固定，交通渠化嚴重，故在道路鋪面設計年限內(nèi)IGV的累計作用次數(shù)遠高于常規(guī)集裝箱拖掛車，IGV作業(yè)區(qū)鋪面結構設計時面層厚度往往比普通集裝箱拖掛車的更厚。

1.3 IGV定位方式的特點及要求

自動化集裝箱碼頭IGV定位方式可分為磁釘定位和北斗衛(wèi)星定位。

IGV采用磁釘定位時，需要在鋪面結構內(nèi)預埋磁釘，磁釘在橫、縱方向均為每2 m布置1個，局部位置條件受限時可以微調。為了避免金屬干擾磁釘?shù)男盘?，在磁釘?shù)闹車街睆?00 mm、深度100 mm范圍內(nèi)不能有金屬，見圖2。

圖2 磁釘埋設要求(單位：mm)

IGV采用北斗衛(wèi)星定位時，需要在鋪面結構表面設置交通標線進行視覺識別輔助定位，須保證自動化水平運輸設備的行駛平順性和交通標線的整齊連續(xù)。

2 自動化集裝箱碼頭的港區(qū)道路鋪面結構設計要點

2.1 港區(qū)道路鋪面結構選擇

自動化集裝箱碼頭采用IGV進行集裝箱的自動化水平運輸，對港區(qū)道路鋪面結構的選型也有新的要求。IGV輪壓較大、行駛路線較固定、交通渠化嚴重，對鋪面的平整度、耐久性、強度要求較高，IGV作用下的港區(qū)道路鋪面結構類型可選用現(xiàn)澆混凝土鋪面或者瀝青混凝土鋪面。這兩種鋪面各有優(yōu)缺點，其中混凝土鋪面具有平整度好、強度高、耐久性好等特點，但對地基要求高，地基不均勻沉降時容易導致開裂；瀝青混凝土鋪面具有行車舒適、平整度好、適用變形能力強等特點，但使用年限相對短，IGV荷載大且路線較固定，長期作用下瀝青鋪面易產(chǎn)生車轍。自動化集裝箱碼頭運行效率高且全天運行，選擇鋪面結構時應考慮使用年限高、耐久性強的鋪面。若鋪面使用年限短，需要長期維護的鋪面會影響IGV運行，進而降低自動化集裝箱碼頭的效率，造成不利影響。因此，建議選擇強度高、耐久性好、平整度高的混凝土鋪面結構。必要時，可在混凝土面層中摻加聚丙烯纖維，提高局部抗壓承載能力和減少混凝土面層裂縫。

2.2 路面結構設計

當IGV采用磁釘定位時，布置有定位磁釘區(qū)域的鋪面及構筑物結構設計應充分考慮鋼筋、護邊角鋼等金屬物對設備定位準確性的影響[2]。當采用現(xiàn)澆混凝土面層時，由于現(xiàn)澆混凝土在分縫處設有傳力桿和拉桿、在道路邊緣處設有邊緣鋼筋和港區(qū)道路溝井的四周混凝土面層板設有加強鋼筋，為了避免對磁釘?shù)亩ㄎ挥绊?，在磁釘周圍水平直?00 mm、深度100 mm范圍內(nèi)不能有金屬，此處的設計是個難點。

針對這種情況，目前考慮2種方法：1)把傳統(tǒng)鋼筋換成FRP筋(玻璃纖維增強復合筋)[3]。FRP筋可與混凝土一起承受荷載，與普通鋼筋相比，其抗拉強度標準值更高，但考慮環(huán)境影響系數(shù)和材料分項系數(shù)后，F(xiàn)RP筋的抗拉強度設計值會下降較大。其優(yōu)點為屬于非金屬材料，不影響磁釘，具有較好的抗腐蝕性。其缺點是價格貴，大概是普通鋼筋的2.5倍，而且不能焊接和現(xiàn)場加工處理，性能受溫度影響大，耐久性有待研究。2)結合磁釘在道路的布置特點，在混凝土的分縫和溝井的設置上進行避讓設計。此設計的優(yōu)點是無需采用昂貴的鋼筋替代品，節(jié)省工程費用，鋼筋的性能也比FRP筋穩(wěn)定，耐用性更好。但此方法對混凝土的分縫和溝井的設置提出比較高的要求，需要在設計上進行多專業(yè)的溝通協(xié)調和在滿足規(guī)范要求上進行合理避讓設計。欽州自動化碼頭工程采用第2種方式進行設計，經(jīng)過混凝土面層的合理分縫和溝井的避讓設計，成功地完成磁釘在混凝土路面內(nèi)的設置。

當采用北斗衛(wèi)星定位時，需要在鋪面結構表面設置交通標線進行視覺識別輔助定位，為保證IGV的行駛平順性以及交通標線的整齊連續(xù)，鋪面結構可選用現(xiàn)澆混凝土鋪面或瀝青混凝土鋪面。當采用現(xiàn)澆混凝土鋪面時，現(xiàn)澆混凝土鋪面分縫設計應提前考慮道路上標線的布置，混凝土路面板分縫應避開標線，以免分縫從標線內(nèi)穿過，影響視覺識別輔助定位的準確性。為減少鋪面顏色和標線顏色產(chǎn)生干涉，影響自動化水平運輸設備的視覺識別系統(tǒng)的準確性，當采用現(xiàn)澆混凝土鋪面時建議采用黃色標線，當采用瀝青混凝土鋪面時建議采用白色標線。

2.3 道路平整度

IGV對道路的平整度要求高，道路若不平整，IGV上下振動容易造成設備損害、定位不準確、行駛路線偏移等不利影響，因此應盡量避免。軌道槽容易引起IGV跳車、振動，影響IGV的使用壽命及定位系統(tǒng)，首先從平面布局上避免軌道梁等結構橫穿道路；其次提高港區(qū)道路差異沉降控制標準[4]，避免差異沉降引起的道路不平整；最后在鋪面結構的設計上可選用平整度高的現(xiàn)澆混凝土或者瀝青混凝土鋪面結構。

3 IGV荷載作用下的港區(qū)道路鋪面結構的計算分析

3.1 荷載定義

以欽州港自動化集裝箱碼頭工程為例進行計算分析，其港區(qū)道路主要行駛IGV，IGV在不同作業(yè)工況下輪壓有所變化，本文的荷載模型以145 kN的輪壓為例，采用軟件計算荷載當量單輪荷載，IGV輪壓荷載布置見圖3。

圖3 IGV輪壓荷載

3.2 荷載作用次數(shù)

流動機械年運行次數(shù)應通過調查分析確定。當無資料時，根據(jù)港口裝卸工藝流程，流動機械類型和行走路線等情況，按《港口道路與堆場設計規(guī)范》的公式確定第i種流動機械荷載年運行次數(shù)Ni，公式為：

Ni=ZiWiψΔ/(ωint)

(1)

式中：Zi為第i種流動機械的裝運量擴大系數(shù)；Wi為第i種流動機械的每年所分擔的貨運數(shù)量；ψ為不平衡系數(shù)；Δ為輪跡重疊系數(shù)；ωi為第i種運輸車輛的裝卸量；nt為可以分流的道路(通道)條數(shù)。

IGV在自動化碼頭中運行路線較為固定，車輛類型較單一，也可通過車輛運行路線仿真確定流動機械荷載年運行次數(shù)。

3.3 結構組合及材料參數(shù)

欽州港自動化集裝箱碼頭港區(qū)道路鋪面結構采用混凝土鋪面，結構自上而下分別為水泥混凝土面層、水泥穩(wěn)定碎石基層、級配碎石底基層。水泥混凝土面層標準板邊長為4 m。水泥混凝土28 d齡期的彎拉強度設計標準值fr，c為5.0 MPa。鋪面結構材料參數(shù)見表1。

表1 鋪面結構材料參數(shù)

3.4 驗算指標

水泥混凝土鋪面須驗算其結構抗斷裂性能是否滿足需要?？刂泼鎸影迤跀嗔训臉O限狀態(tài)方程為：

γpσc≤knkTkyfr，c

(2)

式中：γp為鋪面結構設計的結構等級系數(shù)；σc為設計標準單輪荷載產(chǎn)生的面層板最大彎拉應力；kn為流動機械重復作用的水泥混凝土彎拉強度的疲勞折減系數(shù)；kT為考慮溫度應力的折減系數(shù)；ky為水泥混凝土彎拉強度的齡期增長系數(shù)；fr.c為28 d齡期的水泥混凝土彎拉強度設計值。

3.5 計算結果

確定港區(qū)道路鋪面結構參數(shù)條件后，采用港口鋪面結構計算軟件分析，確定鋪面結構厚度。

經(jīng)計算分析，欽州自動化集裝箱碼頭工程港區(qū)主干道采用360 mm厚現(xiàn)澆水泥混凝土面層、200 mm厚水泥穩(wěn)定碎石基層、200 mm厚級配碎石底基層；軌后IGV裝卸作業(yè)通道采用400 mm厚現(xiàn)澆混凝土面層、250 mm厚水泥穩(wěn)定碎石基層、200 mm厚級配碎石底基層。

4 結論

1)自動化集裝箱碼頭的港區(qū)道路與普通的集裝箱碼頭的港區(qū)道路相比，對港區(qū)道路鋪面的平整度、強度、耐久性要求更高，且有IGV定位要求。鋪面類型建議選用強度大、耐久性好、平整度高的混凝土鋪面結構。

2)對于IGV采用磁釘定位時磁釘周邊不可以有金屬的特殊要求，可根據(jù)磁釘在道路上的布置特點，在混凝土的分縫和溝井的設置上進行避讓設計。對于IGV采用北斗衛(wèi)星定位時，在鋪面結構表面設置交通標線進行視覺識別輔助定位，混凝土路面板分縫時應避開標線，避免分縫從標線內(nèi)穿過，并且在現(xiàn)澆混凝土鋪面上建議采用黃色標線，在瀝青混凝土鋪面上建議采用白色標線。

3)對于IGV行駛的道路，盡量避免導致路面不平整的因素，如從布局上減少各種溝槽橫穿道路；地基處理到位，避免不均勻沉降；選用平整度高的鋪面結構。

4)對于IGV荷載作業(yè)下的港區(qū)道路的鋪面結構厚度設計，可采用《港口道路與堆場設計規(guī)范》相關公式進行計算確定。