張文東

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071）

引 言

自21世紀(jì)以來，隨著船舶大型化和勞動(dòng)力成本的不斷增加，自動(dòng)化集裝箱碼頭的建設(shè)蓬勃發(fā)展。國內(nèi)外涌現(xiàn)了一批自動(dòng)化集裝箱碼頭，例如Euromax碼頭，RWG碼頭，BEST碼頭，青島前灣碼頭，洋山四期碼頭等。

自動(dòng)化集裝箱碼頭的裝卸工藝設(shè)計(jì)特別是自動(dòng)化堆場工藝設(shè)計(jì)，是自動(dòng)化集裝箱碼頭的核心所在，對平面布置、裝卸效率、建設(shè)投資、運(yùn)營成本、交通組織等起著決定性的作用。目前這些典型自動(dòng)化集裝箱碼頭基本上都是與陸上交通連接的自動(dòng)化集裝箱碼頭。對于這類碼頭，在工藝設(shè)計(jì)上有了一定的經(jīng)驗(yàn)，形成了一套比較成熟的國內(nèi)外專家認(rèn)可的設(shè)計(jì)方案。而對于離岸深水自動(dòng)化集裝箱碼頭，還沒有工程實(shí)例作為參考。本文基于意大利某離岸深水自動(dòng)化集裝箱碼頭工程，結(jié)合項(xiàng)目的具體要求和已有自動(dòng)化集裝箱碼頭的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對自動(dòng)化堆場的布置型式及堆場設(shè)備選型進(jìn)行探討，為類似工程設(shè)計(jì)提供參考、借鑒。

1 工程概況

意大利某離岸深水自動(dòng)化集裝箱碼頭工程碼頭一側(cè)為2個(gè)干線泊位靠泊8 000～18 000 TEU集裝箱船；碼頭另一側(cè)為12個(gè)穿梭船泊位靠泊384 TEU定制駁船；中間為堆存普通重箱、空箱的自動(dòng)化堆場。該項(xiàng)目的吞吐量為134.8萬TEU/年（干線泊位），其碼頭和自動(dòng)化堆場的平面尺度控制在1 000 m×200 m的范圍內(nèi)。其與裝卸工藝相關(guān)的輸入條件見表1。

表1 裝卸工藝相關(guān)輸入條件

2 意大利離岸深水自動(dòng)化集裝箱碼頭特點(diǎn)

根據(jù)工程的設(shè)計(jì)要求，本工程與現(xiàn)有典型自動(dòng)化集裝箱碼頭相比，具有如下的特點(diǎn)：

1）全部為水-水中轉(zhuǎn)，沒有水-陸中轉(zhuǎn)，沒有外來車輛的裝卸要求；

2）大船?？吭诖a頭一側(cè)，而小船?？吭诖a頭另一側(cè)，與現(xiàn)有典型自動(dòng)化集裝箱碼頭泊位位于同側(cè)有較大差別。

3）堆場周轉(zhuǎn)快，運(yùn)輸繁忙。

4）大船側(cè)及小船側(cè)裝卸船設(shè)備多，要求堆場設(shè)備效率高，數(shù)量多。

5）碼頭要求考慮一定的直取功能，且直取的比例較高。

6）整個(gè)碼頭在深水區(qū)形成陸域，為節(jié)省投資，堆場面積要求盡量小而緊湊；

7）自動(dòng)化堆場區(qū)2側(cè)運(yùn)輸設(shè)備均為AGV小車。

因此，此類碼頭與現(xiàn)有典型自動(dòng)化堆場比較，布置型式及設(shè)備選取還應(yīng)滿足如下要求：

1）堆場的利用率高；

2）堆場的面積??；

3）裝卸設(shè)備裝卸效率要求高；

4）有限的面積內(nèi)堆場設(shè)備數(shù)量多。

3 堆場布置型式分析及探討

目前典型的自動(dòng)化集裝箱碼頭作業(yè)區(qū)一般由集裝箱岸橋裝卸區(qū)+AGVS小車緩沖區(qū)+堆場AGVS車道區(qū)+交箱區(qū)+堆箱區(qū)+拖掛車裝卸區(qū)+拖掛車車道區(qū)等區(qū)域組成。目前典型自動(dòng)化集裝箱堆場有垂直于碼頭岸線布置和平行于碼頭岸線布置兩種型式。

3.1 堆場垂直于碼頭岸線布置

圖1 典型自動(dòng)化碼頭（堆場垂直于碼頭岸線布置）

堆場垂直于碼頭岸線布置的自動(dòng)化集裝箱碼頭的箱區(qū)垂直碼頭岸線。根據(jù)交箱位置的不同，又分為箱區(qū)的端部交箱和箱區(qū)兩側(cè)交箱兩種布置型式。

箱區(qū)的端部交箱的布置型式，交箱區(qū)沿碼頭縱深布置，料條兩端交箱區(qū)的長度約為40 m。目前典型自動(dòng)化碼頭多采用此種型式。

箱區(qū)的兩側(cè)交箱的布置型式，交箱區(qū)與堆場區(qū)并列布置，其整個(gè)作業(yè)區(qū)縱深較端部交箱的布置型式小，有利于提高堆場設(shè)備的作業(yè)效率和減少碼頭的所需的縱深，但增加了水平運(yùn)輸設(shè)備的運(yùn)輸距離，從而降低水平運(yùn)輸設(shè)備的效率。目前典型自動(dòng)化碼頭的水水中轉(zhuǎn)堆場有采用此種型式。

3.2 堆場平行于碼頭岸線布置

圖2 典型自動(dòng)化碼頭（堆場平行于碼頭岸線布置）

堆場平行于碼頭岸線布置的自動(dòng)化集裝箱碼頭料條平行于碼頭岸線。根據(jù)交箱位置的不同，同樣分為堆場端部交箱和堆場兩側(cè)交箱兩種布置型式。

堆場端部交箱的布置型式，交箱區(qū)沿碼頭岸線方向布置，每個(gè)端部交箱區(qū)的長度約為40 m。

堆場的兩側(cè)交箱的布置型式，交箱區(qū)與堆場區(qū)并列布置，有利于提高堆場設(shè)備的裝卸效率，但增加了水平運(yùn)輸設(shè)備的運(yùn)輸距離，從而降低水平運(yùn)輸設(shè)備的效率。

3.3 堆場布置型式分析

箱區(qū)端部交箱的自動(dòng)化集裝箱碼頭的堆場設(shè)備既負(fù)責(zé)裝卸作業(yè)，也負(fù)責(zé)集裝箱在箱區(qū)的運(yùn)輸，箱區(qū)長度一般根據(jù)堆場設(shè)備的效率來確定料條的長度來確定。

箱區(qū)兩側(cè)交箱的自動(dòng)化集裝箱碼頭的堆場設(shè)備只負(fù)責(zé)裝卸作業(yè)，箱區(qū)長度一般根據(jù)水平運(yùn)輸車輛的要求來確定。

本工程離岸深水碼頭建設(shè)在20 m深水區(qū)，陸域形成的費(fèi)用極高，而中轉(zhuǎn)碼頭的長度取決于泊位的長度和泊位的數(shù)量，因此長度方向是基本一定的，而寬度取決于堆場的布置型式、裝卸工藝要求，因此堆場的布置型式應(yīng)選擇所需縱深較小的堆場布置型式。且本工程的功能要求主要為大船轉(zhuǎn)小船和小船轉(zhuǎn)大船，堆場堆存能力的要求并不高，堆場僅僅起緩沖作業(yè)，因此較一般的集裝箱碼頭來講，堆場的堆存天數(shù)較少，對堆場的堆存容量要求較低。

對于堆場垂直于碼頭岸線布置的自動(dòng)化集裝箱碼頭，堆場堆箱區(qū)縱深一般在200～300 m較為合適，且一般配備2臺(tái)堆場設(shè)備剛好與堆場裝卸要求相匹配。而本工程如采用垂直于碼頭岸線布置縱深僅有50～70 m，所以當(dāng)采用垂直于碼頭前沿線的布置型式時(shí)，無論采用箱區(qū)端部交箱還是箱區(qū)兩側(cè)交箱的布置型式，其縱深均不能滿足要求。故此種布置型式不適于本工程的特點(diǎn)及要求。

因此對于離岸深水自動(dòng)化集裝箱碼頭采用平行堆場布置方案是比較合適的。

4 堆場設(shè)備選型分析及探討

在現(xiàn)有的自動(dòng)化集裝箱碼頭堆場中，堆場裝卸設(shè)備有跨運(yùn)車、自動(dòng)化輪胎式起重機(jī)（ARTG）、高架橋式起重機(jī)、軌道式起重機(jī)（ARMG）等。

4.1 跨運(yùn)車及其布置型式

集裝箱跨運(yùn)車是用于碼頭和堆場間集裝箱水平穿梭搬運(yùn)和堆場作業(yè)的設(shè)備。這種跨運(yùn)車一般提升高度為堆二過三或者堆三過四。跨運(yùn)車作為堆場作業(yè)的碼頭由于堆場內(nèi)受跨運(yùn)車車道和堆高的限制，堆場利用率不高。

4.2 輪胎吊（ARTG）及其布置型式

AERTG具有機(jī)動(dòng)靈活（主要是轉(zhuǎn)場靈活方便）、調(diào)度方便、作業(yè)效率高、技術(shù)成熟、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，已趨向定型標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)備投資較省。而自動(dòng)化集裝箱碼頭中的AERTG的定位系統(tǒng)主要采用GPS定位系統(tǒng)，定位穩(wěn)定性還有待進(jìn)一步的提高。

4.3 軌道吊（ARMG）及其布置型式

ARMG為自動(dòng)化全電力驅(qū)動(dòng)設(shè)備，具有環(huán)保、節(jié)能、高效、低故障、維修使用成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)。ARMG的跨度可以按需要設(shè)計(jì)，且一般都比較大，跨下堆箱排數(shù)多，堆場利用率高。但跨度過大會(huì)影響操作靈活性，同時(shí)由于裝卸作業(yè)循環(huán)周期長，降低單機(jī)臺(tái)時(shí)效率，一旦出現(xiàn)翻箱、倒箱，其作業(yè)循環(huán)周期大，效率也將降低。故ARMG門架下一般跨10～20排箱。ARMG有無懸臂梁、單懸臂梁和雙懸臂梁等幾種型式。

無懸臂軌道吊：采用無懸臂軌道吊的自動(dòng)化堆場，水平運(yùn)輸設(shè)備不進(jìn)入箱區(qū)，分別在箱區(qū)的兩端與軌道吊進(jìn)行作業(yè)交接。軌道吊除完成集裝箱的裝卸、堆場作業(yè)，還需承擔(dān)集裝箱在箱區(qū)內(nèi)的水平運(yùn)輸，因此箱區(qū)長度對軌道吊的效率影響較大。如采用一臺(tái)堆場設(shè)備進(jìn)行堆場作業(yè)在能力上是比較匹配的。但是當(dāng)堆場設(shè)備損壞需要檢修時(shí)，此條堆場將無法進(jìn)行堆場作用，不能碼頭堆場裝卸的功能要求，每個(gè)箱區(qū)內(nèi)一般布置兩臺(tái)設(shè)備。為充分發(fā)揮2臺(tái)設(shè)備的效率，一般箱區(qū)長度在200～300 m。

單懸臂軌道吊：集裝箱交箱作業(yè)可以采用端部交箱，也可采用一側(cè)交箱的布置型式。當(dāng)采用箱區(qū)端部交箱作業(yè)時(shí)，軌道吊承擔(dān)交箱作業(yè)和箱區(qū)內(nèi)集裝箱的水平運(yùn)輸，其同無懸臂軌道吊。當(dāng)采用箱區(qū)單側(cè)交箱作業(yè)時(shí)，其交箱作業(yè)側(cè)設(shè)在懸臂下，軌道吊僅負(fù)責(zé)碼垛和裝卸，同一箱區(qū)的設(shè)備可以同時(shí)作業(yè)。

雙懸臂軌道吊：一般集裝箱交箱作業(yè)采用箱區(qū)兩側(cè)交箱的布置型式。采用雙懸臂軌道吊的自動(dòng)化堆場，水平運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)入堆場，與軌道吊的作業(yè)交接設(shè)在懸臂下，軌道吊不需承擔(dān)箱區(qū)內(nèi)集裝箱的水平運(yùn)輸，僅負(fù)責(zé)碼垛和裝卸，同一箱區(qū)的設(shè)備可以同時(shí)作業(yè)。雙懸臂軌道吊相較于單懸臂軌道吊堆場設(shè)備效率低，其有限面積的布置數(shù)量較單懸臂軌道吊少。

4.4 堆場設(shè)備選型分析

跨運(yùn)車：由于采用跨運(yùn)車作為堆場設(shè)備的堆場利用率不高，而本場在20 m深水區(qū)形成陸域，要求堆場具有較高的利用率，所以跨運(yùn)車不予選擇。

輪胎吊：由于本項(xiàng)目所需的堆場面積較小，堆場設(shè)備卻較多，設(shè)備不需要進(jìn)行轉(zhuǎn)場，而輪胎吊的定位系統(tǒng)主要采用GPS定位系統(tǒng)，定位精度不高，且較軌道吊的優(yōu)勢主要優(yōu)勢在于轉(zhuǎn)場，所以輪胎吊不予選擇。

雙懸臂軌道吊：由于本工程要求單位面積的裝卸效率要求高；有限的面積內(nèi)堆場設(shè)備數(shù)量多，雙懸臂軌道吊的布置很難達(dá)到其要求，故不采用此設(shè)備。

因此本工程堆場設(shè)備采用無懸臂軌道吊、單懸臂軌道吊分別進(jìn)行布置，進(jìn)行方案的分析比選。

5 方案比選

基于以上分析采用在堆場平行于岸線布置型式的基礎(chǔ)上對無懸臂軌道吊、單懸臂軌道吊兩種機(jī)型分別進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，通過優(yōu)缺點(diǎn)比選最終確定工藝方案。

5.1 無懸臂軌道吊的方案

該方案整個(gè)區(qū)域布置分干線碼頭裝卸作業(yè)區(qū)、AGV緩沖區(qū)、堆場作業(yè)區(qū)、駁船泊位裝卸區(qū)等幾個(gè)功能分區(qū)。干線碼頭裝卸區(qū)設(shè)置9臺(tái)雙小車集裝箱岸橋，軌道內(nèi)側(cè)布置2條集裝箱拖掛車車道及布置放集裝箱船艙蓋版區(qū)域，軌道外側(cè)布置6條AGV車道，如圖3。

圖3 無懸臂軌道吊方案平面布置

AGV緩沖區(qū)布置于干線碼頭裝卸作業(yè)區(qū)和堆場作業(yè)區(qū)之間以及駁船碼頭裝卸作業(yè)區(qū)和堆場作業(yè)區(qū)之間，共布置兩個(gè)；堆場作業(yè)區(qū)布置在AGV緩沖區(qū)后方，共有6條箱區(qū)，采用12臺(tái)無懸臂軌道吊作為重箱、空箱作業(yè)機(jī)械，在每條堆場兩個(gè)端部均設(shè)有集裝箱交貨區(qū)，總共可布置1 908個(gè)箱位。駁船碼頭作業(yè)區(qū)配置8臺(tái)單小車集裝箱岸橋，軌道內(nèi)側(cè)布置2條集裝箱拖掛車車道，軌道外側(cè)布置5條AGV車道。

5.2 單懸臂軌道吊的方案

該方案整個(gè)區(qū)域布置分干線碼頭裝卸作業(yè)區(qū)、AGV緩沖區(qū)、AGV水平運(yùn)輸車道、堆場作業(yè)區(qū)、駁船泊位裝卸區(qū)等幾個(gè)功能分區(qū)，干線碼頭裝卸區(qū)布置同無懸臂軌道吊方案，其布置位置如圖4所示。

AGV緩沖區(qū)布置于每條堆場的兩端，共布置6個(gè)；AGV水平運(yùn)輸車道布置于干線碼頭裝卸作業(yè)區(qū)和堆場作業(yè)區(qū)之間以及駁船碼頭裝卸作業(yè)區(qū)和堆場作業(yè)區(qū)之間。堆場作業(yè)區(qū)布置在AGV水平運(yùn)輸車道后方，共有6條堆場，采用12臺(tái)單懸臂軌道吊作為重箱、空箱作業(yè)機(jī)械，在每條堆場單懸臂的下方均設(shè)有集裝箱交貨區(qū)，總共可布置2 760個(gè)箱位。駁船碼頭作業(yè)區(qū)布置同無懸臂軌道吊方案。

圖4 單懸臂軌道吊方案平面布置

5.3 方案分析比較

兩個(gè)方案的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較見表2。

表2 主要技術(shù)指標(biāo)比較

分析結(jié)論：兩個(gè)方案設(shè)備投資及營運(yùn)成本無懸臂軌道吊方案略低，且差距不大。而兩個(gè)方案的主要差別在于堆場面積的利用率，單懸臂軌道吊方案堆場地面箱位數(shù)遠(yuǎn)大于無懸臂軌道吊方案。

6 結(jié) 語

1）離岸深水自動(dòng)化集裝箱碼頭要求堆場面利用率高，堆場面積小。

2）離岸深水自動(dòng)化集裝箱碼頭要求堆場設(shè)備效率高，單位面積設(shè)備數(shù)量多。

3）箱區(qū)端部交箱的自動(dòng)化集裝箱碼頭的箱區(qū)長度一般根據(jù)堆場設(shè)備的效率來確定料條的長度來確定。

箱區(qū)兩側(cè)交箱的自動(dòng)化集裝箱碼頭的箱區(qū)長度一般根據(jù)水平運(yùn)輸車輛的效率來確定。

4）對于離岸深水自動(dòng)化集裝箱碼頭的堆場優(yōu)先采用堆場平行岸線的布置型式。

5）對于離岸深水自動(dòng)化集裝箱碼頭的堆場設(shè)備選用單懸臂軌道吊有利于增加堆場的利用率和堆場單位面積的裝卸效率。