離岸深水自動(dòng)化集裝箱碼頭堆場(chǎng)工藝設(shè)計(jì)探討

張文東

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071）

引 言

自21世紀(jì)以來(lái)，隨著船舶大型化和勞動(dòng)力成本的不斷增加，自動(dòng)化集裝箱碼頭的建設(shè)蓬勃發(fā)展。國(guó)內(nèi)外涌現(xiàn)了一批自動(dòng)化集裝箱碼頭，例如Euromax碼頭，RWG碼頭，BEST碼頭，青島前灣碼頭，洋山四期碼頭等。

自動(dòng)化集裝箱碼頭的裝卸工藝設(shè)計(jì)特別是自動(dòng)化堆場(chǎng)工藝設(shè)計(jì)，是自動(dòng)化集裝箱碼頭的核心所在，對(duì)平面布置、裝卸效率、建設(shè)投資、運(yùn)營(yíng)成本、交通組織等起著決定性的作用。目前這些典型自動(dòng)化集裝箱碼頭基本上都是與陸上交通連接的自動(dòng)化集裝箱碼頭。對(duì)于這類碼頭，在工藝設(shè)計(jì)上有了一定的經(jīng)驗(yàn)，形成了一套比較成熟的國(guó)內(nèi)外專家認(rèn)可的設(shè)計(jì)方案。而對(duì)于離岸深水自動(dòng)化集裝箱碼頭，還沒(méi)有工程實(shí)例作為參考。本文基于意大利某離岸深水自動(dòng)化集裝箱碼頭工程，結(jié)合項(xiàng)目的具體要求和已有自動(dòng)化集裝箱碼頭的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)自動(dòng)化堆場(chǎng)的布置型式及堆場(chǎng)設(shè)備選型進(jìn)行探討，為類似工程設(shè)計(jì)提供參考、借鑒。

1 工程概況

意大利某離岸深水自動(dòng)化集裝箱碼頭工程碼頭一側(cè)為2個(gè)干線泊位靠泊8 000～18 000 TEU集裝箱船；碼頭另一側(cè)為12個(gè)穿梭船泊位靠泊384 TEU定制駁船；中間為堆存普通重箱、空箱的自動(dòng)化堆場(chǎng)。該項(xiàng)目的吞吐量為134.8萬(wàn)TEU/年（干線泊位），其碼頭和自動(dòng)化堆場(chǎng)的平面尺度控制在1 000 m×200 m的范圍內(nèi)。其與裝卸工藝相關(guān)的輸入條件見(jiàn)表1。

表1 裝卸工藝相關(guān)輸入條件

2 意大利離岸深水自動(dòng)化集裝箱碼頭特點(diǎn)

根據(jù)工程的設(shè)計(jì)要求，本工程與現(xiàn)有典型自動(dòng)化集裝箱碼頭相比，具有如下的特點(diǎn)：

1）全部為水-水中轉(zhuǎn)，沒(méi)有水-陸中轉(zhuǎn)，沒(méi)有外來(lái)車輛的裝卸要求；

2）大船?？吭诖a頭一側(cè)，而小船?？吭诖a頭另一側(cè)，與現(xiàn)有典型自動(dòng)化集裝箱碼頭泊位位于同側(cè)有較大差別。

3）堆場(chǎng)周轉(zhuǎn)快，運(yùn)輸繁忙。

4）大船側(cè)及小船側(cè)裝卸船設(shè)備多，要求堆場(chǎng)設(shè)備效率高，數(shù)量多。

5）碼頭要求考慮一定的直取功能，且直取的比例較高。

6）整個(gè)碼頭在深水區(qū)形成陸域，為節(jié)省投資，堆場(chǎng)面積要求盡量小而緊湊；

7）自動(dòng)化堆場(chǎng)區(qū)2側(cè)運(yùn)輸設(shè)備均為AGV小車。

因此，此類碼頭與現(xiàn)有典型自動(dòng)化堆場(chǎng)比較，布置型式及設(shè)備選取還應(yīng)滿足如下要求：

1）堆場(chǎng)的利用率高；

2）堆場(chǎng)的面積?。?/p>

3）裝卸設(shè)備裝卸效率要求高；

4）有限的面積內(nèi)堆場(chǎng)設(shè)備數(shù)量多。

3 堆場(chǎng)布置型式分析及探討

目前典型的自動(dòng)化集裝箱碼頭作業(yè)區(qū)一般由集裝箱岸橋裝卸區(qū)+AGVS小車緩沖區(qū)+堆場(chǎng)AGVS車道區(qū)+交箱區(qū)+堆箱區(qū)+拖掛車裝卸區(qū)+拖掛車車道區(qū)等區(qū)域組成。目前典型自動(dòng)化集裝箱堆場(chǎng)有垂直于碼頭岸線布置和平行于碼頭岸線布置兩種型式。

3.1 堆場(chǎng)垂直于碼頭岸線布置

圖1 典型自動(dòng)化碼頭（堆場(chǎng)垂直于碼頭岸線布置）

堆場(chǎng)垂直于碼頭岸線布置的自動(dòng)化集裝箱碼頭的箱區(qū)垂直碼頭岸線。根據(jù)交箱位置的不同，又分為箱區(qū)的端部交箱和箱區(qū)兩側(cè)交箱兩種布置型式。

箱區(qū)的端部交箱的布置型式，交箱區(qū)沿碼頭縱深布置，料條兩端交箱區(qū)的長(zhǎng)度約為40 m。目前典型自動(dòng)化碼頭多采用此種型式。

箱區(qū)的兩側(cè)交箱的布置型式，交箱區(qū)與堆場(chǎng)區(qū)并列布置，其整個(gè)作業(yè)區(qū)縱深較端部交箱的布置型式小，有利于提高堆場(chǎng)設(shè)備的作業(yè)效率和減少碼頭的所需的縱深，但增加了水平運(yùn)輸設(shè)備的運(yùn)輸距離，從而降低水平運(yùn)輸設(shè)備的效率。目前典型自動(dòng)化碼頭的水水中轉(zhuǎn)堆場(chǎng)有采用此種型式。

3.2 堆場(chǎng)平行于碼頭岸線布置

圖2 典型自動(dòng)化碼頭（堆場(chǎng)平行于碼頭岸線布置）

堆場(chǎng)平行于碼頭岸線布置的自動(dòng)化集裝箱碼頭料條平行于碼頭岸線。根據(jù)交箱位置的不同，同樣分為堆場(chǎng)端部交箱和堆場(chǎng)兩側(cè)交箱兩種布置型式。

堆場(chǎng)端部交箱的布置型式，交箱區(qū)沿碼頭岸線方向布置，每個(gè)端部交箱區(qū)的長(zhǎng)度約為40 m。

堆場(chǎng)的兩側(cè)交箱的布置型式，交箱區(qū)與堆場(chǎng)區(qū)并列布置，有利于提高堆場(chǎng)設(shè)備的裝卸效率，但增加了水平運(yùn)輸設(shè)備的運(yùn)輸距離，從而降低水平運(yùn)輸設(shè)備的效率。

3.3 堆場(chǎng)布置型式分析

箱區(qū)端部交箱的自動(dòng)化集裝箱碼頭的堆場(chǎng)設(shè)備既負(fù)責(zé)裝卸作業(yè)，也負(fù)責(zé)集裝箱在箱區(qū)的運(yùn)輸，箱區(qū)長(zhǎng)度一般根據(jù)堆場(chǎng)設(shè)備的效率來(lái)確定料條的長(zhǎng)度來(lái)確定。

箱區(qū)兩側(cè)交箱的自動(dòng)化集裝箱碼頭的堆場(chǎng)設(shè)備只負(fù)責(zé)裝卸作業(yè)，箱區(qū)長(zhǎng)度一般根據(jù)水平運(yùn)輸車輛的要求來(lái)確定。

本工程離岸深水碼頭建設(shè)在20 m深水區(qū)，陸域形成的費(fèi)用極高，而中轉(zhuǎn)碼頭的長(zhǎng)度取決于泊位的長(zhǎng)度和泊位的數(shù)量，因此長(zhǎng)度方向是基本一定的，而寬度取決于堆場(chǎng)的布置型式、裝卸工藝要求，因此堆場(chǎng)的布置型式應(yīng)選擇所需縱深較小的堆場(chǎng)布置型式。且本工程的功能要求主要為大船轉(zhuǎn)小船和小船轉(zhuǎn)大船，堆場(chǎng)堆存能力的要求并不高，堆場(chǎng)僅僅起緩沖作業(yè)，因此較一般的集裝箱碼頭來(lái)講，堆場(chǎng)的堆存天數(shù)較少，對(duì)堆場(chǎng)的堆存容量要求較低。

對(duì)于堆場(chǎng)垂直于碼頭岸線布置的自動(dòng)化集裝箱碼頭，堆場(chǎng)堆箱區(qū)縱深一般在200～300 m較為合適，且一般配備2臺(tái)堆場(chǎng)設(shè)備剛好與堆場(chǎng)裝卸要求相匹配。而本工程如采用垂直于碼頭岸線布置縱深僅有50～70 m，所以當(dāng)采用垂直于碼頭前沿線的布置型式時(shí)，無(wú)論采用箱區(qū)端部交箱還是箱區(qū)兩側(cè)交箱的布置型式，其縱深均不能滿足要求。故此種布置型式不適于本工程的特點(diǎn)及要求。

因此對(duì)于離岸深水自動(dòng)化集裝箱碼頭采用平行堆場(chǎng)布置方案是比較合適的。

4 堆場(chǎng)設(shè)備選型分析及探討

在現(xiàn)有的自動(dòng)化集裝箱碼頭堆場(chǎng)中，堆場(chǎng)裝卸設(shè)備有跨運(yùn)車、自動(dòng)化輪胎式起重機(jī)（ARTG）、高架橋式起重機(jī)、軌道式起重機(jī)（ARMG）等。

4.1 跨運(yùn)車及其布置型式

集裝箱跨運(yùn)車是用于碼頭和堆場(chǎng)間集裝箱水平穿梭搬運(yùn)和堆場(chǎng)作業(yè)的設(shè)備。這種跨運(yùn)車一般提升高度為堆二過(guò)三或者堆三過(guò)四?？邕\(yùn)車作為堆場(chǎng)作業(yè)的碼頭由于堆場(chǎng)內(nèi)受跨運(yùn)車車道和堆高的限制，堆場(chǎng)利用率不高。

4.2 輪胎吊（ARTG）及其布置型式

AERTG具有機(jī)動(dòng)靈活（主要是轉(zhuǎn)場(chǎng)靈活方便）、調(diào)度方便、作業(yè)效率高、技術(shù)成熟、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，已趨向定型標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)備投資較省。而自動(dòng)化集裝箱碼頭中的AERTG的定位系統(tǒng)主要采用GPS定位系統(tǒng)，定位穩(wěn)定性還有待進(jìn)一步的提高。

4.3 軌道吊（ARMG）及其布置型式

ARMG為自動(dòng)化全電力驅(qū)動(dòng)設(shè)備，具有環(huán)保、節(jié)能、高效、低故障、維修使用成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)。ARMG的跨度可以按需要設(shè)計(jì)，且一般都比較大，跨下堆箱排數(shù)多，堆場(chǎng)利用率高。但跨度過(guò)大會(huì)影響操作靈活性，同時(shí)由于裝卸作業(yè)循環(huán)周期長(zhǎng)，降低單機(jī)臺(tái)時(shí)效率，一旦出現(xiàn)翻箱、倒箱，其作業(yè)循環(huán)周期大，效率也將降低。故ARMG門架下一般跨10～20排箱。ARMG有無(wú)懸臂梁、單懸臂梁和雙懸臂梁等幾種型式。

無(wú)懸臂軌道吊：采用無(wú)懸臂軌道吊的自動(dòng)化堆場(chǎng)，水平運(yùn)輸設(shè)備不進(jìn)入箱區(qū)，分別在箱區(qū)的兩端與軌道吊進(jìn)行作業(yè)交接。軌道吊除完成集裝箱的裝卸、堆場(chǎng)作業(yè)，還需承擔(dān)集裝箱在箱區(qū)內(nèi)的水平運(yùn)輸，因此箱區(qū)長(zhǎng)度對(duì)軌道吊的效率影響較大。如采用一臺(tái)堆場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行堆場(chǎng)作業(yè)在能力上是比較匹配的。但是當(dāng)堆場(chǎng)設(shè)備損壞需要檢修時(shí)，此條堆場(chǎng)將無(wú)法進(jìn)行堆場(chǎng)作用，不能碼頭堆場(chǎng)裝卸的功能要求，每個(gè)箱區(qū)內(nèi)一般布置兩臺(tái)設(shè)備。為充分發(fā)揮2臺(tái)設(shè)備的效率，一般箱區(qū)長(zhǎng)度在200～300 m。

單懸臂軌道吊：集裝箱交箱作業(yè)可以采用端部交箱，也可采用一側(cè)交箱的布置型式。當(dāng)采用箱區(qū)端部交箱作業(yè)時(shí)，軌道吊承擔(dān)交箱作業(yè)和箱區(qū)內(nèi)集裝箱的水平運(yùn)輸，其同無(wú)懸臂軌道吊。當(dāng)采用箱區(qū)單側(cè)交箱作業(yè)時(shí)，其交箱作業(yè)側(cè)設(shè)在懸臂下，軌道吊僅負(fù)責(zé)碼垛和裝卸，同一箱區(qū)的設(shè)備可以同時(shí)作業(yè)。

雙懸臂軌道吊：一般集裝箱交箱作業(yè)采用箱區(qū)兩側(cè)交箱的布置型式。采用雙懸臂軌道吊的自動(dòng)化堆場(chǎng)，水平運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)入堆場(chǎng)，與軌道吊的作業(yè)交接設(shè)在懸臂下，軌道吊不需承擔(dān)箱區(qū)內(nèi)集裝箱的水平運(yùn)輸，僅負(fù)責(zé)碼垛和裝卸，同一箱區(qū)的設(shè)備可以同時(shí)作業(yè)。雙懸臂軌道吊相較于單懸臂軌道吊堆場(chǎng)設(shè)備效率低，其有限面積的布置數(shù)量較單懸臂軌道吊少。

4.4 堆場(chǎng)設(shè)備選型分析

跨運(yùn)車：由于采用跨運(yùn)車作為堆場(chǎng)設(shè)備的堆場(chǎng)利用率不高，而本場(chǎng)在20 m深水區(qū)形成陸域，要求堆場(chǎng)具有較高的利用率，所以跨運(yùn)車不予選擇。

輪胎吊：由于本項(xiàng)目所需的堆場(chǎng)面積較小，堆場(chǎng)設(shè)備卻較多，設(shè)備不需要進(jìn)行轉(zhuǎn)場(chǎng)，而輪胎吊的定位系統(tǒng)主要采用GPS定位系統(tǒng)，定位精度不高，且較軌道吊的優(yōu)勢(shì)主要優(yōu)勢(shì)在于轉(zhuǎn)場(chǎng)，所以輪胎吊不予選擇。

雙懸臂軌道吊：由于本工程要求單位面積的裝卸效率要求高；有限的面積內(nèi)堆場(chǎng)設(shè)備數(shù)量多，雙懸臂軌道吊的布置很難達(dá)到其要求，故不采用此設(shè)備。

因此本工程堆場(chǎng)設(shè)備采用無(wú)懸臂軌道吊、單懸臂軌道吊分別進(jìn)行布置，進(jìn)行方案的分析比選。

5 方案比選

基于以上分析采用在堆場(chǎng)平行于岸線布置型式的基礎(chǔ)上對(duì)無(wú)懸臂軌道吊、單懸臂軌道吊兩種機(jī)型分別進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，通過(guò)優(yōu)缺點(diǎn)比選最終確定工藝方案。

5.1 無(wú)懸臂軌道吊的方案

該方案整個(gè)區(qū)域布置分干線碼頭裝卸作業(yè)區(qū)、AGV緩沖區(qū)、堆場(chǎng)作業(yè)區(qū)、駁船泊位裝卸區(qū)等幾個(gè)功能分區(qū)。干線碼頭裝卸區(qū)設(shè)置9臺(tái)雙小車集裝箱岸橋，軌道內(nèi)側(cè)布置2條集裝箱拖掛車車道及布置放集裝箱船艙蓋版區(qū)域，軌道外側(cè)布置6條AGV車道，如圖3。

圖3 無(wú)懸臂軌道吊方案平面布置

AGV緩沖區(qū)布置于干線碼頭裝卸作業(yè)區(qū)和堆場(chǎng)作業(yè)區(qū)之間以及駁船碼頭裝卸作業(yè)區(qū)和堆場(chǎng)作業(yè)區(qū)之間，共布置兩個(gè)；堆場(chǎng)作業(yè)區(qū)布置在AGV緩沖區(qū)后方，共有6條箱區(qū)，采用12臺(tái)無(wú)懸臂軌道吊作為重箱、空箱作業(yè)機(jī)械，在每條堆場(chǎng)兩個(gè)端部均設(shè)有集裝箱交貨區(qū)，總共可布置1 908個(gè)箱位。駁船碼頭作業(yè)區(qū)配置8臺(tái)單小車集裝箱岸橋，軌道內(nèi)側(cè)布置2條集裝箱拖掛車車道，軌道外側(cè)布置5條AGV車道。

5.2 單懸臂軌道吊的方案

該方案整個(gè)區(qū)域布置分干線碼頭裝卸作業(yè)區(qū)、AGV緩沖區(qū)、AGV水平運(yùn)輸車道、堆場(chǎng)作業(yè)區(qū)、駁船泊位裝卸區(qū)等幾個(gè)功能分區(qū)，干線碼頭裝卸區(qū)布置同無(wú)懸臂軌道吊方案，其布置位置如圖4所示。

AGV緩沖區(qū)布置于每條堆場(chǎng)的兩端，共布置6個(gè)；AGV水平運(yùn)輸車道布置于干線碼頭裝卸作業(yè)區(qū)和堆場(chǎng)作業(yè)區(qū)之間以及駁船碼頭裝卸作業(yè)區(qū)和堆場(chǎng)作業(yè)區(qū)之間。堆場(chǎng)作業(yè)區(qū)布置在AGV水平運(yùn)輸車道后方，共有6條堆場(chǎng)，采用12臺(tái)單懸臂軌道吊作為重箱、空箱作業(yè)機(jī)械，在每條堆場(chǎng)單懸臂的下方均設(shè)有集裝箱交貨區(qū)，總共可布置2 760個(gè)箱位。駁船碼頭作業(yè)區(qū)布置同無(wú)懸臂軌道吊方案。

圖4 單懸臂軌道吊方案平面布置

5.3 方案分析比較

兩個(gè)方案的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較見(jiàn)表2。

表2 主要技術(shù)指標(biāo)比較

分析結(jié)論：兩個(gè)方案設(shè)備投資及營(yíng)運(yùn)成本無(wú)懸臂軌道吊方案略低，且差距不大。而兩個(gè)方案的主要差別在于堆場(chǎng)面積的利用率，單懸臂軌道吊方案堆場(chǎng)地面箱位數(shù)遠(yuǎn)大于無(wú)懸臂軌道吊方案。

6 結(jié) 語(yǔ)

1）離岸深水自動(dòng)化集裝箱碼頭要求堆場(chǎng)面利用率高，堆場(chǎng)面積小。

2）離岸深水自動(dòng)化集裝箱碼頭要求堆場(chǎng)設(shè)備效率高，單位面積設(shè)備數(shù)量多。

3）箱區(qū)端部交箱的自動(dòng)化集裝箱碼頭的箱區(qū)長(zhǎng)度一般根據(jù)堆場(chǎng)設(shè)備的效率來(lái)確定料條的長(zhǎng)度來(lái)確定。

箱區(qū)兩側(cè)交箱的自動(dòng)化集裝箱碼頭的箱區(qū)長(zhǎng)度一般根據(jù)水平運(yùn)輸車輛的效率來(lái)確定。

4）對(duì)于離岸深水自動(dòng)化集裝箱碼頭的堆場(chǎng)優(yōu)先采用堆場(chǎng)平行岸線的布置型式。

5）對(duì)于離岸深水自動(dòng)化集裝箱碼頭的堆場(chǎng)設(shè)備選用單懸臂軌道吊有利于增加堆場(chǎng)的利用率和堆場(chǎng)單位面積的裝卸效率。