顺岸式自动化集装箱码头堆场布局设计

陈 培 武 彬 张 煜 唐 欣

1 天津港第二集装箱码头有限公司 2 武汉理工大学交通与物流工程学院

1 引言

天津港作为我国北方最大的综合性主枢纽港之一，自动化程度较高，但仍存在集装箱作业效率低、堆场布置受限等问题。因此，如何优化堆场布置、扩大堆场容量，是港区布置需要解决的难点。

纵观国内外发展势态较好的自动化集装箱码头，堆场布置形式主要包括平行于岸线布置和垂直岸线布置2种形式[1-3]，其中，国外大部分港口采用堆场垂直于岸线的布置形式，如德国汉堡CAT集装箱码头[4]、荷兰鹿特丹港Euromax码头[5]和巴塞罗那BEST码头[6]，我国港口堆场选择平行于岸线布置形式的居多，如厦门远海自动化码头、厦门港海润码头、广州南沙四期码头和深圳妈湾港等[7]。2种布置形式各有特点，需根据港区实际情况进行选择。因此，结合天津港北疆港区新建C段智能化集装箱码头“大进大出”的特点，在比较分析2种自动化码头堆场布置方案后，确定采用堆场平行于岸线的布置方案。

2 自动化堆场垂直于码头岸线布置方案

2.1 工程概述

为更好服务京津冀协同发展和共建“一带一路”，天津港启动北疆港区C段智能化集装箱码头工程建设(见图1)，工程规划C段码头岸线总长1 100 m，码头堆场纵深约752 m。

图1 天津港北疆港区C段智能化集装箱码头

为合理设置堆场不同类型箱区比例，在综合分析近年来天津港集装箱进出港数据的基础上，得出不同类型集装箱构成情况(见表1)。

表1 集装箱构成比例

2.2 堆场布置

自动化堆场呈纵向布置(见图2)，从距码头前沿线114 m处开始按集装箱箱型组成比例布置自动化堆场。堆场空、重箱混堆，冷藏箱分4块区域集中堆放，共布置29条作业线，每条作业线配置2台无悬臂自动化轨道式集装箱龙门起重机(以下简称ASC)，单条作业线长度约441.5 m(箱区长度48 TEU)。

图2 堆场垂直岸线布置

自动化堆场装卸设备采用无悬臂ASC，轨距28.5 m，海侧ASC起重量61 t，配置29台；陆侧ASC起重量41 t，配置29台，轨距内布置9排箱，堆箱高度“堆6过7”。每条作业线两端设置海侧集装箱交换区、陆侧集疏运交换区以及ASC维修区，ASC维修区面积保证一台ASC维修或故障停机时，不影响另一台ASC正常作业。

装卸船设备采用双小车双20 ft岸桥，码头与海侧交换区之间的水平运输设备采用自动跨运车。自动化堆场与陆侧集疏运交换区之间的水平运输设备及陆侧集疏运交换区集装箱拖挂车装卸车设备采用ASC。本方案ASC采用轨内9排箱的无悬臂ASC，集装箱拖挂车在陆侧集疏运交换区倒车入位。堆场和无悬臂ASC行走方向垂直于码头岸线布置，组成“双小车双20 ft岸桥+自动跨运车+无悬臂ASC”的垂直端装卸方案。

为完成设计年吞吐量为250万TEU的堆场作业任务，堆场垂直布置方案为码头配置58台无悬臂ASC、10台双小车双20 ft岸桥和30台自动跨运车。

2.3 方案缺点

该布置方案在运行过程中存在一些不可忽视的缺陷。垂直端装卸模式将水平运输装卸箱及外集卡集疏运装卸点集中，装卸点相对少，导致陆侧交通组织较困难。同时堆场自动化轨道式集装箱龙门起重机(ARMG)需带箱长距离输送集装箱，能耗高且海陆侧装卸作业及集疏运较难以互相支援。

结合以往研究数据，垂直布局下的集装箱码头比水平布局更易产生交通瓶颈，因此在选择集装箱码头平面布局时应慎重考虑垂直式布局[8]。

3 堆场平行于码头岸线布置方案

3.1 堆场布置

自动化堆场呈横向布置(见图3)，从距码头前沿线121 m处开始按集装箱箱型组成比例布置自动化堆场。堆场空、重箱混堆，3个堆场(每个堆场8条作业线)共布置24条作业线，由右至左依次是A场、B场、C场，由上至下依次是作业线1至8，共组成1A到8C这24个箱区，在8A、8B后方各布置1个预留堆场，占用陆域纵深441.5 m。其中冷藏箱分3块区域分散布置，分别位于8A右侧8AR，7C左侧7CR和8C左侧8CR，并且在1A右侧布置了1个变电所。箱区根据实际空间布置情况，按不同比例堆垛20 ft、40 ft集装箱，普通箱区将40 ft箱放置在箱区两端，20 ft箱放置在箱区中部；冷藏箱区按1个贝位40 ft箱，2个贝位20 ft箱交叉堆垛。不同规格集装箱在箱区的堆垛比例见表2。

图3 堆场平行岸线布置

表2 不同规格集装箱比例

集装箱堆场区还包含堆场横向车道和纵向车道，堆场横向车道分为内集卡横向车道和外集卡横向车道，两类车道交替布置在堆场两侧，以提高内外集卡通行效率。堆场纵向车道布置在堆场两个端头，每个端头均布置内集卡纵向车道和外集卡纵向车道，两类车道由物理隔网隔开。

自动化堆场装卸设备采用双悬臂ARMG，轨距34 m，起重量41 t，轨距内布置11排箱，堆箱高度“堆6过7”，共配备42台(另外预留9台)。ARMG两侧悬臂下各布置1条作业车道及1条超车道，一侧为外集卡车道，一侧为ART车道，2台ARMG相邻车道所属同一车型，布局详情见图4。

图4 双悬臂ARMG布置方式

3.2 设备配置

装卸船设备采用单小车双20 ft岸桥，水平运输设备采用ART。自动化堆场空、重箱混堆，装卸车及拆码垛设备采用轨内11排箱的双悬臂ARMG。堆场和双悬臂ARMG走行方向平行于码头岸线布置,组成“单小车双20 ft岸桥+ART+双悬臂ARMG”的平行边装卸方案。码头配备12台单小车双20 ft岸桥，42台双悬臂ARMG，岸桥、ART配比关系为1∶6.3，ART配备76台。

4 方案对比

国内外各港口在布局安排和设备等方面技术均已趋于成熟，在天津港C段码头设计背景下，通过比较通过能力、设备配置数量、装卸作业人员数量、智能化程度、可靠性、碳排放量、创新性等因素综合分析两种布置方案。

4.1 通过能力

在天津港C段智能化码头布置的24个箱区中，共设计普通重箱箱位23 205 TEU，空箱箱位17 500 TEU，冷藏箱箱位650 TEU，超限箱箱位107 TEU。集装箱码头年通过能力按公式(1)和(2)计算。

(1)

p=np1K1K2(1-K3)K4

(2)

式中，Pt为集装箱码头设计通过能力，TEU/a；Ty为泊位年可营运天数，d；Aρ为泊位有效利用率，%；ρ为设计船时效率TEU/h；Q为集装箱船单船装卸箱量，TEU；tg为昼夜装卸作业时间，h；tf为船舶的装卸辅助作业及船舶靠泊、离泊时间之和，h；td为昼夜小时数，h；n为集装箱装卸桥配备台数；p1为集装箱装卸桥台时效率基准值，自然箱/h；K1为集装箱标准箱折算系数；K2为集装箱装卸桥同时作业率，%；K3为装卸船作业倒箱率，%；K4为可吊双箱和双小车集装箱装卸桥的新型高效集装箱装卸桥船时效率提高系数。

经计算可知，垂直布置方案的码头通过能力为251.8万TEU/a，满足工程泊位设计吞吐量250万TEU/a的要求。

平行布置方案的码头通过能力262万TEU/a，满足工程泊位设计吞吐量250万TEU/a的要求，且在此基础上预留约5%的上升空间。

4.2 其他指标对比

除通过能力外，设备配置数量、装卸作业人员数量、智能化程度、可靠性、碳排放量、创新性等6个因素在衡量方案性能时也是不可忽略的。将这7个指标对比结果汇总，综合比较了2种布置方案优缺点，结果见表3。

表3 方案对比

综上，平行布置方案优势明显。虽然2种布置形式均能满足天津港C段自动化码头设计年吞吐量250万TEU的要求，但平行布置方案可为码头通过能力预留5%的上升空间，效率更高。同时，平行布置方案首次使用全球首创的ART，在技术层面和创新性层面展现出明显优势，不仅可摆脱对国外技术的依赖，还实现了码头全电力供能零排放，提高了天津港的创新能力，增加了码头的核心竞争力。

5 结语

在天津港C段自动化码头应用背景下，堆场平行布置时码头通过能力更高，更适用于全球集装箱运输量持续增加的趋势。堆场平行布置方案使用ART实现集装箱水平运输，ART自带的智能驾驶系统有助于实现集装箱码头全自动化作业，为打造智慧港口提供支撑。同时，ART动力由电力提供，可大幅减少作业全程碳排放量，为发展绿色港口做出重大贡献。堆场平行布置方案因地制宜，更好适应天津港集装箱运输“大进大出”的物流特点，选用双悬臂ARMG的边装卸作业方式，能够实现海陆侧分开作业。同时利于车序控制和生产运营管理，整个码头装卸工艺系统的智能化程度高、效率高、节能环保效果优。

综上所述，考虑码头通过能力、环保、智能化水平、创新性等因素，天津港C段智能化集装箱码头采用堆场平行岸线布置方案是最优的选择。