重力式碼頭岸壁不均勻水平位移對自動化裝卸設備運營的影響評估

陳志強，劉 洋

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510290)

重力式碼頭結構穩定且耐久性好，對碼頭面超載和裝卸工藝變化的適應性強，在國內沿海與內河港口工程中廣泛使用。重力式碼頭結構類型以沉箱、扶壁、方塊為主，因受預制場地、運輸與安裝設備的限制，大噸位級的沉箱、扶壁等重力式結構的單個結構沿著碼頭岸線方向的寬度通常小于30 m[1]，常規設計將上部胸墻與沉箱或扶壁形成一個獨立結構單元，多個結構單元沿著碼頭岸線方向設置形成碼頭岸壁。由于地質差異與受荷載效應不同，結構單元之間發生錯動，導致重力式碼頭岸壁在施工期及正常使用期產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備兩軌間距離的變化，超出設備適應能力時會出現“啃軌”等現象[2]，影響裝卸設備的正常工作和港區的生產運營。受限于常規的分析方法，國內設計環節極少評估重力式碼頭岸壁的不均勻水平位移對裝卸設備運營的影響，通常依靠運營期調軌和設備維護來解決這一問題。

隨著我國海外工程經驗的積累以及自動化碼頭前沿裝卸設備對水平位移的要求，結合通用有限元軟件在水運工程領域的深化應用，以欽州港大欖坪港區大欖坪南作業區某已建大型重力式碼頭為例，采用數值模擬方法，分析自動化重力式碼頭岸壁的不均勻水平位移，并結合歐洲規范對裝卸設備正常工作的限值要求，評估自動化重力式碼頭岸壁不均勻水平位移對裝卸設備運營的影響，探討在自動化碼頭建設中對鋼軌的安裝提前采取措施，以減少自動化重力式沉箱碼頭運營期位移對裝卸設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

欽州港大欖坪港區大欖坪南作業區某碼頭結構按照靠泊20萬噸級集裝箱船設計，采用通用有限元軟件PLAXIS 3D對重力式碼頭進行整體性三維空間建模分析，選擇合適的本構模型模擬土體力學特性以及土與結構之間的相互作用，著重評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構，碼頭頂面高程為6.69 m，沉箱結構底高程為-18.5 m(高程系統為當地理論最低潮面)。沉箱的主要尺寸為23.92 m×15.8 m×21.0 m(長×寬×高)，其中寬度包含前趾寬度。單個沉箱的質量為3 460 t。沉箱前排艙格內部分回填塊石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，墻后設置1～100 kg拋石棱體(含泥量<5%)。沉箱下部設置強夯拋石基床，厚度為1.0～3.0 m。碼頭典型斷面見圖1。

圖1 碼頭典型斷面(高程：m；尺寸：mm)

1.2 工況組合

針對相鄰的胸墻與沉箱組成的獨立結構單元，考慮在最不利情況下，其中一個結構單元不發生水平位移，相鄰的結構單元在不同的工況組合下發生水平位移。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，附加的土壓力推動碼頭墻體，結構與地基相互作用后，產生向海側的水平位移，因此工況組合考慮因素主要包括地質條件、基床厚度、荷載效應等。工況組合見表1。

表1 工況組合

1.3 模型建立

建立由地基組、拋石基床、沉箱結構、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下的位移。為了更實際地模擬結構與土體接觸界面的性能，采用實體單元對組成部分的材料進行模擬，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際接觸界面。接觸面單元通過具體的數值模型模擬不同材料之間的滑移、脫落等力學現象。根據一般工程經驗，對于結構與土體的界面，接觸面單元的強度應為土體強度深度的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，對土體參數相近且較薄的土層進行整合。模型中的本構參數見表2，相應數值計算模型見圖2。

圖2 數值計算模型

表2 本構模型參數

1.4 步驟模擬與結果分析

統一實施步驟的模擬首先考慮在泥面線高程上進行初始應力平衡，其后步驟分別為進行基槽與碼頭前沿的疏浚、拋石基床、沉箱與胸墻結構單元、后方中粗砂回填，荷載施加環節分別為碼頭前沿線陸側5.0 m后施加堆載，通過設置水位界面形成墻前后的剩余水頭差。

按照以上統一實施步驟，針對不同工況組合進行建模分析，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。當只考慮堆載作用效應時，水平位移為20.19 mm；當考慮堆載與剩余水頭作用效應疊加時，水平位移為21.95 mm。考慮堆載30 kPa、堆載30 kPa+剩余水頭0.5 m時的碼頭整體水平位移云圖見圖3。

圖3 碼頭整體水平位移云圖

由Plaxis 3D數值分析結果可得，在不同地質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生的土壓力會沿著碼頭前沿線方向和隨土層深度增加逐漸向四周擴散，同時剩余水頭0.5 m僅針對短暫狀況，持久狀況下的水平位移將不會超過此值，因此可取21.95 mm作為評估碼頭岸壁不均勻水平位移的保守值。

2 規范標準對裝卸設備軌道變形允許值

根據歐洲規范BS EN 1993-6：2007《鋼結構設計-吊車支撐結構》[3]，軌道式裝卸設備正常運營限值應考慮在正常使用極限狀態下。關于水平位移限制情況分為2種：1)單軌允許變形要求，即一定范圍內的軌道兩段固定，中間水平位移變形的極限值為δy≤L/600，見圖5a)；2)兩軌間距允許變形要求，極限值Δs≤10 mm，見圖5b)。

圖5 歐洲規范允許變形要求

3 碼頭不均勻水平位移對裝卸設備的影響分析

3.1 單軌允許變形

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

圖7 單軌變形

3.2 兩軌間距允許變形

前述水平位移結果21.95 mm大于歐洲規范對兩軌間距允許變形的要求10 mm，需在設計環節中根據鋼軌可調范圍進行兩軌間距的針對性設計。

設計需考慮2個層面：1)初始狀態時將海側軌偏移-10 mm(“-”表示可向陸側方向移動)；2)海側軌道保留-20 mm可調節位移量。裝卸設備軌道初始安裝見圖8。

圖8 裝卸設備軌道初始安裝(單位：mm)

港口運營初期，裝卸設備的海側與陸側軌道名義中心距為35.00 m，但實際施工時，將海側軌偏移-10 mm，使得初始中心距設置為34.99 m，滿足開港時設備運營要求。

隨著運營荷載反復作用，沉箱結構逐漸往海側移動[4]，當發生21.95 mm位移量時，由于設計初期就考慮了可調整功能，將軌道偏移-20 mm，此時的軌距Δs=-8.05 mm，滿足相關規范要求。并且，此設計還可允許沉箱結構往海側發生18.05 mm的位移，此量可作為設備正常裝卸作業的安全儲備。

綜上所述，若在設計階段中充分考慮重力式碼頭位移特性，通過有效的數值分析，結合相關標準針對裝卸設備軌道正常作業下的允許位移要求，提前進行合理的軌道軌距和可調預留量設計[5]，可減少港區運營階段對裝卸設備的維護工作，提高港口運營效率。

4 結語

1)重力式碼頭在施工期和使用期均會發生向海側方向的位移，為了減少此位移對前沿裝卸設備運營的影響，建議待施工期位移完全發生后，再進行上層混凝土胸墻的澆筑和裝卸設備軌道的安裝。

2)通過實際工程案例，注重本構模型與邊界條件的選取，采用國際通用軟件進行重力式碼頭結構位移分析是可行的，可進一步深化研究與推廣使用。

3)通過設計指導裝卸設備軌道安裝工藝的改進，如預設合理的初始鋼軌軌距和可調預留量等，可降低運營期“啃軌”等現象的出現，減少裝卸設備后期維護成本，提高港口作業效率。

4)結合歐洲規范，在設計過程中考慮碼頭結構的不均勻水平位移，評估自動化碼頭不均勻位移對裝卸設備運營的影響，可為同類碼頭設計提供有效參考。