自動(dòng)化集裝箱堆場(chǎng)改造項(xiàng)目中ARMG 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案比選

張金剛，李太虎

（1.山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101；2.山東省港口集團(tuán)濰坊港有限公司，山東 濰坊 261000）

引言

集裝箱碼頭自動(dòng)化水平可根據(jù)生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)自動(dòng)化程度，碼頭生產(chǎn)管理系統(tǒng)、設(shè)備調(diào)度與控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)的功能配置情況，劃分為半自動(dòng)化、高度自動(dòng)化和完全自動(dòng)化3 個(gè)層級(jí)［1-2］。國(guó)內(nèi)外的全自動(dòng)化集裝箱碼頭幾乎都是整體新建，建設(shè)投入高，周期長(zhǎng)。在國(guó)家限制填海政策影響下，新建碼頭資源日益稀缺，如何盤活存量，將傳統(tǒng)碼頭升級(jí)改造為自動(dòng)化集裝箱碼頭逐漸成為重要課題。2017年5 月11 日，青島港建成了亞洲首個(gè)全自動(dòng)化集裝箱碼頭［3］。2021 年10 月9 日，山東港口日照港建成全球首個(gè)順岸開放式全自動(dòng)化集裝箱碼頭［4］。

山東港口濰坊港借助區(qū)位優(yōu)勢(shì)和港口資源整合優(yōu)勢(shì)，大力發(fā)展集裝箱業(yè)務(wù)，集裝箱吞吐量連年增長(zhǎng)。集裝箱吞吐量連年增長(zhǎng)的同時(shí)，存在后方堆場(chǎng)能力不足的問題。傳統(tǒng)集裝箱堆場(chǎng)機(jī)械作業(yè)效率低下，成為制約濰坊港集裝箱業(yè)務(wù)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。為此，山東港口濰坊港借鑒青島港與日照港自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)的成功經(jīng)驗(yàn)，擬將現(xiàn)有后方堆場(chǎng)進(jìn)行自動(dòng)化集裝箱堆場(chǎng)升級(jí)改造。

1 項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目建設(shè)運(yùn)營(yíng)概況

自動(dòng)化集裝箱堆場(chǎng)改造項(xiàng)目位于濰坊港中港區(qū)內(nèi)，堆場(chǎng)面積約35 萬(wàn)平方米，于2016 年開始建設(shè)，2018 年建成投產(chǎn)，運(yùn)營(yíng)良好。為充分發(fā)揮岸邊作業(yè)能力、減少堆場(chǎng)翻箱倒箱率、提高堆場(chǎng)利用率，濰坊港將集裝箱業(yè)務(wù)重新梳理、分析，在現(xiàn)有港區(qū)道路堆場(chǎng)的基礎(chǔ)上，提出自動(dòng)化集裝箱堆場(chǎng)改造工程。

1.2 后方堆場(chǎng)現(xiàn)狀

后方堆場(chǎng)內(nèi)主要布置有集裝箱堆場(chǎng)和滾裝堆場(chǎng)。集裝箱堆場(chǎng)內(nèi)主要行駛輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)（RTG），跨距23.47 m，堆4 過5，布置有混凝土條形基礎(chǔ)跑道梁和混凝土箱角基礎(chǔ)，填檔區(qū)為聯(lián)鎖塊鋪面。滾裝堆場(chǎng)內(nèi)設(shè)計(jì)荷載為滾裝車輛，為滿堂式聯(lián)鎖塊鋪面結(jié)構(gòu)。

近幾年，由于濰坊港滾裝業(yè)務(wù)較少，集裝箱業(yè)務(wù)發(fā)展迅速，項(xiàng)目建成以來，集裝箱堆場(chǎng)內(nèi)主要堆存集裝箱重箱，滾裝堆場(chǎng)內(nèi)主要堆存集裝箱空箱。由于后方陸域?yàn)榇堤罡鄢厥杩Ｍ列纬?，雖然經(jīng)過振沖地基處理，經(jīng)過幾年堆載使用后，堆場(chǎng)內(nèi)普遍存在0.2 ～0.5 m 的沉降。

1.3 工程地質(zhì)條件

勘察結(jié)果表明，鉆探揭露深度內(nèi)土層分布較有規(guī)律。綜合地層的物理力學(xué)性質(zhì)等特征，對(duì)勘察深度內(nèi)的主要土層進(jìn)行了單元土體劃分，自上而下依次：人工填土層（Q4ml）：路面、素填土（碎石）、①?zèng)_填土（粉土）；海相沉積層（Q4m）：②粉土；陸相沉積層（Q4al）：③粉質(zhì)黏土、④粉土、⑤粉質(zhì)黏土、⑥粉土、⑦粉質(zhì)黏土及⑧粉土。

本場(chǎng)地分布的特殊性土主要為人工填土，為①?zèng)_填土（粉土），以稍密狀為主，局部中密狀，層厚4.0 ～5.2 m 不等。雖然已進(jìn)行了振沖和強(qiáng)夯處理，但標(biāo)貫擊數(shù)離散性大，密實(shí)度不一，土質(zhì)不均勻，工程地質(zhì)性質(zhì)一般。本項(xiàng)目各土層力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 各土層力學(xué)指標(biāo)

2 設(shè)計(jì)條件

2.1 設(shè)計(jì)荷載

裝卸工藝設(shè)計(jì)方案重箱堆場(chǎng)采用了自動(dòng)化軌道式集裝箱龍門起重機(jī)（ARMG）作業(yè)，運(yùn)行速度約270 m/min，具體參數(shù)見表2。

表2 ARMG 主要參數(shù)

2.2 使用要求

ARMG 具有重載高速運(yùn)行的特點(diǎn)，重復(fù)作用頻率高，運(yùn)行精度及使用標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格，對(duì)軌道基礎(chǔ)耐疲勞強(qiáng)度及殘留沉降要求高。具體要求［2］：（1）地基工后沉降量不宜＞0.3 m。（2）水平運(yùn)輸設(shè)備通行區(qū)地基回彈模量不宜＜60 MPa。（3）軌道基礎(chǔ)沿線的差異沉降＜0.1%，即地基不均勻沉降≯10 cm/100 m。

3 ARMG 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案及比選研究

3.1 結(jié)構(gòu)方案

港口工程裝卸工藝設(shè)備軌道基礎(chǔ)一般可采用鋼筋混凝土軌道梁或軌枕道砟結(jié)構(gòu)。目前，軌道梁式基礎(chǔ)具有機(jī)車運(yùn)行平穩(wěn)性好、技術(shù)成熟的優(yōu)點(diǎn)，工程應(yīng)用較多。軌枕道砟式基礎(chǔ)施工程序較多，對(duì)施工控制要求較嚴(yán)格，后期維修維護(hù)較頻繁，長(zhǎng)期使用效果有待評(píng)估，工程及使用經(jīng)驗(yàn)較少。采用鋼筋混凝土軌道梁，并根據(jù)使用要求、設(shè)計(jì)荷載、地基條件，按照《水運(yùn)工程地基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 147—2017）要求，利用易工水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)CAD 集成軟件V3.0 進(jìn)行計(jì)算，提出天然地基、復(fù)合地基和樁基礎(chǔ)三種軌道梁結(jié)構(gòu)比選方案。

3.1.1 天然地基軌道梁結(jié)構(gòu)

采用C40 鋼筋混凝土軌道梁結(jié)構(gòu)，軌道梁斷面呈倒T型，梁高度2.0 m，頂面寬度1.2 m，底面寬度2.4 m。梁底設(shè)10 cmC20 素混凝土墊層+60 cm 后水泥穩(wěn)定碎石基層+40 cm 級(jí)配碎石底基層。結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 天然地基軌道梁結(jié)構(gòu)/mm

3.1.2 復(fù)合地基軌道梁結(jié)構(gòu)

軌道梁高0.8 m，寬2.0 m，梁下設(shè)10 cm C15 素混凝土墊層、30 cm 水穩(wěn)碎石基層、30 cm 級(jí)配碎石底基層。地基采用CFG 樁處理，CFG 樁直徑0.5 m，間距1.5 m，長(zhǎng)度約14 m。結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 復(fù)合地基軌道梁結(jié)構(gòu)/mm

3.1.3 樁基礎(chǔ)軌道梁結(jié)構(gòu)

軌道梁高1.8 m，寬1.0 m，樁頂設(shè)2 m×2 m×1 m樁帽，樁基采用直徑1 m 的PHC 樁，樁長(zhǎng)40 m，樁間距6 m。結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 樁基礎(chǔ)軌道梁結(jié)構(gòu)/mm

3.2 方案比選研究

3.2.1 天然地基軌道梁結(jié)構(gòu)

天然地基軌道梁結(jié)構(gòu)屬于淺基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，直接利用天然地基作為持力層，荷載通過基礎(chǔ)直接傳遞給地基土體［5］，通常會(huì)有較大的總沉降和不均勻沉降，適用于地基條件較好，基本無(wú)沉降的場(chǎng)地，或?qū)Τ两挡幻舾械臋C(jī)械。其施工簡(jiǎn)單、效率較高，質(zhì)量可控，作業(yè)環(huán)境良好，造價(jià)較低，每延米造價(jià)為6 417 元，但受本工程地質(zhì)條件影響，效果較差，經(jīng)計(jì)算后總沉降沉降約30 cm，差異沉降＞0.1%，不能滿足本工程使用需求。

3.2.2 樁基礎(chǔ)軌道梁結(jié)構(gòu)

樁基礎(chǔ)軌道梁結(jié)構(gòu)一般可分為摩擦樁基礎(chǔ)和端承樁基礎(chǔ)兩大類。對(duì)摩擦樁基礎(chǔ)，荷載通過基礎(chǔ)傳遞給樁體，樁體主要通過樁側(cè)摩阻力將荷載傳遞給地基土體；對(duì)端承樁基礎(chǔ)，荷載通過基礎(chǔ)傳遞給樁體，樁體主要通過樁端承載力將荷載傳遞給地基土體［5］。濰坊港地基為深厚的粉質(zhì)黏土、粉土及粉砂，基巖埋藏較深，因此，本工程設(shè)計(jì)樁基礎(chǔ)為PHC 摩擦樁基礎(chǔ)。本方案具有受力明確、結(jié)構(gòu)可靠、基本無(wú)工后沉降（＜5 cm）和差異沉降（＜0.1%）的特點(diǎn)；而且PHC 樁為預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土預(yù)制樁，施工工藝成熟、施工難度小、效率高，作業(yè)環(huán)境良好，無(wú)污染，工程應(yīng)用較廣，但本方案工程費(fèi)用較高，每延米造價(jià)為12 515 元，經(jīng)濟(jì)效益較差。

3.2.3 復(fù)合地基軌道梁結(jié)構(gòu)

復(fù)合地基軌道梁結(jié)構(gòu)一般是由兩種剛度不同的材料—樁體和樁間土共同分擔(dān)上部荷載并協(xié)調(diào)變形，復(fù)合地基與上部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)一般通過碎石或砂墊層來過渡［6］。在復(fù)合地基中樁的作用是主要的，樁的材料類型較多，包括土樁、灰土樁、石灰樁、砂樁、碎石樁、水泥土樁（包括攪拌樁和旋噴樁）、水泥粉煤灰碎石樁（CFG 樁）和混凝土樁等［7］。本工程設(shè)計(jì)采用CFG 樁復(fù)合地基，CFG 樁復(fù)合地基適用于處理黏性土、粉土、砂土和自重固結(jié)已完成的素填土地基。對(duì)樁體復(fù)合地基，荷載通過基礎(chǔ)將一部分荷載直接傳遞給地基土體，另一部分通過樁體傳遞給地基土體，CFG 樁與樁間土共同受力，可提高承載力減少沉降。采取針對(duì)性的設(shè)計(jì)方案工后沉降和不均勻沉降均可控，但其施工工序較復(fù)雜，施工效率較低，且需現(xiàn)場(chǎng)摻水泥和粉煤灰作業(yè)，施工作業(yè)環(huán)境較差。本方案工程費(fèi)用介于天然地基和樁基礎(chǔ)軌道梁之間，每延米造價(jià)為8 850 元。本方案工后總沉降＜15 cm，差異沉降＜0.1%，滿足工程需求，且經(jīng)濟(jì)效益較好。

濰坊港自動(dòng)化集裝箱堆場(chǎng)改造項(xiàng)目經(jīng)過經(jīng)濟(jì)、技術(shù)綜合比選研究，推薦采用CFG 樁復(fù)合地基軌道梁結(jié)構(gòu)方案。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)于使用時(shí)間較長(zhǎng)的堆場(chǎng)，由于堆載較大、堆載時(shí)間較長(zhǎng)，大部分沉降已在使用期完成，基本無(wú)工后沉降，場(chǎng)地地基條件較好，ARMG 基礎(chǔ)可采用天然地基軌道梁結(jié)構(gòu)。（2）對(duì)于新建碼頭堆場(chǎng)或地基條件較差的改造堆場(chǎng)，由于原地基尚未完成固結(jié)，工后沉降較大、不均勻沉降不可控，為滿足使用要求，ARMG 基礎(chǔ)宜采用樁基軌道梁結(jié)構(gòu)。（3）對(duì)于使用了一段時(shí)間的堆場(chǎng)，地基條件一般，但已完成部分沉降，工后沉降可控的場(chǎng)地，ARMG基礎(chǔ)可采用復(fù)合地基彈性軌道梁結(jié)構(gòu)。在滿足使用要求的前提下，濰坊港自動(dòng)化集裝箱堆場(chǎng)改造項(xiàng)目ARMG 設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用CFG 樁復(fù)合地基軌道梁結(jié)構(gòu)可節(jié)省投資約30%。