自動化集裝箱堆場改造項目中ARMG 基礎結構方案比選

張金剛，李太虎

（1.山東省交通規劃設計院集團有限公司，山東 濟南 250101；2.山東省港口集團濰坊港有限公司，山東 濰坊 261000）

引言

集裝箱碼頭自動化水平可根據生產作業環節自動化程度，碼頭生產管理系統、設備調度與控制系統和輔助系統的功能配置情況，劃分為半自動化、高度自動化和完全自動化3 個層級［1-2］。國內外的全自動化集裝箱碼頭幾乎都是整體新建，建設投入高，周期長。在國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，將傳統碼頭升級改造為自動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全自動化集裝箱碼頭［3］。2021 年10 月9 日，山東港口日照港建成全球首個順岸開放式全自動化集裝箱碼頭［4］。

山東港口濰坊港借助區位優勢和港口資源整合優勢，大力發展集裝箱業務，集裝箱吞吐量連年增長。集裝箱吞吐量連年增長的同時，存在后方堆場能力不足的問題。傳統集裝箱堆場機械作業效率低下，成為制約濰坊港集裝箱業務進一步發展的瓶頸。為此，山東港口濰坊港借鑒青島港與日照港自動化集裝箱碼頭建設的成功經驗，擬將現有后方堆場進行自動化集裝箱堆場升級改造。

1 項目概況

1.1 項目建設運營概況

自動化集裝箱堆場改造項目位于濰坊港中港區內，堆場面積約35 萬平方米，于2016 年開始建設，2018 年建成投產，運營良好。為充分發揮岸邊作業能力、減少堆場翻箱倒箱率、提高堆場利用率，濰坊港將集裝箱業務重新梳理、分析，在現有港區道路堆場的基礎上，提出自動化集裝箱堆場改造工程。

1.2 后方堆場現狀

后方堆場內主要布置有集裝箱堆場和滾裝堆場。集裝箱堆場內主要行駛輪胎式集裝箱龍門起重機（RTG），跨距23.47 m，堆4 過5，布置有混凝土條形基礎跑道梁和混凝土箱角基礎，填檔區為聯鎖塊鋪面。滾裝堆場內設計荷載為滾裝車輛，為滿堂式聯鎖塊鋪面結構。

近幾年，由于濰坊港滾裝業務較少，集裝箱業務發展迅速，項目建成以來，集裝箱堆場內主要堆存集裝箱重箱，滾裝堆場內主要堆存集裝箱空箱。由于后方陸域為吹填港池疏浚土形成，雖然經過振沖地基處理，經過幾年堆載使用后，堆場內普遍存在0.2 ～0.5 m 的沉降。

1.3 工程地質條件

勘察結果表明，鉆探揭露深度內土層分布較有規律。綜合地層的物理力學性質等特征，對勘察深度內的主要土層進行了單元土體劃分，自上而下依次：人工填土層（Q4ml）：路面、素填土（碎石）、①沖填土（粉土）；海相沉積層（Q4m）：②粉土；陸相沉積層（Q4al）：③粉質黏土、④粉土、⑤粉質黏土、⑥粉土、⑦粉質黏土及⑧粉土。

本場地分布的特殊性土主要為人工填土，為①沖填土（粉土），以稍密狀為主，局部中密狀，層厚4.0 ～5.2 m 不等。雖然已進行了振沖和強夯處理，但標貫擊數離散性大，密實度不一，土質不均勻，工程地質性質一般。本項目各土層力學指標見表1。

表1 各土層力學指標

2 設計條件

2.1 設計荷載

裝卸工藝設計方案重箱堆場采用了自動化軌道式集裝箱龍門起重機（ARMG）作業，運行速度約270 m/min，具體參數見表2。

表2 ARMG 主要參數

2.2 使用要求

ARMG 具有重載高速運行的特點，重復作用頻率高，運行精度及使用標準要求嚴格，對軌道基礎耐疲勞強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）水平運輸設備通行區地基回彈模量不宜＜60 MPa。（3）軌道基礎沿線的差異沉降＜0.1%，即地基不均勻沉降≯10 cm/100 m。

3 ARMG 基礎結構方案及比選研究

3.1 結構方案

港口工程裝卸工藝設備軌道基礎一般可采用鋼筋混凝土軌道梁或軌枕道砟結構。目前，軌道梁式基礎具有機車運行平穩性好、技術成熟的優點，工程應用較多。軌枕道砟式基礎施工程序較多，對施工控制要求較嚴格，后期維修維護較頻繁，長期使用效果有待評估，工程及使用經驗較少。采用鋼筋混凝土軌道梁，并根據使用要求、設計荷載、地基條件，按照《水運工程地基設計規范》（JTS 147—2017）要求，利用易工水運工程結構CAD 集成軟件V3.0 進行計算，提出天然地基、復合地基和樁基礎三種軌道梁結構比選方案。

3.1.1 天然地基軌道梁結構

采用C40 鋼筋混凝土軌道梁結構，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10 cmC20 素混凝土墊層+60 cm 后水泥穩定碎石基層+40 cm 級配碎石底基層。結構見圖1。

圖1 天然地基軌道梁結構/mm

3.1.2 復合地基軌道梁結構

軌道梁高0.8 m，寬2.0 m，梁下設10 cm C15 素混凝土墊層、30 cm 水穩碎石基層、30 cm 級配碎石底基層。地基采用CFG 樁處理，CFG 樁直徑0.5 m，間距1.5 m，長度約14 m。結構見圖2。

圖2 復合地基軌道梁結構/mm

3.1.3 樁基礎軌道梁結構

軌道梁高1.8 m，寬1.0 m，樁頂設2 m×2 m×1 m樁帽，樁基采用直徑1 m 的PHC 樁，樁長40 m，樁間距6 m。結構見圖3。

圖3 樁基礎軌道梁結構/mm

3.2 方案比選研究

3.2.1 天然地基軌道梁結構

天然地基軌道梁結構屬于淺基礎結構，直接利用天然地基作為持力層，荷載通過基礎直接傳遞給地基土體［5］，通常會有較大的總沉降和不均勻沉降，適用于地基條件較好，基本無沉降的場地，或對沉降不敏感的機械。其施工簡單、效率較高，質量可控，作業環境良好，造價較低，每延米造價為6 417 元，但受本工程地質條件影響，效果較差，經計算后總沉降沉降約30 cm，差異沉降＞0.1%，不能滿足本工程使用需求。

3.2.2 樁基礎軌道梁結構

樁基礎軌道梁結構一般可分為摩擦樁基礎和端承樁基礎兩大類。對摩擦樁基礎，荷載通過基礎傳遞給樁體，樁體主要通過樁側摩阻力將荷載傳遞給地基土體；對端承樁基礎，荷載通過基礎傳遞給樁體，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黏土、粉土及粉砂，基巖埋藏較深，因此，本工程設計樁基礎為PHC 摩擦樁基礎。本方案具有受力明確、結構可靠、基本無工后沉降（＜5 cm）和差異沉降（＜0.1%）的特點；而且PHC 樁為預應力高強混凝土預制樁，施工工藝成熟、施工難度小、效率高，作業環境良好，無污染，工程應用較廣，但本方案工程費用較高，每延米造價為12 515 元，經濟效益較差。

3.2.3 復合地基軌道梁結構

復合地基軌道梁結構一般是由兩種剛度不同的材料—樁體和樁間土共同分擔上部荷載并協調變形，復合地基與上部結構的基礎一般通過碎石或砂墊層來過渡［6］。在復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］。本工程設計采用CFG 樁復合地基，CFG 樁復合地基適用于處理黏性土、粉土、砂土和自重固結已完成的素填土地基。對樁體復合地基，荷載通過基礎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。采取針對性的設計方案工后沉降和不均勻沉降均可控，但其施工工序較復雜，施工效率較低，且需現場摻水泥和粉煤灰作業，施工作業環境較差。本方案工程費用介于天然地基和樁基礎軌道梁之間，每延米造價為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，且經濟效益較好。

濰坊港自動化集裝箱堆場改造項目經過經濟、技術綜合比選研究，推薦采用CFG 樁復合地基軌道梁結構方案。

4 結語

（1）對于使用時間較長的堆場，由于堆載較大、堆載時間較長，大部分沉降已在使用期完成，基本無工后沉降，場地地基條件較好，ARMG 基礎可采用天然地基軌道梁結構。（2）對于新建碼頭堆場或地基條件較差的改造堆場，由于原地基尚未完成固結，工后沉降較大、不均勻沉降不可控，為滿足使用要求，ARMG 基礎宜采用樁基軌道梁結構。（3）對于使用了一段時間的堆場，地基條件一般，但已完成部分沉降，工后沉降可控的場地，ARMG基礎可采用復合地基彈性軌道梁結構。在滿足使用要求的前提下，濰坊港自動化集裝箱堆場改造項目ARMG 設備基礎設計采用CFG 樁復合地基軌道梁結構可節省投資約30%。