复杂软基条件下自动化堆场沉降控制的思路和方法

2018-05-04王跃全

城市道桥与防洪 2018年4期

王跃全

（上海市交通建设工程安全质量监督站，上海市 200120）

0 引言

上海国际航运中心洋山深水港区四期工程岸线全长2 350 m，建设7个5～7万t泊位（水工结构按靠泊15万t级集装箱船设计），后方陆域总面积223.16万m2，设计年通过能力630万标准箱。工程定位于全自动化集装箱码头，堆场按垂直于码头前沿线布置，共61列箱区，全自动化工艺解决方案采用“双小车岸桥+AGV+ARMG”，堆场内使用31 m跨距的自动化轨道式龙门起重机ARMG自动装卸作业，自动导引车AGV在码头堆场之间实现岸桥与ARMG间的自动化作业交接，港外集卡则在堆场外侧与ARMG进行集装箱交接。

洋山四期工程建设用地为外海岛屿吹填造陆形成，东西两端分别是颗珠山岛、大乌龟岛，2004年完成东海大桥颗珠山海堤形成港区北边界，南侧边界为四期工程码头接岸结构的挡土墙。港区陆域包括了3种完全不同的地质类型（见图1），近90%为吹填形成，其中A区为开山爆破区；B区、C区均是开山炸石回填的硬质地基和吹砂形成的软土地基，主要作为集装箱堆场使用；下卧层分布着海相沉积的深厚软土，强度低、变形大，给工程的设计与施工带来许多困难。

图1 洋山四期港区陆域分区示意图

1 沉降控制思路

1.1 地基情况

洋山四期工程陆域部分主要为深厚软土层的吹填土地基，地质条件复杂。下卧软土层深厚，一般厚20～40 m，局部最厚处达62 m，软土层底板标高深－50～－60 m左右，多个分层均属高含水量、高压缩性灵敏软土，物理力学性质较差，是引起变形的主要不良土层。上覆吹填土为长江口砂，回填标高为+7.0 m左右，回填层平均厚度约17 m，最大回填厚度达30 m。回填层初期承载力仅为80～120 kPa，当受到循环剪应力的作用时，易产生液化现象，从而导致地基破坏。

在软弱地基基础上建设全自动化码头，并做到工期可控、经济合理，满足集装箱堆场运行的严苛要求，地基基础沉降是首先需要面对和处理的难题。按照自动化堆场装卸工艺，设计要求地基承载力[R]≥150 kPa。经计算，在陆域地基未加固情况下，受回填层自重荷载和使用荷载的叠加作用，堆场将产生0.87～5.04 m的沉降量，全区平均沉降量3.14 m。其中回填层造成的沉降占90%以上，而后期堆箱使用荷载引起的沉降量占10%左右。洋山四期工程天然地基采用了插塑料排水结合堆载预压的加固方案，以加快天然地基排水加固。回填层地基则主要采用强夯、振冲的加固方案，以此实现提高地基承载力，防止回填层地基液化，减小地基工后沉降，提高路基密实度的目标。

1.2 控制思路

经多方论证，洋山四期陆域的沉降控制提出以下思路：

（1）考虑到地基下卧层软弱，且区域内吹填区与开山区交错，吹填层厚薄不一，有部分吹填层由于超深未实施插打塑排加固。将尽量减小工后沉降、控制不均匀沉降作为主要目标，即工后不均匀沉降梯度≤0.5%。

（2）吹填土地基的沉降客观存在，地基加固后仍有残余沉降，并且时间效应较长，沉降控制方案应综合考虑效果、投资和工期，施工期沉降采取二次施工方式解决。

（3）分施工期、调试使用期两个阶段实施沉降观测，定期调整堆场轨道吊轨道位置和标高，保证运行要求。

2 地基加固效果

为检验加固效果，选择B区设置观测点，埋设磁环进行分层沉降观测。分层沉降标采用钻孔埋设，钻孔垂直偏差率不大于1.5%，分层沉降测点间距为4 m，底层2 m。埋设后磁环实测原始标高见表1。陆域分层沉降点沉降曲线见图2。

表1 沉降观测磁环原始标高 m

图2 陆域分层沉降点沉降曲线图

沉降观测自陆域形成完成后实施，自2012年7月5日设点开始至2014年11月22日。图2曲线显示，初始阶段（包括地基加固施工阶段）沉降较快，施工后绝大部分陆域的沉降速率已基本稳定,曲线呈收敛状态，后期所有测点连续5个月沉降均小于20 mm，沉降绝对值及梯度满足要求。数据表明洋山四期工程的地基加固方法取得了预期效果，主要沉降已完成，场地具备施工条件。

3 轨道基础结构选型

自动化集装箱堆场主要由堆场与ARMG轨道（含基础）组成。堆场采用“箱条基+三渣层”基础，此结构为上海地区港口堆场的常用结构，在外高桥港区、洋山一期～三期等工程中应用广泛，已具有成熟的设计和施工经验。自动化堆场内实施堆箱作业的ARMG，根据装卸作业效率需求，最快运行速度达240 m/min，对轨道的安装精度和平整度、顺直度要求很高[1]。考虑堆场仍存在残余沉降和不均匀沉降的实际情况，轨道基础的选型必须适应沉降影响，这是实现自动化堆场功能和控制运营维护费用的关键所在。

3.1 轨道基础结构主要形式

目前国内能较好解决不均匀沉降问题的ARMG基础形式主要有以下3种：

（1）桩基轨道梁基础（刚性基础），通过设置桩基达到消除沉降和不均匀沉降的目的。

（2）轨枕道碴基础（柔性基础），通过调整道碴厚度解决使用期产生的整体沉降和不均匀沉降问题。

（3）可调节弹性地基梁基础，通过调节基础与钢轨间的上、下层钢板达到协调不均匀沉降的目的。

3.2 轨道基础设计方案

设计提出轨道基础0.5%沉降梯度的控制标准，经测算陆域大部分区域经加固后，残余沉降基本不影响ARMG正常运行，故上述3种方案均具可行性。

桩基轨道梁方案在运营期的使用效果比较理想，但投资高、工期长，开山区、块石回填区和吹填区围堤部位施工难度大，并且与轨道周边箱区沉降差大等，存在诸多不利因素，不是最适合洋山自动化堆场的最佳方案。两种可调整的轨道基础型式，经过初期调整均可满足运营期的正常使用要求，在投资、工期等方面更有优势。轨枕道渣方案和可调式轨道梁方案在调整不均匀沉降能力方面各有千秋，前者对于调整较大的不均匀沉降作用明显，而后者则适用于需进行微调、精度较高的场合。

综合考虑陆域地基实际和自动化轨道控制指标要求，结合两种可调方案的优点，组合形成“带槽（U型槽）轨枕道砟+可调基座”方案[2]（见图3），轨枕道砟基础上部为32 cm厚预制轨枕，通过压件与钢轨连接，下设650 mm厚的道碴基层。该方案能很好适应洋山四期的地基特点，同时经济指标好，相对桩基方案投资节约明显。

图3 双重可调式轨道基础示意图

4 沉降控制效果

4.1 施工期

施工期沉降观测每条轨道布设3处，分别位于南北两侧车档预埋钢板和中间锚定预埋钢板上，平均每个月测量1次，表2为施工期典型箱区测点沉降数据。轨道槽（包含联合基础）实行二次施工，第2次浇筑前，通过沉降观测数据预留沉降量，适当调整并确定各箱区轨道预埋板的施工安装标高，由此最终形成各箱区轨道安装及精调标高[3]。

表2 施工期典型箱区测点沉降数据统计表

根据沉降观测数据，施工期情况分析如下：

（1）自动化箱区大部分区域的施工期沉降量基本在50 mm以内，且不均匀沉降坡比控制在0.1%～0.4%范围内，总体沉降情况与预计基本一致。最后箱区平均沉降量控制在5 mm/月以内，施工期沉降趋于稳定。

（2）轨道基础施工期间发生的沉降量通过轨道槽（联合基础）二次施工等手段已基本消除，仅少数抛石区无法进行插打塑排进行深层加固的区域沉降尚未稳定。轨道基础最后完工标高与设计标高基本相符，保证了轨道安装精度。

4.2 调试使用期

按计划自动化码头调试期1年左右，轨道吊将分别进行空载、重载调试运行，在部分箱区进行了集装箱堆存作业。为全面客观掌握工后沉降情况，并监控工程营运期道路堆场和轨道等设施设备安全，保证自动化码头的可靠运行和后续调整工作实施，需要继续开展使用期沉降位移观测工作，同时可以掌握轨道槽与钢轨的沉降差值，并由此验证道砟密实情况。

调试箱区每条钢轨顶部每间隔20 m左右布设1处，同时在钢轨对应的轨道槽墙身顶部也布设1处，掌握调试期间沉降变化情况。所有轨道沉降观测点全部进行初测，并记录现有标高情况。后续稳定以后，每根轨道南北两侧车档和中间锚定基础位置设永久观测点铜钉。观测结合维护工作实施，沉降尚未稳定、差异沉降比较明显需重点关注的箱区初期安排1个月测量一次，对于沉降相对稳定的箱区可适当延长观测间隔时间，最长不超过2个月。后续观测频率及具体结束观测沉降时间根据实测数据分析后确定。表3、表4分别为调试使用期中43#箱区及其余箱区测点沉降数据。