自動化集裝箱碼頭綜合管溝結構設計

劉 毅

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510290)

目前我國港口工程中的管線主要采用直埋方式敷設，雖然這種敷設方式設計方案成熟、施工簡單、投資小，但管線的直埋方法存在明顯的弊端，主要缺點有：1)不利于發現管線的損壞，由于直埋式管線檢測儀器的局限，不容易及時發現管線破裂，導致延誤最佳維修時機，造成一定的損失和惡劣影響；2)維修或更換管線的成本高；3)管線敷設和維護均需要進行開挖，影響場地使用，也可能對相鄰管線造成破壞[1-2]。

廣州港南沙四期工程是大灣區首個全自動化集裝箱碼頭，為解決上述港區管線直埋的弊端，該工程借鑒城市綜合管廊的設計思路，共建設約3.7 km綜合管溝，同時將電氣、給排水、通信等管線納入其中，解決了上述管線直埋敷設的問題。

1 工程概況

1.1 工程地質

根據地質勘察報告，對綜合管溝結構設計相關的工程地質可劃分為4層，分別為：

1)處理后的淤泥：包括原狀淤泥吹填的疏浚土，已采用真空預壓進行地基加固，平均厚度約13 m。

2)黏土：厚度在0.4～8.3 m之間變化，濕、中等-硬、切面稍光滑、黏性較好，以黏性土為主，局部混少量細砂。

3)黏土-粉質黏土：厚度在0.4～7.0 m之間變化，灰白色、黃褐色、飽和、中等-硬、稍具黏性，局部含鐵質膠結碎塊及較多細砂。

4)黏土：厚度在0.5～12.8 m之間變化，灰色、濕、中等、以黏土為主、切面較光滑、黏性較好，局部夾薄層細砂。

1.2 設計水位

本項目原地形為海域，采用吹填成陸的方式形成陸域，并進行地基處理。成陸后地下水主要受海水補給，因此地下水位參照海水潮位進行設計。設計水位采用以下數值：設計高水位(高潮10%)：3.24 m；設計低水位(低潮90%)：0.53 m；極端高水位(50 a一遇)：4.57 m；極端低水位(50 a一遇)：-0.10 m。

1.3 地震烈度

本項目場地處于地震基本烈度Ⅶ度區，地震動峰值加速度為0.10g。

2 設計荷載

1)龍門吊。龍門吊跨距31 m(帶單側外伸懸臂，軌距內跨10排箱)，4個輪/腿，輪距1.05/1.35 m，基距17 m。設計荷載按工作狀態考慮，最大輪壓370 kN，下設鋼軌(明軌)。

2)集裝箱正面吊運車。正面吊運車設計荷載按空載考慮，前軸輪壓100 kN/輪，后軸輪壓200 kN/輪；前輪每個輪胎接地面積46 cm×22 cm，后輪每個輪胎接地面積46 cm×43 cm。

3)無人駕駛集卡。按工作狀態考慮，無交互作業時最大輪壓125 kN，接地面積約1 312 cm2。

4)集裝箱牽引半掛車。滿載時前輪輪壓20 kN/輪，后輪輪壓70 k N/輪。

3 結構設計

3.1 設計特點

與城市綜合管廊相比，港口工程中的綜合管溝主要具有以下特點[3]：1)容納管線數量相對較少，單艙管溝足以容納。2)港口工程運營情況復雜，綜合管溝下穿多個不同區域，其上的設計荷載也各不相同。在港口中，管溝需下穿龍門吊軌道梁，鋼軌傳遞的上部荷載極大；港區道路上行走的是無人駕駛集卡和集裝箱正面吊運車，其路面荷載遠大于城市道路。3)與城市綜合管廊主要沿道路敷設不同，港口綜合管溝主要穿越港區堆場，可結合堆場區的平面布置設置不同的結構形式。4)城市綜合管廊一般沿線200 m左右設置管線交互節點，港口綜合管溝由于與外部電纜溝、變電房、消防栓等用水、用電設施交互頻繁，節點密集。

根據以上特點，結合港口堆場布置，綜合管溝沿道路側邊布置，沿線穿過港區道路、堆場側邊空地和軌道梁，因此分為暗埋段、蓋板段和軌下段3種主要的結構形式，見圖1。1)暗埋段：為綜合管溝的最主要斷面形式，主要位于需下穿港區道路、碼頭前沿作業、堆場以及其他需暗埋的區域。2)蓋板段：主要位于堆場區，由于港區道路轉彎半徑的要求，在每塊堆場的兩端存在一塊空地，不堆置集裝箱，也無車輛通行要求，屬于未被利用的區域。為充分利用港區土地，在綜合管溝穿過此區域時，將管溝上沿抬高伸出地面，在頂部設置1 m寬的開口，并用鋼蓋板進行封蓋。蓋板段沿綜合管溝延伸方向布置，布置間距約30～60 m，長度約13 m。在管溝內管線安裝施工期間，蓋板段可作為施工人員出入的通道，水管和電纜線都可通過此處下料安裝；在管溝運營期間，通過打開鋼蓋板可以起到供檢修出入、通風、采光照明等作用。3)軌下段：主要位于龍門吊軌道梁下方，其頂部兼做軌道基礎，上部直接承載龍門吊鋼軌。

圖1 綜合管溝沿線結構形式

3.2 暗埋段設計

為減小土方開挖和配合蓋板段，本項目管溝不宜深埋，因此覆土厚度較小，下穿道路時上部直接與路面結構相接，直接承受上部路面荷載。經研究分析，路面荷載以正面吊運車后輪壓荷載最大，以此作為結構設計荷載輸入條件。暗埋段結構斷面見圖2，采用現澆C35鋼筋混凝土結構，內部尺寸寬2 m，高2.35 m。管溝側墻厚度30 cm，底板和頂部厚度均為40 cm，為提高抗浮能力和減小基底壓力，底板兩側外挑40 cm。由于基底所在持力層為真空預壓處理后的吹填淤泥，地基承載力尚有欠缺，因此在采用底板外挑措施以外，底部還設置C15素混凝土墊層和60 cm厚碎石墊層。

圖2 暗埋段結構斷面

3.3 蓋板段設計

蓋板段主要位于堆場邊緣，距離最近的箱腳梁基礎邊緣約4.4 m，按土壓力理論，箱腳梁荷載對管溝結構影響較小。管溝頂部為防止雨水倒灌，頂板伸出地面30 cm高度，車輛無法通行，管溝上部和鋼蓋板僅考慮人行荷載，因此蓋板整體所受荷載較小。蓋板段結構斷面見圖3，采用現澆C35鋼筋混凝土結構，內部尺寸寬2 m，高2.35 m。管溝底板厚40 cm，側墻和頂板厚30 cm，頂部設1 m寬條帶式開口，采用鋼蓋板封閉，底部設置C15素混凝土墊層和40 cm厚碎石墊層。

圖3 蓋板段結構斷面

3.4 軌下段設計

軌下段位于堆場區龍門吊軌道梁下方，龍門吊在臺風期間最大輪壓將達到485 kN，但臺風期間龍門吊應鎖定，且需避開綜合管溝下穿的位置，因此在結構設計時應反饋相關專業考慮。結構設計時以正常工作狀態輪壓作為荷載輸入條件，考慮頂部鋼軌的分攤荷載作用，進行計算時，可將單腿4輪荷載轉化為均布荷載作用于箱涵頂部考慮。軌下段結構斷面見圖4，采用現澆C35鋼筋混凝土結構，結構內部尺寸與暗埋段相同，底板厚度為40 cm，頂板厚度約58 cm，側墻厚度30 cm，底部設置C15素混凝土墊層和30 cm厚碎石墊層，地基采用水泥攪拌樁復合地基，頂部設置軌道扣件螺栓預留鉆孔，用于鋪設鋼軌。

圖4 軌下段結構斷面

3.5 交互節點設計

港口綜合管溝中水電管線與溝外的用水、用電設備交互頻繁，因此沿線需設置大量的管線交互節點，節點的位置主要根據堆場內電纜溝、用電設備、消防設施等進行布置，間距約30～80 m。節點主要設置于暗埋段，結構平面形式見圖5a)，在暗埋段標準斷面的基礎上，兩側溝壁逐漸外擴1.3 m，在增擴空間中，管線分散從不同的套管中穿過管溝外墻。節點中部在原外墻位置設置鋼立柱，用于安裝管線托架，因此節點中部區域管線、托架布置斷面與標準段相同，其結構斷面形式見圖5b)。部分出線口臨近軌道梁，存在軌道梁橫跨節點的情況。由于鋼軌傳遞的荷載較大，因此對軌道梁下方的節點區段采用3艙箱涵結構，中間設置300 mm厚的立柱墻，對頂、底板起支撐作用，中間孔的尺寸與暗埋段相同，管線托架的布置也與之相同，兩側孔洞寬度1 m，其結構斷面形式見圖5c)。由于其位于軌道下方，管溝壁外側即為軌道梁基礎，不存在管線進出的要求，因此立柱墻的設置并不影響節點的管線交互功能。

圖5 交互節點設計

3.6 防水設計

本項目位于海邊，地下水由海水直接補給，盡管地基為真空預壓處理后的淤泥，屬于弱透水層，但表層存在約1.5 m厚用于提高地面承載力的砂墊層，因此管溝受地下水影響較大，在結構設計中仍需重點考慮結構防水。與城市綜合管廊不同，港區綜合管溝容納的管線數量有限，其巡查、檢修頻率遠低于城市管廊，根據GB 50108—2008《地下工程防水技術規范》，適用范圍為人員臨時活動的場所，防水等級可按三級考慮(城市綜合管廊防水等級二級)。因此本項目管溝主體結構采用防水混凝土，施工縫采用鋼板止水帶，變形縫采用中埋式橡膠止水帶，施工縫和變形縫外側均額外設置一層外貼式防水卷材加強層，防水構造見圖6。

圖6 防水構造

3.7 排水設計

管溝中的水主要來源于大氣降水時從蓋板段鋼蓋板縫隙間以及管溝側壁的滲漏水，水量不大，但為防止日積月累，仍需設置專門的排水系統將管溝內積水排出。為了與管溝外部直埋的管線配合，港區內場地與管溝高程一致，無法通過管溝自身坡度排水。因此，在管溝中采用水泥砂漿找坡，在橫斷面上，按0.5%坡度向一側匯水，并在坡底設置寬0.2 m、深0.1 m的排水溝。在縱斷面上，沿管溝每100 m設置1個坡頂點，向兩側按0.5%的坡度找坡，在坡底設置集水坑，并安裝自啟動抽水泵，將積水抽排至管溝附近的雨水管中。

3.8 地基設計

管溝的地基主要為真空預壓處理后的淤泥，地基承載力約70～80 kPa，滿足蓋板段的地基承載力要求，但對于暗埋段和軌下段承載力均不足。其中暗埋段主要下穿道路，上部承受路面荷載，地基處理方案可考慮2種不同的思路：一是對地基本身進行加固，采用水泥攪拌樁形成復合地基，提高地基的承載力；二是采用底板外挑的形式，增加基礎下方的換填墊層厚度，減小淤泥表面所受荷載。方案1可有效提升地基強度，但同時也會大幅度提高地基剛度，但由于港區道路均采用天然地基，如果橫穿道路的綜合管溝采用復合地基，運營期間兩者在受同樣使用荷載的情況下，必然產生較大的差異沉降，影響道路使用。因此本項目采用第2種處理方式，經造價對比，方案2也更具有經濟性。

軌下段的上部荷載較大，無法采用方案2的處理方式，與之相連的軌道梁地基采用攪拌樁復合地基。采用復合地基的軌下段與采用天然地基的暗埋段地基剛度不等，造成兩者之間的差異沉降較大。為解決此問題，延軌下段向兩側的暗埋段采用漸變式的復合地基過渡，復合地基的置換率不變，樁長逐漸縮短，直至過渡至天然地基，過渡形式見圖7。

圖7 軌下段復合地基漸變式過渡

4 施工方法

由于綜合管溝的基槽開挖深度較淺，采用明挖施工最為合適，施工方法主要考慮主體結構的施工方式，進行現澆施工和預制裝配施工的比選。

現澆施工作為傳統鋼筋混凝土結構施工工藝，具有非常明顯的優缺點：1)鋼筋綁扎、混凝土澆筑均在現場完成，整體性較好；2)設計、施工到維護全過程經驗成熟，規范、標準齊全；3)現澆施工需要在現場進行混凝土養護，所需時間較長。

預制安裝施工作為新發展起來的施工工藝，主要特點是：1)主體結構在預制廠完成，成品質量較好；2)在場外預制，場內安裝，施工速度仍比現澆施工快速；3)需額外考慮預制工廠和堆放場地；4)單個管節長度較短，接縫多，接縫處的防水受不均勻沉降的影響較大。

結合項目的實際情況，對上述2種施工方法進行了比選。首先，港區地基為真空預壓處理后的淤泥，之后存在次固結沉降，用現澆工藝可一次性澆筑長段管節，減少變形縫的數量，減少漏水的可能性。其次，綜合管溝的交互節點較多，且不規則，需要預埋大量的穿墻套管，各節點套管數量也不一致，難以采用預制安裝施工，只能采用現澆施工。最后，現場用地緊張，缺少預制構件堆放場地，如堆放較遠，將額外增加工程費用。綜上對比，最終采用了較成熟的現澆工藝施工。

5 結語

1)港口工程中采用綜合管溝容納給排水、電氣、通信等管線，通過整體淺埋的方式，并結合堆場布置沿線設置蓋板段，可以解決人員出入、投料、通風、照明等問題，能充分利用港區土地，節省造價。

2)自動化碼頭中，綜合管溝需要下穿軌道梁、道路、堆場等區域，軌道梁荷載較大，堆場荷載較小，地基基礎設計中應充分考慮沿線荷載的差異，采用外挑底板、換填、復合地基及過渡段等方式，減少不均勻沉降。

3)管溝內管線與外界交互頻繁，管溝沿線節點較多，其形狀不規則，側壁預留穿墻套管的位置也不一樣，適合采用現澆施工，或結合項目特點采用節點段現澆，標準段預制安裝的施工方法。

4)由于蓋板段的設置和管溝防水等級的降低，管溝內必然會滲水積水，結構設計時需考慮匯集積水，并結合港區給排水設計將溝內積水排出溝外。