自動化集裝箱碼頭港區道路鋪面結構設計

陳 欽，岑學徐

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510290)

隨著智能駕駛技術的發展，越來越多的新建或改建的集裝箱碼頭也開始嘗試從傳統的人工作業轉入自動化作業，從而促使港區內作業車輛從集裝箱拖掛車升級為智能引導車(intelligent guided vehicle，IGV)。根據IGV的特點，對港區道路鋪面的結構設計也提出新的要求。本文結合欽州港自動化集裝箱碼頭工程，針對IGV的特點和使用要求，對IGV行駛的港區道路進行鋪面結構設計探討。

1 自動化碼頭港區道路的特點

1.1 采用IGV進行水平運輸

自動化集裝箱碼頭港區道路與傳統集裝箱碼頭相比主要的特點有：1)采用IGV替代集裝箱拖掛車進行集裝箱從碼頭作業區到堆場區之間的水平運輸；2)IGV行駛通道交通渠化嚴重，車輛對路面的作用次數頻繁，對鋪面結構的適用性及耐久性提出更高的要求；3)IGV不同的定位方式對路面結構的選型和構造措施提出不同的要求。

欽州港自動化集裝箱碼頭工程采用IGV替代集裝箱拖掛車進行集裝箱從碼頭作業區到堆場區之間的水平運輸[1]。每輛IGV有4個軸，軸距從前至后分別為1.65、6.00、1.65 m，每個軸有2個輪，輪距為2.56 m，見圖1。無交互作業時IGV最大輪壓為125 kN，與岸橋主小車交互作業時IGV最大輪壓為145 kN，與海側交互區軌道吊小車交互作業時IGV最大輪壓為135 kN。傳統的集裝箱拖掛車最大輪壓為70 kN，最大軸壓為280 kN。因此，IGV與傳統的集裝箱拖掛車荷載相比，最大軸壓差別不大。

圖1 IGV車輛(單位：m)

1.2 IGV行駛的道路交通渠化嚴重

自動化集裝箱碼頭作業效率遠高于常規集裝箱碼頭，且IGV行駛路線相對固定，交通渠化嚴重，故在道路鋪面設計年限內IGV的累計作用次數遠高于常規集裝箱拖掛車，IGV作業區鋪面結構設計時面層厚度往往比普通集裝箱拖掛車的更厚。

1.3 IGV定位方式的特點及要求

自動化集裝箱碼頭IGV定位方式可分為磁釘定位和北斗衛星定位。

IGV采用磁釘定位時，需要在鋪面結構內預埋磁釘，磁釘在橫、縱方向均為每2 m布置1個，局部位置條件受限時可以微調。為了避免金屬干擾磁釘的信號，在磁釘的周圍水平直徑100 mm、深度100 mm范圍內不能有金屬，見圖2。

圖2 磁釘埋設要求(單位：mm)

IGV采用北斗衛星定位時，需要在鋪面結構表面設置交通標線進行視覺識別輔助定位，須保證自動化水平運輸設備的行駛平順性和交通標線的整齊連續。

2 自動化集裝箱碼頭的港區道路鋪面結構設計要點

2.1 港區道路鋪面結構選擇

自動化集裝箱碼頭采用IGV進行集裝箱的自動化水平運輸，對港區道路鋪面結構的選型也有新的要求。IGV輪壓較大、行駛路線較固定、交通渠化嚴重，對鋪面的平整度、耐久性、強度要求較高，IGV作用下的港區道路鋪面結構類型可選用現澆混凝土鋪面或者瀝青混凝土鋪面。這兩種鋪面各有優缺點，其中混凝土鋪面具有平整度好、強度高、耐久性好等特點，但對地基要求高，地基不均勻沉降時容易導致開裂；瀝青混凝土鋪面具有行車舒適、平整度好、適用變形能力強等特點，但使用年限相對短，IGV荷載大且路線較固定，長期作用下瀝青鋪面易產生車轍。自動化集裝箱碼頭運行效率高且全天運行，選擇鋪面結構時應考慮使用年限高、耐久性強的鋪面。若鋪面使用年限短，需要長期維護的鋪面會影響IGV運行，進而降低自動化集裝箱碼頭的效率，造成不利影響。因此，建議選擇強度高、耐久性好、平整度高的混凝土鋪面結構。必要時，可在混凝土面層中摻加聚丙烯纖維，提高局部抗壓承載能力和減少混凝土面層裂縫。

2.2 路面結構設計

當IGV采用磁釘定位時，布置有定位磁釘區域的鋪面及構筑物結構設計應充分考慮鋼筋、護邊角鋼等金屬物對設備定位準確性的影響[2]。當采用現澆混凝土面層時，由于現澆混凝土在分縫處設有傳力桿和拉桿、在道路邊緣處設有邊緣鋼筋和港區道路溝井的四周混凝土面層板設有加強鋼筋，為了避免對磁釘的定位影響，在磁釘周圍水平直徑100 mm、深度100 mm范圍內不能有金屬，此處的設計是個難點。

針對這種情況，目前考慮2種方法：1)把傳統鋼筋換成FRP筋(玻璃纖維增強復合筋)[3]。FRP筋可與混凝土一起承受荷載，與普通鋼筋相比，其抗拉強度標準值更高，但考慮環境影響系數和材料分項系數后，FRP筋的抗拉強度設計值會下降較大。其優點為屬于非金屬材料，不影響磁釘，具有較好的抗腐蝕性。其缺點是價格貴，大概是普通鋼筋的2.5倍，而且不能焊接和現場加工處理，性能受溫度影響大，耐久性有待研究。2)結合磁釘在道路的布置特點，在混凝土的分縫和溝井的設置上進行避讓設計。此設計的優點是無需采用昂貴的鋼筋替代品，節省工程費用，鋼筋的性能也比FRP筋穩定，耐用性更好。但此方法對混凝土的分縫和溝井的設置提出比較高的要求，需要在設計上進行多專業的溝通協調和在滿足規范要求上進行合理避讓設計。欽州自動化碼頭工程采用第2種方式進行設計，經過混凝土面層的合理分縫和溝井的避讓設計，成功地完成磁釘在混凝土路面內的設置。

當采用北斗衛星定位時，需要在鋪面結構表面設置交通標線進行視覺識別輔助定位，為保證IGV的行駛平順性以及交通標線的整齊連續，鋪面結構可選用現澆混凝土鋪面或瀝青混凝土鋪面。當采用現澆混凝土鋪面時，現澆混凝土鋪面分縫設計應提前考慮道路上標線的布置，混凝土路面板分縫應避開標線，以免分縫從標線內穿過，影響視覺識別輔助定位的準確性。為減少鋪面顏色和標線顏色產生干涉，影響自動化水平運輸設備的視覺識別系統的準確性，當采用現澆混凝土鋪面時建議采用黃色標線，當采用瀝青混凝土鋪面時建議采用白色標線。

2.3 道路平整度

IGV對道路的平整度要求高，道路若不平整，IGV上下振動容易造成設備損害、定位不準確、行駛路線偏移等不利影響，因此應盡量避免。軌道槽容易引起IGV跳車、振動，影響IGV的使用壽命及定位系統，首先從平面布局上避免軌道梁等結構橫穿道路；其次提高港區道路差異沉降控制標準[4]，避免差異沉降引起的道路不平整；最后在鋪面結構的設計上可選用平整度高的現澆混凝土或者瀝青混凝土鋪面結構。

3 IGV荷載作用下的港區道路鋪面結構的計算分析

3.1 荷載定義

以欽州港自動化集裝箱碼頭工程為例進行計算分析，其港區道路主要行駛IGV，IGV在不同作業工況下輪壓有所變化，本文的荷載模型以145 kN的輪壓為例，采用軟件計算荷載當量單輪荷載，IGV輪壓荷載布置見圖3。

圖3 IGV輪壓荷載

3.2 荷載作用次數

流動機械年運行次數應通過調查分析確定。當無資料時，根據港口裝卸工藝流程，流動機械類型和行走路線等情況，按《港口道路與堆場設計規范》的公式確定第i種流動機械荷載年運行次數Ni，公式為：

Ni=ZiWiψΔ/(ωint)

(1)

式中：Zi為第i種流動機械的裝運量擴大系數；Wi為第i種流動機械的每年所分擔的貨運數量；ψ為不平衡系數；Δ為輪跡重疊系數；ωi為第i種運輸車輛的裝卸量；nt為可以分流的道路(通道)條數。

IGV在自動化碼頭中運行路線較為固定，車輛類型較單一，也可通過車輛運行路線仿真確定流動機械荷載年運行次數。

3.3 結構組合及材料參數

欽州港自動化集裝箱碼頭港區道路鋪面結構采用混凝土鋪面，結構自上而下分別為水泥混凝土面層、水泥穩定碎石基層、級配碎石底基層。水泥混凝土面層標準板邊長為4 m。水泥混凝土28 d齡期的彎拉強度設計標準值fr，c為5.0 MPa。鋪面結構材料參數見表1。

表1 鋪面結構材料參數

3.4 驗算指標

水泥混凝土鋪面須驗算其結構抗斷裂性能是否滿足需要?？刂泼鎸影迤跀嗔训臉O限狀態方程為：

γpσc≤knkTkyfr，c

(2)

式中：γp為鋪面結構設計的結構等級系數；σc為設計標準單輪荷載產生的面層板最大彎拉應力；kn為流動機械重復作用的水泥混凝土彎拉強度的疲勞折減系數；kT為考慮溫度應力的折減系數；ky為水泥混凝土彎拉強度的齡期增長系數；fr.c為28 d齡期的水泥混凝土彎拉強度設計值。

3.5 計算結果

確定港區道路鋪面結構參數條件后，采用港口鋪面結構計算軟件分析，確定鋪面結構厚度。

經計算分析，欽州自動化集裝箱碼頭工程港區主干道采用360 mm厚現澆水泥混凝土面層、200 mm厚水泥穩定碎石基層、200 mm厚級配碎石底基層；軌后IGV裝卸作業通道采用400 mm厚現澆混凝土面層、250 mm厚水泥穩定碎石基層、200 mm厚級配碎石底基層。

4 結論

1)自動化集裝箱碼頭的港區道路與普通的集裝箱碼頭的港區道路相比，對港區道路鋪面的平整度、強度、耐久性要求更高，且有IGV定位要求。鋪面類型建議選用強度大、耐久性好、平整度高的混凝土鋪面結構。

2)對于IGV采用磁釘定位時磁釘周邊不可以有金屬的特殊要求，可根據磁釘在道路上的布置特點，在混凝土的分縫和溝井的設置上進行避讓設計。對于IGV采用北斗衛星定位時，在鋪面結構表面設置交通標線進行視覺識別輔助定位，混凝土路面板分縫時應避開標線，避免分縫從標線內穿過，并且在現澆混凝土鋪面上建議采用黃色標線，在瀝青混凝土鋪面上建議采用白色標線。

3)對于IGV行駛的道路，盡量避免導致路面不平整的因素，如從布局上減少各種溝槽橫穿道路；地基處理到位，避免不均勻沉降；選用平整度高的鋪面結構。

4)對于IGV荷載作業下的港區道路的鋪面結構厚度設計，可采用《港口道路與堆場設計規范》相關公式進行計算確定。