陳 欽，岑學(xué)徐

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510290)

隨著智能駕駛技術(shù)的發(fā)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(tǒng)的人工作業(yè)轉(zhuǎn)入自動(dòng)化作業(yè)，從而促使港區(qū)內(nèi)作業(yè)車輛從集裝箱拖掛車升級(jí)為智能引導(dǎo)車(intelligent guided vehicle，IGV)。根據(jù)IGV的特點(diǎn)，對(duì)港區(qū)道路鋪面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也提出新的要求。本文結(jié)合欽州港自動(dòng)化集裝箱碼頭工程，針對(duì)IGV的特點(diǎn)和使用要求，對(duì)IGV行駛的港區(qū)道路進(jìn)行鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討。

1 自動(dòng)化碼頭港區(qū)道路的特點(diǎn)

1.1 采用IGV進(jìn)行水平運(yùn)輸

自動(dòng)化集裝箱碼頭港區(qū)道路與傳統(tǒng)集裝箱碼頭相比主要的特點(diǎn)有：1)采用IGV替代集裝箱拖掛車進(jìn)行集裝箱從碼頭作業(yè)區(qū)到堆場(chǎng)區(qū)之間的水平運(yùn)輸；2)IGV行駛通道交通渠化嚴(yán)重，車輛對(duì)路面的作用次數(shù)頻繁，對(duì)鋪面結(jié)構(gòu)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(duì)路面結(jié)構(gòu)的選型和構(gòu)造措施提出不同的要求。

欽州港自動(dòng)化集裝箱碼頭工程采用IGV替代集裝箱拖掛車進(jìn)行集裝箱從碼頭作業(yè)區(qū)到堆場(chǎng)區(qū)之間的水平運(yùn)輸[1]。每輛IGV有4個(gè)軸，軸距從前至后分別為1.65、6.00、1.65 m，每個(gè)軸有2個(gè)輪，輪距為2.56 m，見圖1。無交互作業(yè)時(shí)IGV最大輪壓為125 kN，與岸橋主小車交互作業(yè)時(shí)IGV最大輪壓為145 kN，與海側(cè)交互區(qū)軌道吊小車交互作業(yè)時(shí)IGV最大輪壓為135 kN。傳統(tǒng)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(tǒng)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(yán)重

自動(dòng)化集裝箱碼頭作業(yè)效率遠(yuǎn)高于常規(guī)集裝箱碼頭，且IGV行駛路線相對(duì)固定，交通渠化嚴(yán)重，故在道路鋪面設(shè)計(jì)年限內(nèi)IGV的累計(jì)作用次數(shù)遠(yuǎn)高于常規(guī)集裝箱拖掛車，IGV作業(yè)區(qū)鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)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(diǎn)及要求

自動(dòng)化集裝箱碼頭IGV定位方式可分為磁釘定位和北斗衛(wèi)星定位。

IGV采用磁釘定位時(shí)，需要在鋪面結(jié)構(gòu)內(nèi)預(yù)埋磁釘，磁釘在橫、縱方向均為每2 m布置1個(gè)，局部位置條件受限時(shí)可以微調(diào)。為了避免金屬干擾磁釘?shù)男盘?hào)，在磁釘?shù)闹車街睆?00 mm、深度100 mm范圍內(nèi)不能有金屬，見圖2。

圖2 磁釘埋設(shè)要求(單位：mm)

IGV采用北斗衛(wèi)星定位時(shí)，需要在鋪面結(jié)構(gòu)表面設(shè)置交通標(biāo)線進(jìn)行視覺識(shí)別輔助定位，須保證自動(dòng)化水平運(yùn)輸設(shè)備的行駛平順性和交通標(biāo)線的整齊連續(xù)。

2 自動(dòng)化集裝箱碼頭的港區(qū)道路鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 港區(qū)道路鋪面結(jié)構(gòu)選擇

自動(dòng)化集裝箱碼頭采用IGV進(jìn)行集裝箱的自動(dòng)化水平運(yùn)輸，對(duì)港區(qū)道路鋪面結(jié)構(gòu)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(yán)重，對(duì)鋪面的平整度、耐久性、強(qiáng)度要求較高，IGV作用下的港區(qū)道路鋪面結(jié)構(gòu)類型可選用現(xiàn)澆混凝土鋪面或者瀝青混凝土鋪面。這兩種鋪面各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中混凝土鋪面具有平整度好、強(qiáng)度高、耐久性好等特點(diǎn)，但對(duì)地基要求高，地基不均勻沉降時(shí)容易導(dǎo)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(qiáng)等特點(diǎn)，但使用年限相對(duì)短，IGV荷載大且路線較固定，長(zhǎng)期作用下瀝青鋪面易產(chǎn)生車轍。自動(dòng)化集裝箱碼頭運(yùn)行效率高且全天運(yùn)行，選擇鋪面結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)考慮使用年限高、耐久性強(qiáng)的鋪面。若鋪面使用年限短，需要長(zhǎng)期維護(hù)的鋪面會(huì)影響IGV運(yùn)行，進(jìn)而降低自動(dòng)化集裝箱碼頭的效率，造成不利影響。因此，建議選擇強(qiáng)度高、耐久性好、平整度高的混凝土鋪面結(jié)構(gòu)。必要時(shí)，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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)IGV采用磁釘定位時(shí)，布置有定位磁釘區(qū)域的鋪面及構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮鋼筋、護(hù)邊角鋼等金屬物對(duì)設(shè)備定位準(zhǔn)確性的影響[2]。當(dāng)采用現(xiàn)澆混凝土面層時(shí)，由于現(xiàn)澆混凝土在分縫處設(shè)有傳力桿和拉桿、在道路邊緣處設(shè)有邊緣鋼筋和港區(qū)道路溝井的四周混凝土面層板設(shè)有加強(qiáng)鋼筋，為了避免對(duì)磁釘?shù)亩ㄎ挥绊懀诖裴斨車街睆?00 mm、深度100 mm范圍內(nèi)不能有金屬，此處的設(shè)計(jì)是個(gè)難點(diǎn)。

針對(duì)這種情況，目前考慮2種方法：1)把傳統(tǒng)鋼筋換成FRP筋(玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)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(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值更高，但考慮環(huán)境影響系數(shù)和材料分項(xiàng)系數(shù)后，F(xiàn)RP筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值會(huì)下降較大。其優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是價(jià)格貴，大概是普通鋼筋的2.5倍，而且不能焊接和現(xiàn)場(chǎng)加工處理，性能受溫度影響大，耐久性有待研究。2)結(jié)合磁釘在道路的布置特點(diǎn)，在混凝土的分縫和溝井的設(shè)置上進(jìn)行避讓設(shè)計(jì)。此設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是無需采用昂貴的鋼筋替代品，節(jié)省工程費(fèi)用，鋼筋的性能也比FRP筋穩(wěn)定，耐用性更好。但此方法對(duì)混凝土的分縫和溝井的設(shè)置提出比較高的要求，需要在設(shè)計(jì)上進(jìn)行多專業(yè)的溝通協(xié)調(diào)和在滿足規(guī)范要求上進(jìn)行合理避讓設(shè)計(jì)。欽州自動(dòng)化碼頭工程采用第2種方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)過混凝土面層的合理分縫和溝井的避讓設(shè)計(jì)，成功地完成磁釘在混凝土路面內(nèi)的設(shè)置。

當(dāng)采用北斗衛(wèi)星定位時(shí)，需要在鋪面結(jié)構(gòu)表面設(shè)置交通標(biāo)線進(jìn)行視覺識(shí)別輔助定位，為保證IGV的行駛平順性以及交通標(biāo)線的整齊連續(xù)，鋪面結(jié)構(gòu)可選用現(xiàn)澆混凝土鋪面或?yàn)r青混凝土鋪面。當(dāng)采用現(xiàn)澆混凝土鋪面時(shí)，現(xiàn)澆混凝土鋪面分縫設(shè)計(jì)應(yīng)提前考慮道路上標(biāo)線的布置，混凝土路面板分縫應(yīng)避開標(biāo)線，以免分縫從標(biāo)線內(nèi)穿過，影響視覺識(shí)別輔助定位的準(zhǔn)確性。為減少鋪面顏色和標(biāo)線顏色產(chǎn)生干涉，影響自動(dòng)化水平運(yùn)輸設(shè)備的視覺識(shí)別系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，當(dāng)采用現(xiàn)澆混凝土鋪面時(shí)建議采用黃色標(biāo)線，當(dāng)采用瀝青混凝土鋪面時(shí)建議采用白色標(biāo)線。

2.3 道路平整度

IGV對(duì)道路的平整度要求高，道路若不平整，IGV上下振動(dòng)容易造成設(shè)備損害、定位不準(zhǔn)確、行駛路線偏移等不利影響，因此應(yīng)盡量避免。軌道槽容易引起IGV跳車、振動(dòng)，影響IGV的使用壽命及定位系統(tǒng)，首先從平面布局上避免軌道梁等結(jié)構(gòu)橫穿道路；其次提高港區(qū)道路差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)[4]，避免差異沉降引起的道路不平整；最后在鋪面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上可選用平整度高的現(xiàn)澆混凝土或者瀝青混凝土鋪面結(jié)構(gòu)。

3 IGV荷載作用下的港區(qū)道路鋪面結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析

3.1 荷載定義

以欽州港自動(dòng)化集裝箱碼頭工程為例進(jìn)行計(jì)算分析，其港區(qū)道路主要行駛IGV，IGV在不同作業(yè)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(jì)算荷載當(dāng)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(shù)

流動(dòng)機(jī)械年運(yùn)行次數(shù)應(yīng)通過調(diào)查分析確定。當(dāng)無資料時(shí)，根據(jù)港口裝卸工藝流程，流動(dòng)機(jī)械類型和行走路線等情況，按《港口道路與堆場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的公式確定第i種流動(dòng)機(jī)械荷載年運(yùn)行次數(shù)Ni，公式為：

Ni=ZiWiψΔ/(ωint)

(1)

式中：Zi為第i種流動(dòng)機(jī)械的裝運(yùn)量擴(kuò)大系數(shù)；Wi為第i種流動(dòng)機(jī)械的每年所分擔(dān)的貨運(yùn)數(shù)量；ψ為不平衡系數(shù)；Δ為輪跡重疊系數(shù)；ωi為第i種運(yùn)輸車輛的裝卸量；nt為可以分流的道路(通道)條數(shù)。

IGV在自動(dòng)化碼頭中運(yùn)行路線較為固定，車輛類型較單一，也可通過車輛運(yùn)行路線仿真確定流動(dòng)機(jī)械荷載年運(yùn)行次數(shù)。

3.3 結(jié)構(gòu)組合及材料參數(shù)

欽州港自動(dòng)化集裝箱碼頭港區(qū)道路鋪面結(jié)構(gòu)采用混凝土鋪面，結(jié)構(gòu)自上而下分別為水泥混凝土面層、水泥穩(wěn)定碎石基層、級(jí)配碎石底基層。水泥混凝土面層標(biāo)準(zhǔn)板邊長(zhǎng)為4 m。水泥混凝土28 d齡期的彎拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值fr，c為5.0 MPa。鋪面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表1。

表1 鋪面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

3.4 驗(yàn)算指標(biāo)

水泥混凝土鋪面須驗(yàn)算其結(jié)構(gòu)抗斷裂性能是否滿足需要?？刂泼鎸影迤跀嗔训臉O限狀態(tài)方程為：

γpσc≤knkTkyfr，c

(2)

式中：γp為鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)等級(jí)系數(shù)；σc為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)單輪荷載產(chǎn)生的面層板最大彎拉應(yīng)力；kn為流動(dòng)機(jī)械重復(fù)作用的水泥混凝土彎拉強(qiáng)度的疲勞折減系數(shù)；kT為考慮溫度應(yīng)力的折減系數(shù)；ky為水泥混凝土彎拉強(qiáng)度的齡期增長(zhǎng)系數(shù)；fr.c為28 d齡期的水泥混凝土彎拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

3.5 計(jì)算結(jié)果

確定港區(qū)道路鋪面結(jié)構(gòu)參數(shù)條件后，采用港口鋪面結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件分析，確定鋪面結(jié)構(gòu)厚度。

經(jīng)計(jì)算分析，欽州自動(dòng)化集裝箱碼頭工程港區(qū)主干道采用360 mm厚現(xiàn)澆水泥混凝土面層、200 mm厚水泥穩(wěn)定碎石基層、200 mm厚級(jí)配碎石底基層；軌后IGV裝卸作業(yè)通道采用400 mm厚現(xiàn)澆混凝土面層、250 mm厚水泥穩(wěn)定碎石基層、200 mm厚級(jí)配碎石底基層。

4 結(jié)論

1)自動(dòng)化集裝箱碼頭的港區(qū)道路與普通的集裝箱碼頭的港區(qū)道路相比，對(duì)港區(qū)道路鋪面的平整度、強(qiáng)度、耐久性要求更高，且有IGV定位要求。鋪面類型建議選用強(qiáng)度大、耐久性好、平整度高的混凝土鋪面結(jié)構(gòu)。

2)對(duì)于IGV采用磁釘定位時(shí)磁釘周邊不可以有金屬的特殊要求，可根據(jù)磁釘在道路上的布置特點(diǎn)，在混凝土的分縫和溝井的設(shè)置上進(jìn)行避讓設(shè)計(jì)。對(duì)于IGV采用北斗衛(wèi)星定位時(shí)，在鋪面結(jié)構(gòu)表面設(shè)置交通標(biāo)線進(jìn)行視覺識(shí)別輔助定位，混凝土路面板分縫時(shí)應(yīng)避開標(biāo)線，避免分縫從標(biāo)線內(nèi)穿過，并且在現(xiàn)澆混凝土鋪面上建議采用黃色標(biāo)線，在瀝青混凝土鋪面上建議采用白色標(biāo)線。

3)對(duì)于IGV行駛的道路，盡量避免導(dǎo)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(jié)構(gòu)。

4)對(duì)于IGV荷載作業(yè)下的港區(qū)道路的鋪面結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)，可采用《港口道路與堆場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算確定。