重力式碼頭岸壁不均勻水平位移對(duì)自動(dòng)化裝卸設(shè)備運(yùn)營(yíng)的影響評(píng)估

陳志強(qiáng)，劉 洋

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510290)

重力式碼頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且耐久性好，對(duì)碼頭面超載和裝卸工藝變化的適應(yīng)性強(qiáng)，在國(guó)內(nèi)沿海與內(nèi)河港口工程中廣泛使用。重力式碼頭結(jié)構(gòu)類(lèi)型以沉箱、扶壁、方塊為主，因受預(yù)制場(chǎng)地、運(yùn)輸與安裝設(shè)備的限制，大噸位級(jí)的沉箱、扶壁等重力式結(jié)構(gòu)的單個(gè)結(jié)構(gòu)沿著碼頭岸線方向的寬度通常小于30 m[1]，常規(guī)設(shè)計(jì)將上部胸墻與沉箱或扶壁形成一個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元，多個(gè)結(jié)構(gòu)單元沿著碼頭岸線方向設(shè)置形成碼頭岸壁。由于地質(zhì)差異與受荷載效應(yīng)不同，結(jié)構(gòu)單元之間發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，導(dǎo)致重力式碼頭岸壁在施工期及正常使用期產(chǎn)生不可忽視的不均勻水平位移，這種位移將引起上部軌道式裝卸設(shè)備兩軌間距離的變化，超出設(shè)備適應(yīng)能力時(shí)會(huì)出現(xiàn)“啃軌”等現(xiàn)象[2]，影響裝卸設(shè)備的正常工作和港區(qū)的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)。受限于常規(guī)的分析方法，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)極少評(píng)估重力式碼頭岸壁的不均勻水平位移對(duì)裝卸設(shè)備運(yùn)營(yíng)的影響，通常依靠運(yùn)營(yíng)期調(diào)軌和設(shè)備維護(hù)來(lái)解決這一問(wèn)題。

隨著我國(guó)海外工程經(jīng)驗(yàn)的積累以及自動(dòng)化碼頭前沿裝卸設(shè)備對(duì)水平位移的要求，結(jié)合通用有限元軟件在水運(yùn)工程領(lǐng)域的深化應(yīng)用，以欽州港大欖坪港區(qū)大欖坪南作業(yè)區(qū)某已建大型重力式碼頭為例，采用數(shù)值模擬方法，分析自動(dòng)化重力式碼頭岸壁的不均勻水平位移，并結(jié)合歐洲規(guī)范對(duì)裝卸設(shè)備正常工作的限值要求，評(píng)估自動(dòng)化重力式碼頭岸壁不均勻水平位移對(duì)裝卸設(shè)備運(yùn)營(yíng)的影響，探討在自動(dòng)化碼頭建設(shè)中對(duì)鋼軌的安裝提前采取措施，以減少自動(dòng)化重力式沉箱碼頭運(yùn)營(yíng)期位移對(duì)裝卸設(shè)備鋼軌后期使用的影響。

1 碼頭岸壁不均勻水平位移分析

1.1 工程概況

欽州港大欖坪港區(qū)大欖坪南作業(yè)區(qū)某碼頭結(jié)構(gòu)按照靠泊20萬(wàn)噸級(jí)集裝箱船設(shè)計(jì)，采用通用有限元軟件PLAXIS 3D對(duì)重力式碼頭進(jìn)行整體性三維空間建模分析，選擇合適的本構(gòu)模型模擬土體力學(xué)特性以及土與結(jié)構(gòu)之間的相互作用，著重評(píng)估在碼頭后方回填與使用荷載作用下的工后不均勻位移。

碼頭采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)，碼頭頂面高程為6.69 m，沉箱結(jié)構(gòu)底高程為-18.5 m(高程系統(tǒng)為當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵?。沉箱的主要尺寸為23.92 m×15.8 m×21.0 m(長(zhǎng)×寬×高)，其中寬度包含前趾寬度。單個(gè)沉箱的質(zhì)量為3 460 t。沉箱前排艙格內(nèi)部分回填塊石1～100 kg(含泥量<10%)；中間和后排艙格全部回填同等塊石至頂部，墻后設(shè)置1～100 kg拋石棱體(含泥量<5%)。沉箱下部設(shè)置強(qiáng)夯拋石基床，厚度為1.0～3.0 m。碼頭典型斷面見(jiàn)圖1。

圖1 碼頭典型斷面(高程：m；尺寸：mm)

1.2 工況組合

針對(duì)相鄰的胸墻與沉箱組成的獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元，考慮在最不利情況下，其中一個(gè)結(jié)構(gòu)單元不發(fā)生水平位移，相鄰的結(jié)構(gòu)單元在不同的工況組合下發(fā)生水平位移。正常使用期間，在碼頭后方回填土和碼頭面使用荷載作用下，附加的土壓力推動(dòng)碼頭墻體，結(jié)構(gòu)與地基相互作用后，產(chǎn)生向海側(cè)的水平位移，因此工況組合考慮因素主要包括地質(zhì)條件、基床厚度、荷載效應(yīng)等。工況組合見(jiàn)表1。

表1 工況組合

1.3 模型建立

建立由地基組、拋石基床、沉箱結(jié)構(gòu)、混凝土胸墻、土料組成的三維有限元模型，模擬碼頭墻體在施工和使用狀態(tài)下的位移。為了更實(shí)際地模擬結(jié)構(gòu)與土體接觸界面的性能，采用實(shí)體單元對(duì)組成部分的材料進(jìn)行模擬，其中土體采用硬化土模型，沉箱具有線性彈性特性，模擬了土與沉箱的實(shí)際接觸界面。接觸面單元通過(guò)具體的數(shù)值模型模擬不同材料之間的滑移、脫落等力學(xué)現(xiàn)象。根據(jù)一般工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于結(jié)構(gòu)與土體的界面，接觸面單元的強(qiáng)度應(yīng)為土體強(qiáng)度深度的0.6倍。

模型的邊界條件考慮四邊約束法向位移，底部約束其3個(gè)位移方向。排水的邊界條件考慮四周、上方及底部均為排水邊界。另外，為了模型建立的合理化，對(duì)土體參數(shù)相近且較薄的土層進(jìn)行整合。模型中的本構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2，相應(yīng)數(shù)值計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

表2 本構(gòu)模型參數(shù)

1.4 步驟模擬與結(jié)果分析

統(tǒng)一實(shí)施步驟的模擬首先考慮在泥面線高程上進(jìn)行初始應(yīng)力平衡，其后步驟分別為進(jìn)行基槽與碼頭前沿的疏浚、拋石基床、沉箱與胸墻結(jié)構(gòu)單元、后方中粗砂回填，荷載施加環(huán)節(jié)分別為碼頭前沿線陸側(cè)5.0 m后施加堆載，通過(guò)設(shè)置水位界面形成墻前后的剩余水頭差。

按照以上統(tǒng)一實(shí)施步驟，針對(duì)不同工況組合進(jìn)行建模分析，最不利情況下的水平位移主要集中于碼頭墻體附近，越靠近碼頭面，水平位移越明顯。當(dāng)只考慮堆載作用效應(yīng)時(shí)，水平位移為20.19 mm；當(dāng)考慮堆載與剩余水頭作用效應(yīng)疊加時(shí)，水平位移為21.95 mm?？紤]堆載30 kPa、堆載30 kPa+剩余水頭0.5 m時(shí)的碼頭整體水平位移云圖見(jiàn)圖3。

圖3 碼頭整體水平位移云圖

由Plaxis 3D數(shù)值分析結(jié)果可得，在不同地質(zhì)與基床厚度組合情況下，在堆載30 kPa和剩余水頭0.5 m共同作用的最不利情況下，碼頭前沿最終的最大水平位移為21.95 mm，但是考慮由均布荷載產(chǎn)生的土壓力會(huì)沿著碼頭前沿線方向和隨土層深度增加逐漸向四周擴(kuò)散，同時(shí)剩余水頭0.5 m僅針對(duì)短暫狀況，持久狀況下的水平位移將不會(huì)超過(guò)此值，因此可取21.95 mm作為評(píng)估碼頭岸壁不均勻水平位移的保守值。

2 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)裝卸設(shè)備軌道變形允許值

根據(jù)歐洲規(guī)范BS EN 1993-6：2007《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-吊車(chē)支撐結(jié)構(gòu)》[3]，軌道式裝卸設(shè)備正常運(yùn)營(yíng)限值應(yīng)考慮在正常使用極限狀態(tài)下。關(guān)于水平位移限制情況分為2種：1)單軌允許變形要求，即一定范圍內(nèi)的軌道兩段固定，中間水平位移變形的極限值為δy≤L/600，見(jiàn)圖5a)；2)兩軌間距允許變形要求，極限值Δs≤10 mm，見(jiàn)圖5b)。

圖5 歐洲規(guī)范允許變形要求

3 碼頭不均勻水平位移對(duì)裝卸設(shè)備的影響分析

3.1 單軌允許變形

模型分析前的工況已保守考慮相鄰2個(gè)沉箱單元中的1個(gè)沉箱未發(fā)生水平移動(dòng)，相鄰沉箱發(fā)生最大的水平位移，分析結(jié)果為δy=21.95 mm，沉箱沿碼頭前沿線長(zhǎng)度為L(zhǎng)=15.8 m，則δy

圖7 單軌變形

3.2 兩軌間距允許變形

前述水平位移結(jié)果21.95 mm大于歐洲規(guī)范對(duì)兩軌間距允許變形的要求10 mm，需在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中根據(jù)鋼軌可調(diào)范圍進(jìn)行兩軌間距的針對(duì)性設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)需考慮2個(gè)層面：1)初始狀態(tài)時(shí)將海側(cè)軌偏移-10 mm(“-”表示可向陸側(cè)方向移動(dòng))；2)海側(cè)軌道保留-20 mm可調(diào)節(jié)位移量。裝卸設(shè)備軌道初始安裝見(jiàn)圖8。

圖8 裝卸設(shè)備軌道初始安裝(單位：mm)

港口運(yùn)營(yíng)初期，裝卸設(shè)備的海側(cè)與陸側(cè)軌道名義中心距為35.00 m，但實(shí)際施工時(shí)，將海側(cè)軌偏移-10 mm，使得初始中心距設(shè)置為34.99 m，滿足開(kāi)港時(shí)設(shè)備運(yùn)營(yíng)要求。

隨著運(yùn)營(yíng)荷載反復(fù)作用，沉箱結(jié)構(gòu)逐漸往海側(cè)移動(dòng)[4]，當(dāng)發(fā)生21.95 mm位移量時(shí)，由于設(shè)計(jì)初期就考慮了可調(diào)整功能，將軌道偏移-20 mm，此時(shí)的軌距Δs=-8.05 mm，滿足相關(guān)規(guī)范要求。并且，此設(shè)計(jì)還可允許沉箱結(jié)構(gòu)往海側(cè)發(fā)生18.05 mm的位移，此量可作為設(shè)備正常裝卸作業(yè)的安全儲(chǔ)備。

綜上所述，若在設(shè)計(jì)階段中充分考慮重力式碼頭位移特性，通過(guò)有效的數(shù)值分析，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)裝卸設(shè)備軌道正常作業(yè)下的允許位移要求，提前進(jìn)行合理的軌道軌距和可調(diào)預(yù)留量設(shè)計(jì)[5]，可減少港區(qū)運(yùn)營(yíng)階段對(duì)裝卸設(shè)備的維護(hù)工作，提高港口運(yùn)營(yíng)效率。

4 結(jié)語(yǔ)

1)重力式碼頭在施工期和使用期均會(huì)發(fā)生向海側(cè)方向的位移，為了減少此位移對(duì)前沿裝卸設(shè)備運(yùn)營(yíng)的影響，建議待施工期位移完全發(fā)生后，再進(jìn)行上層混凝土胸墻的澆筑和裝卸設(shè)備軌道的安裝。

2)通過(guò)實(shí)際工程案例，注重本構(gòu)模型與邊界條件的選取，采用國(guó)際通用軟件進(jìn)行重力式碼頭結(jié)構(gòu)位移分析是可行的，可進(jìn)一步深化研究與推廣使用。

3)通過(guò)設(shè)計(jì)指導(dǎo)裝卸設(shè)備軌道安裝工藝的改進(jìn)，如預(yù)設(shè)合理的初始鋼軌軌距和可調(diào)預(yù)留量等，可降低運(yùn)營(yíng)期“啃軌”等現(xiàn)象的出現(xiàn)，減少裝卸設(shè)備后期維護(hù)成本，提高港口作業(yè)效率。

4)結(jié)合歐洲規(guī)范，在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮碼頭結(jié)構(gòu)的不均勻水平位移，評(píng)估自動(dòng)化碼頭不均勻位移對(duì)裝卸設(shè)備運(yùn)營(yíng)的影響，可為同類(lèi)碼頭設(shè)計(jì)提供有效參考。