復(fù)雜軟基條件下自動(dòng)化堆場(chǎng)沉降控制的思路和方法

王躍全

（上海市交通建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督站，上海市 200120）

0 引言

上海國(guó)際航運(yùn)中心洋山深水港區(qū)四期工程岸線全長(zhǎng)2 350 m，建設(shè)7個(gè)5～7萬(wàn)t泊位（水工結(jié)構(gòu)按靠泊15萬(wàn)t級(jí)集裝箱船設(shè)計(jì)），后方陸域總面積223.16萬(wàn)m2，設(shè)計(jì)年通過(guò)能力630萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)箱。工程定位于全自動(dòng)化集裝箱碼頭，堆場(chǎng)按垂直于碼頭前沿線布置，共61列箱區(qū)，全自動(dòng)化工藝解決方案采用“雙小車岸橋+AGV+ARMG”，堆場(chǎng)內(nèi)使用31 m跨距的自動(dòng)化軌道式龍門起重機(jī)ARMG自動(dòng)裝卸作業(yè)，自動(dòng)導(dǎo)引車AGV在碼頭堆場(chǎng)之間實(shí)現(xiàn)岸橋與ARMG間的自動(dòng)化作業(yè)交接，港外集卡則在堆場(chǎng)外側(cè)與ARMG進(jìn)行集裝箱交接。

洋山四期工程建設(shè)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(qū)北邊界，南側(cè)邊界為四期工程碼頭接岸結(jié)構(gòu)的擋土墻。港區(qū)陸域包括了3種完全不同的地質(zhì)類型（見(jiàn)圖1），近90%為吹填形成，其中A區(qū)為開(kāi)山爆破區(qū)；B區(qū)、C區(qū)均是開(kāi)山炸石回填的硬質(zhì)地基和吹砂形成的軟土地基，主要作為集裝箱堆場(chǎng)使用；下臥層分布著海相沉積的深厚軟土，強(qiáng)度低、變形大，給工程的設(shè)計(jì)與施工帶來(lái)許多困難。

圖1 洋山四期港區(qū)陸域分區(qū)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(zhì)條件復(fù)雜。下臥軟土層深厚，一般厚20～40 m，局部最厚處達(dá)62 m，軟土層底板標(biāo)高深－50～－60 m左右，多個(gè)分層均屬高含水量、高壓縮性靈敏軟土，物理力學(xué)性質(zhì)較差，是引起變形的主要不良土層。上覆吹填土為長(zhǎng)江口砂，回填標(biāo)高為+7.0 m左右，回填層平均厚度約17 m，最大回填厚度達(dá)30 m?；靥顚映跗诔休d力僅為80～120 kPa，當(dāng)受到循環(huán)剪應(yīng)力的作用時(shí)，易產(chǎn)生液化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致地基破壞。

在軟弱地基基礎(chǔ)上建設(shè)全自動(dòng)化碼頭，并做到工期可控、經(jīng)濟(jì)合理，滿足集裝箱堆場(chǎng)運(yùn)行的嚴(yán)苛要求，地基基礎(chǔ)沉降是首先需要面對(duì)和處理的難題。按照自動(dòng)化堆場(chǎng)裝卸工藝，設(shè)計(jì)要求地基承載力[R]≥150 kPa。經(jīng)計(jì)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(chǎng)將產(chǎn)生0.87～5.04 m的沉降量，全區(qū)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(jié)合堆載預(yù)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(qiáng)夯、振沖的加固方案，以此實(shí)現(xiàn)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(shí)度的目標(biāo)。

1.2 控制思路

經(jīng)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(qū)域內(nèi)吹填區(qū)與開(kāi)山區(qū)交錯(cuò)，吹填層厚薄不一，有部分吹填層由于超深未實(shí)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(biāo)，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(shí)間效應(yīng)較長(zhǎng)，沉降控制方案應(yīng)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(diào)試使用期兩個(gè)階段實(shí)施沉降觀測(cè)，定期調(diào)整堆場(chǎng)軌道吊軌道位置和標(biāo)高，保證運(yùn)行要求。

2 地基加固效果

為檢驗(yàn)加固效果，選擇B區(qū)設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，埋設(shè)磁環(huán)進(jìn)行分層沉降觀測(cè)。分層沉降標(biāo)采用鉆孔埋設(shè)，鉆孔垂直偏差率不大于1.5%，分層沉降測(cè)點(diǎn)間距為4 m，底層2 m。埋設(shè)后磁環(huán)實(shí)測(cè)原始標(biāo)高見(jiàn)表1。陸域分層沉降點(diǎn)沉降曲線見(jiàn)圖2。

表1 沉降觀測(cè)磁環(huán)原始標(biāo)高 m

圖2 陸域分層沉降點(diǎn)沉降曲線圖

沉降觀測(cè)自陸域形成完成后實(shí)施，自2012年7月5日設(shè)點(diǎn)開(kāi)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(wěn)定,曲線呈收斂狀態(tài)，后期所有測(cè)點(diǎn)連續(xù)5個(gè)月沉降均小于20 mm，沉降絕對(duì)值及梯度滿足要求。數(shù)據(jù)表明洋山四期工程的地基加固方法取得了預(yù)期效果，主要沉降已完成，場(chǎng)地具備施工條件。

3 軌道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)選型

自動(dòng)化集裝箱堆場(chǎng)主要由堆場(chǎng)與ARMG軌道（含基礎(chǔ)）組成。堆場(chǎng)采用“箱條基+三渣層”基礎(chǔ)，此結(jié)構(gòu)為上海地區(qū)港口堆場(chǎng)的常用結(jié)構(gòu)，在外高橋港區(qū)、洋山一期～三期等工程中應(yīng)用廣泛，已具有成熟的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)。自動(dòng)化堆場(chǎng)內(nèi)實(shí)施堆箱作業(yè)的ARMG，根據(jù)裝卸作業(yè)效率需求，最快運(yùn)行速度達(dá)240 m/min，對(duì)軌道的安裝精度和平整度、順直度要求很高[1]?？紤]堆場(chǎng)仍存在殘余沉降和不均勻沉降的實(shí)際情況，軌道基礎(chǔ)的選型必須適應(yīng)沉降影響，這是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化堆場(chǎng)功能和控制運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用的關(guān)鍵所在。

3.1 軌道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要形式

目前國(guó)內(nèi)能較好解決不均勻沉降問(wèn)題的ARMG基礎(chǔ)形式主要有以下3種：

（1）樁基軌道梁基礎(chǔ)（剛性基礎(chǔ)），通過(guò)設(shè)置樁基達(dá)到消除沉降和不均勻沉降的目的。

（2）軌枕道碴基礎(chǔ)（柔性基礎(chǔ)），通過(guò)調(diào)整道碴厚度解決使用期產(chǎn)生的整體沉降和不均勻沉降問(wèn)題。

（3）可調(diào)節(jié)彈性地基梁基礎(chǔ)，通過(guò)調(diào)節(jié)基礎(chǔ)與鋼軌間的上、下層鋼板達(dá)到協(xié)調(diào)不均勻沉降的目的。

3.2 軌道基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)提出軌道基礎(chǔ)0.5%沉降梯度的控制標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)測(cè)算陸域大部分區(qū)域經(jīng)加固后，殘余沉降基本不影響ARMG正常運(yùn)行，故上述3種方案均具可行性。

樁基軌道梁方案在運(yùn)營(yíng)期的使用效果比較理想，但投資高、工期長(zhǎng)，開(kāi)山區(qū)、塊石回填區(qū)和吹填區(qū)圍堤部位施工難度大，并且與軌道周邊箱區(qū)沉降差大等，存在諸多不利因素，不是最適合洋山自動(dòng)化堆場(chǎng)的最佳方案。兩種可調(diào)整的軌道基礎(chǔ)型式，經(jīng)過(guò)初期調(diào)整均可滿足運(yùn)營(yíng)期的正常使用要求，在投資、工期等方面更有優(yōu)勢(shì)。軌枕道渣方案和可調(diào)式軌道梁方案在調(diào)整不均勻沉降能力方面各有千秋，前者對(duì)于調(diào)整較大的不均勻沉降作用明顯，而后者則適用于需進(jìn)行微調(diào)、精度較高的場(chǎng)合。

綜合考慮陸域地基實(shí)際和自動(dòng)化軌道控制指標(biāo)要求，結(jié)合兩種可調(diào)方案的優(yōu)點(diǎn)，組合形成“帶槽（U型槽）軌枕道砟+可調(diào)基座”方案[2]（見(jiàn)圖3），軌枕道砟基礎(chǔ)上部為32 cm厚預(yù)制軌枕，通過(guò)壓件與鋼軌連接，下設(shè)650 mm厚的道碴基層。該方案能很好適應(yīng)洋山四期的地基特點(diǎn)，同時(shí)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好，相對(duì)樁基方案投資節(jié)約明顯。

圖3 雙重可調(diào)式軌道基礎(chǔ)示意圖

4 沉降控制效果

4.1 施工期

施工期沉降觀測(cè)每條軌道布設(shè)3處，分別位于南北兩側(cè)車檔預(yù)埋鋼板和中間錨定預(yù)埋鋼板上，平均每個(gè)月測(cè)量1次，表2為施工期典型箱區(qū)測(cè)點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)。軌道槽（包含聯(lián)合基礎(chǔ)）實(shí)行二次施工，第2次澆筑前，通過(guò)沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)留沉降量，適當(dāng)調(diào)整并確定各箱區(qū)軌道預(yù)埋板的施工安裝標(biāo)高，由此最終形成各箱區(qū)軌道安裝及精調(diào)標(biāo)高[3]。

表2 施工期典型箱區(qū)測(cè)點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)，施工期情況分析如下：

（1）自動(dòng)化箱區(qū)大部分區(qū)域的施工期沉降量基本在50 mm以內(nèi)，且不均勻沉降坡比控制在0.1%～0.4%范圍內(nèi)，總體沉降情況與預(yù)計(jì)基本一致。最后箱區(qū)平均沉降量控制在5 mm/月以內(nèi)，施工期沉降趨于穩(wěn)定。

（2）軌道基礎(chǔ)施工期間發(fā)生的沉降量通過(guò)軌道槽（聯(lián)合基礎(chǔ)）二次施工等手段已基本消除，僅少數(shù)拋石區(qū)無(wú)法進(jìn)行插打塑排進(jìn)行深層加固的區(qū)域沉降尚未穩(wěn)定。軌道基礎(chǔ)最后完工標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高基本相符，保證了軌道安裝精度。

4.2 調(diào)試使用期

按計(jì)劃自動(dòng)化碼頭調(diào)試期1年左右，軌道吊將分別進(jìn)行空載、重載調(diào)試運(yùn)行，在部分箱區(qū)進(jìn)行了集裝箱堆存作業(yè)。為全面客觀掌握工后沉降情況，并監(jiān)控工程營(yíng)運(yùn)期道路堆場(chǎng)和軌道等設(shè)施設(shè)備安全，保證自動(dòng)化碼頭的可靠運(yùn)行和后續(xù)調(diào)整工作實(shí)施，需要繼續(xù)開(kāi)展使用期沉降位移觀測(cè)工作，同時(shí)可以掌握軌道槽與鋼軌的沉降差值，并由此驗(yàn)證道砟密實(shí)情況。

調(diào)試箱區(qū)每條鋼軌頂部每間隔20 m左右布設(shè)1處，同時(shí)在鋼軌對(duì)應(yīng)的軌道槽墻身頂部也布設(shè)1處，掌握調(diào)試期間沉降變化情況。所有軌道沉降觀測(cè)點(diǎn)全部進(jìn)行初測(cè)，并記錄現(xiàn)有標(biāo)高情況。后續(xù)穩(wěn)定以后，每根軌道南北兩側(cè)車檔和中間錨定基礎(chǔ)位置設(shè)永久觀測(cè)點(diǎn)銅釘。觀測(cè)結(jié)合維護(hù)工作實(shí)施，沉降尚未穩(wěn)定、差異沉降比較明顯需重點(diǎn)關(guān)注的箱區(qū)初期安排1個(gè)月測(cè)量一次，對(duì)于沉降相對(duì)穩(wěn)定的箱區(qū)可適當(dāng)延長(zhǎng)觀測(cè)間隔時(shí)間，最長(zhǎng)不超過(guò)2個(gè)月。后續(xù)觀測(cè)頻率及具體結(jié)束觀測(cè)沉降時(shí)間根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析后確定。表3、表4分別為調(diào)試使用期中43#箱區(qū)及其余箱區(qū)測(cè)點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)。

表3 43#箱區(qū)設(shè)備調(diào)試期（2016-08～2016-12）沉降數(shù)據(jù)表

從觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：

（1）40#～44#箱區(qū)為首批ARMG進(jìn)場(chǎng)調(diào)試的箱區(qū)，軌道與軌道槽的沉降趨勢(shì)一致，每條軌道連續(xù)5個(gè)月累計(jì)沉降量均在30 mm以內(nèi)。

（2）前期月均沉降量大于5 mm，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后月均沉降量逐漸減小，最后各箱區(qū)平均沉降量控制在5 mm/月以內(nèi)，沉降趨于穩(wěn)定。同箱區(qū)東、西軌同截面高差基本在10 mm以內(nèi)，調(diào)試期間運(yùn)行情況基本正常，未出現(xiàn)跳車、啃軌等影響行車的現(xiàn)象。

表4 調(diào)試使用期典型箱區(qū)測(cè)點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

（3）調(diào)試使用期沉降主要是以場(chǎng)地沉降為主，道砟引起的沉降量很小，驗(yàn)證了道砟回填與碾壓的施工質(zhì)量。施工的陸域標(biāo)高設(shè)計(jì)時(shí)已考慮了一部分沉降量，調(diào)試使用期的場(chǎng)地標(biāo)高可以滿足自動(dòng)化堆場(chǎng)使用要求。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）綜合施工和調(diào)試使用兩個(gè)階段的沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)，說(shuō)明在復(fù)雜軟弱地基條件下建設(shè)全自動(dòng)化堆場(chǎng)時(shí)，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(jié)果基本與預(yù)計(jì)值接近。

（2）地基的前期加固處理、施工期沉降和調(diào)試使用期，堆場(chǎng)沉降量前期大后期小，逐漸趨于穩(wěn)定。整個(gè)堆場(chǎng)以箱區(qū)為單元來(lái)控制，箱區(qū)的沉降變形可控，能滿足設(shè)備的運(yùn)行要求。

（3）針對(duì)洋山四期工程客觀情況所提出的新型非樁基軌道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式——“帶槽（U型槽）軌枕道砟+可調(diào)基座”，將常規(guī)的軌枕結(jié)構(gòu)優(yōu)化為帶可調(diào)支座的新型軌枕結(jié)構(gòu)，具有良好的適應(yīng)地基沉降變形能力，也便于后期軌道調(diào)整，道砟與基座雙可調(diào)機(jī)制能適應(yīng)殘余沉降量較大的地基。

（4）由于測(cè)點(diǎn)數(shù)量較多，目前的人工方式工效低且會(huì)影響港區(qū)運(yùn)營(yíng)，需要盡快研究自動(dòng)化測(cè)量方案，提高沉降變形觀測(cè)的效率與精度，發(fā)生超限能及時(shí)報(bào)警處置，保障自動(dòng)化堆場(chǎng)作業(yè)正常運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司.上海國(guó)際航運(yùn)中心洋山深水港區(qū)四期工程堆場(chǎng)軌道基礎(chǔ)專題研究報(bào)告[R].上海：中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，2014.

[2]韓時(shí)捷，王施恩，周亞平.雙重可調(diào)式軌道基礎(chǔ)研究與設(shè)計(jì)[J].水運(yùn)工程，2016（9）：126-129.

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