廣州港南沙四期工程軌道地基處理

張 軒，郝志斌，林沛生

(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)

集裝箱碼頭堆場的作業(yè)機(jī)械主要有兩種形式，即軌道式龍門起重機(jī)(RMG)和輪胎式龍門起重機(jī)(RTG)。

廣州港南沙港區(qū)普遍分區(qū)有深厚軟土層，大多采用排水固結(jié)法進(jìn)行大面積地基處理，堆場區(qū)工藝設(shè)備一般為輪胎式龍門吊(RTG)，采用軌道梁條形擴(kuò)大基礎(chǔ)；南沙四期工程設(shè)計(jì)為自動化集裝箱碼頭，傳統(tǒng)的輪胎式龍門吊不能滿足自動化碼頭的使用要求，堆場區(qū)工藝設(shè)備采用自動化軌道式龍門起重機(jī)(ARMG)。ARMG具有可靠性高、維護(hù)工作量小、運(yùn)行速度快、易于實(shí)現(xiàn)自動化等優(yōu)點(diǎn)，可以大大提高堆場區(qū)域的裝卸作業(yè)效率，但是對地基基礎(chǔ)的沉降要求高，一般的大面積地基處理不能滿足設(shè)備對地基的要求。本文結(jié)合南沙四期工程設(shè)計(jì)情況，通過分析對比，選擇了合理的軌道地基基礎(chǔ)二次處理方案。

1 設(shè)計(jì)條件

1.1 場地條件

廣州港南沙港區(qū)四期工程原始地形為灘涂和水塘，上覆土層主要為海陸交互沉積的淤泥和淤泥質(zhì)軟土層，堆場陸域通過吹填港池航道疏浚土形成，軟土總厚度約15 m。大面積地基處理采用插塑料排水板+真空預(yù)壓法，經(jīng)過預(yù)壓處理后，場地的工后沉降、差異沉降、地基承載力可以滿足一般堆場、道路的使用要求，但是不能滿足軌道荷載的使用要求。需要結(jié)合場地實(shí)際情況，選擇合理的軌道地基基礎(chǔ)方案。

1.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合實(shí)際情況，本工程采用了堆場平行于海輪碼頭岸線布置的方案，水平運(yùn)輸方式與傳統(tǒng)集裝箱堆場相同，堆場區(qū)工藝設(shè)備采用自動化軌道式龍門起重機(jī)(ARMG)，堆場區(qū)的集裝箱龍門起重機(jī)與港內(nèi)道路的水平交叉較多。軌道地基基礎(chǔ)方案需要考慮軌道本身對承載力、沉降和不均勻沉降要求較高的特點(diǎn)，還要綜合考慮過路段軌道地基基礎(chǔ)與兩側(cè)道路結(jié)構(gòu)的剛度和沉降差異。因此需要采用合適的方案來滿足軌道的承載力和沉降要求，確保軌道地基基礎(chǔ)正常使用；并控制好過路段軌道與道路的差異沉降，確保軌道與道路銜接處不出現(xiàn)跳車現(xiàn)象。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[1-2]，軌道工后沉降可按10 cm作為控制標(biāo)準(zhǔn)，軌道與道路的差異沉降可按5 cm作為控制標(biāo)準(zhǔn)。

1)荷載條件。自動化軌道式龍門起重機(jī)(ARMG)跨距31 m，4腿，4個(gè)輪/腿，輪距1.05 m和1.35 m，基距17 m。工作狀態(tài)(20 m/s)下最大輪壓P=360 kN，非工作狀態(tài)(70 m/s)下最大輪壓P=455 kN。鋼軌采用明軌。

2)沉降要求。軌道基礎(chǔ)區(qū)域使用期沉降不大于10 cm，軌道基礎(chǔ)沿線的差異沉降應(yīng)小于0.1%。

2 軌道地基基礎(chǔ)方案選型

2.1 3種軌道地基基礎(chǔ)方案

我國大型集裝箱碼頭堆場主要分布在沿海和長江沿線，普遍覆蓋深厚軟土，即使經(jīng)過地基處理，在車輛荷載的反復(fù)作用下地基土的塑性變形易累積，軟土層本身會產(chǎn)生一定的次固結(jié)沉降，導(dǎo)致較大的工后沉降，不能滿足軌道結(jié)構(gòu)的使用要求。當(dāng)大面積地基處理不能滿足軌道結(jié)構(gòu)的使用要求時(shí)，需要對軌道地基進(jìn)行二次處理。常用的軌道地基基礎(chǔ)方案有3種。

1)樁基礎(chǔ)+軌道梁方案?，F(xiàn)有集裝箱碼頭堆場中，軌道結(jié)構(gòu)大部分采用樁基礎(chǔ)+鋼筋混凝土軌道梁結(jié)構(gòu)[3]。樁基礎(chǔ)作為深基礎(chǔ)，適用于使用要求較高的建構(gòu)筑物，可以提供足夠的承載能力，地基沉降和差異沉降都很小。

樁基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)是：能基本解決軌道自身的沉降問題，技術(shù)成熟；使用期基本沒有沉降和不均勻沉降，可基本保證軌道的長期正常使用，可靠性高。

樁基礎(chǔ)的缺點(diǎn)是：由于在軟土厚度較大的工程中使用，大面積地基處理后道路和堆場仍會有較大的工后沉降和不均勻沉降。采用樁基礎(chǔ)的軌道結(jié)構(gòu)周邊道路堆場會產(chǎn)生較大的不均勻沉降，導(dǎo)致軌道附近堆場坡度變大、道路產(chǎn)生錯臺，進(jìn)而產(chǎn)生堆箱區(qū)平整度差、排水困難、堆箱傾斜、道路區(qū)產(chǎn)生跳車等問題，影響道路和堆場的正常使用，道路和堆場區(qū)域存在維修問題。樁基持力層一般較深、樁長較大，工程造價(jià)較高、投資大。打樁時(shí)間較長，總工期較長。

2)復(fù)合地基+軌道梁方案[4]。復(fù)合地基主要加固上部軟弱土層，可以提高地基承載力、減小地基沉降。對于采用排水固結(jié)法處理大面積地基的場地，主要處理土層為淤泥和淤泥質(zhì)土，軌道二次地基處理可用復(fù)合地基方法，常用的復(fù)合地基方法有水泥攪拌樁、高壓旋噴樁、剛性樁。復(fù)合地基用于處理軌道基礎(chǔ)具有工期短、效果好的特點(diǎn)，可以有效減小軌道地基沉降和差異沉降。

水泥攪拌樁的特點(diǎn)是造價(jià)較低、施工速度快、工期短、成樁直徑連續(xù)、質(zhì)量穩(wěn)定，處理后的地基一般還會有一定的沉降，但是工后沉降和差異沉降均較小，可以滿足軌道使用要求，是最常用的二次地基處理方案。

高壓旋噴樁、剛性樁等處理深度大、造價(jià)較高、施工難度較大，一般用于不具備攪拌樁實(shí)施條件的場地。

3)擴(kuò)大基礎(chǔ)方案。彈性地基梁條形擴(kuò)大基礎(chǔ)和軌枕道砟基礎(chǔ)均為擴(kuò)大基礎(chǔ)[5-6]，采用天然地基，將工藝設(shè)備荷載通過基礎(chǔ)擴(kuò)散分布到面積較大的地基上，可以降低地基承載力要求和軌道基礎(chǔ)變形，應(yīng)選擇整體性好、剛度大、協(xié)調(diào)不均勻沉降能力較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)形式。一般適用于地質(zhì)條件良好的地基，擴(kuò)大基礎(chǔ)變形適應(yīng)能力較好，當(dāng)發(fā)生不均勻沉降后，主要通過調(diào)整道床高程來滿足使用要求。

擴(kuò)大基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)是不做深層地基處理、工程造價(jià)低、施工速度快、工期短，是最常用的設(shè)備基礎(chǔ)形式，技術(shù)成熟、對地基沉降適應(yīng)性好。

擴(kuò)大基礎(chǔ)的缺點(diǎn)是：地基工后沉降較大，難以長期滿足軌道平整度的要求；荷載頻繁作用會導(dǎo)致軌道發(fā)生較大的垂直及水平變形，需定期維護(hù)及維修，維護(hù)工作量大、維護(hù)費(fèi)用較高，高頻率維修會對碼頭運(yùn)營產(chǎn)生較大不利影響；一般適用于沉降較小的場地，僅可調(diào)節(jié)軌道基座10 cm的高差，而在深厚軟土地區(qū)的工后沉降量大多超過10 cm，難以滿足較大工后沉降調(diào)整的需求。

2.2 方案比選

本工程堆場通過換填碎石墊層等方式進(jìn)行了大面積地基處理，地基承載力可以滿足軌道要求，但是工后沉降仍然較大、使用期維護(hù)工程量較大、樁基礎(chǔ)造價(jià)較高、與周邊差異沉降較大。采用復(fù)合地基對軌道基礎(chǔ)進(jìn)行二次處理，軌道基礎(chǔ)的沉降基本可以滿足使用要求，建設(shè)成本也相對較低，尤其是當(dāng)軌道與港區(qū)道路存在平面交叉時(shí)可以控制好軌道與道路的差異沉降，達(dá)到綜合效益最佳的效果。

經(jīng)過綜合比較，推薦選用樁基軌道梁基礎(chǔ)、復(fù)合地基軌道梁基礎(chǔ)。

2.3 復(fù)合地基二次處理的特點(diǎn)

豎向增強(qiáng)體和原狀土體聯(lián)合形成復(fù)合穩(wěn)定地基，具有一定的剛度，可以承擔(dān)工藝設(shè)備的豎向荷載。

采用復(fù)合地基處理過的軌道基礎(chǔ)，地基沉降比樁基礎(chǔ)大、比擴(kuò)大基礎(chǔ)小，工后沉降可以控制在10 cm以內(nèi)、差異沉降在5 cm以內(nèi)，短期內(nèi)不會出現(xiàn)沉降較大需要維修的情況，維修頻率較低、維護(hù)費(fèi)用較低，對堆場正常運(yùn)營影響小。

通過采用可調(diào)節(jié)軌道基座系統(tǒng)對10 cm以內(nèi)的豎向不均勻沉降進(jìn)行調(diào)節(jié)，在使用期內(nèi)基本不會出現(xiàn)地基沉降問題。

軌道地基與道路、堆場使用期差異沉降較小，通過在與軌道平交的道路上設(shè)置過渡段，可進(jìn)一步減小地基差異沉降，使用期維修工程量低，良好的地基處理質(zhì)量和合理的結(jié)構(gòu)措施可以基本消除錯臺和跳車的現(xiàn)象。

復(fù)合地基和鋼筋混凝土軌道結(jié)構(gòu)技術(shù)成熟，造價(jià)在樁基礎(chǔ)和天然地基之間。

3 軌道地基處理方案

大面積地基處理采用真空預(yù)壓法，施工期地基平均沉降約1.49 m，卸載前15 d內(nèi)平均沉降速率基本在1 mm/d以內(nèi)。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，地基處理后的陸域工后平均沉降約10 cm，局部監(jiān)測點(diǎn)顯示地基工后沉降可達(dá)20 cm，能夠滿足港口道路和堆場的使用要求。

道路區(qū)域使用期荷載較小，主要為路面結(jié)構(gòu)自重力和車輛荷載，工后沉降3～9 cm，平均約6 cm，基本在10 cm以內(nèi)。

3.1 堆場段軌道地基基礎(chǔ)方案

堆場段軌道基礎(chǔ)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土地基梁，結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆C40鋼筋混凝土倒T形梁(頂寬0.8 m、底寬1.7 m、高1.5 m)，下設(shè)10 cm厚貧混凝土墊層+20 cm厚碎石褥墊層。見圖1。

圖1 堆場段軌道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(單位：mm)

對堆場段軌道梁基礎(chǔ)采用水泥攪拌樁進(jìn)行二次處理。攪拌樁直徑600 mm，樁底要求打穿上部軟土層。攪拌樁垂直于軌道方向攪拌樁按相切布置3根，間距0.6 m，沿軌道梁方向樁間距1.2 m。見圖2。

圖2 堆場段軌道基礎(chǔ)攪拌樁位布置(高程：m；尺寸：mm)

3.2 過路段軌道地基基礎(chǔ)方案

過路段軌道基礎(chǔ)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土軌道板，結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆C40鋼筋混凝土板(寬4.0 m、高0.8 m)，下設(shè)10 cm厚貧混凝土墊層+20 cm厚碎石褥墊層。見圖3。

圖3 過路段軌道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

軌道梁采用軌道板結(jié)構(gòu)，寬度4 m，進(jìn)一步減小地基附加應(yīng)力和地基沉降，并與混凝土路面通過傳力桿連接，緩和過渡了道路與軌道差異沉降引起的路面縱坡突變，消除錯臺和跳車現(xiàn)象。

堆場段軌道基礎(chǔ)攪拌樁地基處理設(shè)計(jì)參數(shù)：1)過路段軌道基礎(chǔ)。攪拌樁間距1.4 m×1.4 m，正方形布置。見圖4。2)道路過渡段。軌道梁兩側(cè)，道路范圍內(nèi)擴(kuò)大處理5排攪拌樁，間距1.4 m×1.4 m，正方形布置。過渡段攪拌樁樁長依次減少2 m。

圖4 過路段軌道基礎(chǔ)攪拌樁位布置(單位：mm)

3.3 可調(diào)節(jié)軌道系統(tǒng)

經(jīng)過攪拌樁處理后的地基仍有一定的沉降，采用可調(diào)節(jié)軌道基礎(chǔ)。在地基梁上增加可調(diào)節(jié)支座，通過調(diào)節(jié)支座達(dá)到協(xié)調(diào)不均勻沉降、保證軌道正常使用的目的。

采用可調(diào)節(jié)軌道基礎(chǔ)，可以對10 cm以內(nèi)的豎向不均勻沉降進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過水泥攪拌樁二次處理，堆場區(qū)軌道結(jié)構(gòu)使用期沉降為3～8 cm、平均約6 cm，可以滿足軌道結(jié)構(gòu)對沉降和差異沉降的要求。

道路區(qū)軌道結(jié)構(gòu)使用期平均沉降為3～6 cm，平均約4 cm；道路區(qū)域工后沉降約為6 cm，道路與軌道結(jié)構(gòu)的差異沉降基本在3 cm以內(nèi)。通過在軌道兩側(cè)道路范圍內(nèi)設(shè)置長度6.4 m的水泥攪拌樁二次處理過渡段，可以進(jìn)一步減小差異沉降，保證地基變形過渡平穩(wěn)、行車平穩(wěn)。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，復(fù)合地基處理軌道基礎(chǔ)可以滿足軌道使用要求。

5 結(jié)語

1)鋼筋混凝土軌道梁+水泥攪拌樁復(fù)合地基二次處理是一種合適的軌道基礎(chǔ)方案。水泥攪拌樁處理方案具有造價(jià)適中、工藝成熟、處理后地基沉降和差異沉降較小的特點(diǎn)。

2)復(fù)合地基二次處理后的軌道地基沉降在10 cm以內(nèi)，可以通過可調(diào)節(jié)軌道協(xié)調(diào)不均勻沉降，對港區(qū)的正常生產(chǎn)運(yùn)營影響較小。

3)過路段軌道梁采用軌道板結(jié)構(gòu)，通過擴(kuò)大基礎(chǔ)寬度減小地基沉降；在軌道基礎(chǔ)兩側(cè)道路設(shè)置攪拌樁二次處理過渡段，可以減小過路段地基沉降，并保證道路與軌道差異沉降較小，減少錯臺和跳車現(xiàn)象。

4)水泥攪拌樁復(fù)合地基是一種適用于廣州港南沙港區(qū)自動化碼頭軌道地基處理的方案。