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一、前言

随着我国民航事业的快速增长,国内大多数机场设施已无法与快速增长的航班量相匹配,机场面临巨大的运行压力,机场改扩建已成为现阶段扩容的主要手段之一。2017年2条跑道以上的机场共15个(见图1),本轮规划扩容的12个亿级吞吐量机场跑道数量多在4~6条(见表1),大部分机场的老跑道服役多超过20年。飞行区的不停航改建、扩建将成为机场建设发展的主要特点。

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表1 国内本轮规划的12个亿级吞吐量机场

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飞行区改扩建工程建设规模、复杂程度及建设周期不亚于新建一个机场,而且与现有运营设施矛盾将越加突出。为减少对运行的影响、提高运行的效率,必须从规划、设计和和施工管理上的创新和提高。

二、跑滑系统的改建与扩容技术

1、新增跑道

新增跑道是飞行区现状与需求矛盾突出的扩建方式,需要征用大量土地、而且建设成本较高、施工周期较长,能够较好解决未来发展中的根本性和长远性问题。优点:(1)运行影响小,利于繁忙机场的运行调度;(2)利于布置更多机位,跑道容量加大;(3)施工与运行矛盾小。缺点:(1)土地占用量大,动迁量大,环境保护压力大;(2)建设规模大,工期长,成本高;(3)土方调运量大,多存在地基大规模处理的问题;(4)配套滑行道系统,还要重新安装导航设施、评估净空飞行程序,后续工作内容复杂。

表2  FAA对跑道容量的描述

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最常见的新建跑道构型有平行跑道、也有交叉跑道、V型跑道和混合构型跑道。

(1)平行跑道

具有容量大、效率高、风险低、易于管理等优点,是目前新建或改扩建机场最为常用的一种构形。目前,平行跑道数量最多是美国亚特兰大机场、浦东机场,共有五条平行跑道,北京大兴机场、成都天府机场、迪拜世界中心机场总体规划都是六条完全平行的跑道。从跑道数量和构形来看,2条至6条平行跑道有多种构形。

平行跑道之间的最小间距应根据跑道类型(仪表或非仪表跑道)、运行方式以及当地地形等各种因素综合确定。同时按仪表飞行规则飞行,平行跑道中线最小间距应为:独立平行进近1035m;非独立平行进近915m;独立平行离场760m;分开的平行运行760m。如上海虹桥机场两条跑道中心线距离365米,属于窄距平行跑道;伦敦希斯罗机场两条跑道中心线距离1415米,属于宽距平行跑道。

三条平行跑道:三条窄距、两窄一宽以及三条宽距三种构形,代表机场如广州白云机场和北京首都机场

四条平行跑道:最常见构形的是两组窄距的构形方式,如洛杉矶机场(LAX)和巴黎戴高乐机场(CDG)。

五条平行跑道:最常见的是两组窄距加一条宽距构形方式,如亚特兰大机场(ATL)、上海浦东机场和广州白云机场(远期)。

(2)交叉跑道:由于以前运输机重量轻,起飞和着陆期间对于侧风要求较高,为提高机场运行保障能力,根据风向统计数据建设交叉跑道;但随着民用客机机型和重量的不断加大以及科技的不断进步,对于侧风要求逐步降低,因此,目前较少机场采用交叉跑道构形,除非是场地或者其他因素限制。

(3)V型跑道:代表机场法兰克福机场(FRA)、马德里机场(MAD)、孟菲斯机场(MEM)和苏黎世机场(ZRH)等。

(4)混合跑道构形:跑道数量较多的机场多采用混合构形方式,跑道分为几组,组内平行、组与组之间相互交叉或者呈相应角度,如芝加哥奥黑尔(ORD)、丹佛(DEN)、达拉斯(DAL)等机场。

2、跑道扩容

扩容改造原跑道的扩建方式类似于高速公路的拼接加宽法,即指在原跑道两侧或一侧直线延长、加宽(或增强原跑道结构层),以达到扩充单跑道系统终端容量的方式。

扩建方式的优点:一是用地量小,占地少.基本不用或少量新征土地;二是建设规模小,投资少;三是土方调运简单,工程实施难度小;四是若单侧延长,只需对现有导航设施设备进行一定调整即可,后续工作量小;

缺点:一是施工与运行的矛盾突出,往往要停航施工,运行效益受到影响。二是保障运行安全压力大,需要耗费更多的人力物力。

(1)平移跑道

即指在距离原跑道一定范围外,规划新建一条新跑道,并将老跑道改建成滑行道的扩容方式;实际上不是增加了一条跑道,而是增加了一条平行滑行道。平移跑道方案的设计要点主要是平移方位及距离的控制。

(2)跑道两端加长(或两侧加宽)

需要由场区功能布置、地势要求以及地质等情况,确定每侧延长的具体长度。一般来说,场区功能布置的现状大体已经块定了机场未来发展的方向;出于施工考虑,延长最好能平衡两侧的士方挖填量,也应尽量避免地质较差的区域,这些因素也对延长距离有一定影响。

两侧延长优点在于可以通过双向调节,避开不利施工段,便于控制造价;缺点在于改扩建期问降低了机场的使用效率。即使是先进行一端的延长、完成后再进行另端延长,还需耍两次校验、两次开放、两端导航台站搬迁的问题,建设期间对机场的运行影响较大。

单侧延长优点在于方便施工期间的飞行运行管理。条件允许情况下,只需要把主起降方向放在跑道另一端,就可以组织航班飞行,对机场影响程度较两端延长方案要小。缺点在于单侧延长段,往往存在大量弃、填方的现象,有的机场可能还会遇到河流改道、大面积软弱地层处理等不利施工田素,会增加施工难度和工程造价。

3、滑行道系统扩建

(1)单条跑道的滑行道系统

国际民航组织《机场规划手册》规定:设置整条滑行道的必要条件是5×104架次/a、高峰小时20架次/h。《民用机场总体规划规范》(MH 5002-1999)中规定(见表3):当年需求量达到4×104架次/a或典型高峰小时16架次/h时,单条跑道设置与跑道等长的平行滑行道;当年需求量达到7×104架次/a或典型高峰小时26架次/h时,宜设置两条平行滑行道。

表3  滑行道系统与飞机起降架次之间的对应关系

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《民用机场工程项目建设标准》规定的滑行道系统设置要求(见表4)

表4  滑行道系统设置要求

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(2)多条跑道的滑行道系统

两条或两条以上跑道的机场,应结合航站区构型和地面运转的需要,在合适位置安排跑道与跑道连接的联络滑行道。对于两条远距离平行跑道,应结合航站区构型和跑道构型,规划不少于2条独立的联络滑行道。多跑道系统设置穿越滑行道时宜减少横向跨越跑道,避免干扰导航设备。穿越滑行道应避开使用中的下滑台保护区范围。

三、道面结构改造技术

1、场道改造的决策因素

(1)道面结构性能

道面结构性能以ACN-PCN强度报告结果和厚度适应性评价结果为双指标。ACN/PCN<1,要求厚度/实际厚度<1,道面结构承载力满足荷载要求,不需要补强设计;ACN/PCN>I,要求厚度/实际厚度≥l,道面结构承载力处于临界或不足的状态,不能满足荷载作用的要求,需要进行结构性补强。

(2)道面损坏状况

跑道加铺决策中以PCI作为表征道面损坏状况的指标。PCI>70,表面仅出现少量的轻微损坏,能够满足机场运营的要求,不需要进行加铺;70>PCI>55,道面出现较多损坏,此时应结合其它性能指标综合评价后再做出判定,当道面损坏处于加速阶段时通常需要考虑进行功能性加铺,对于跑道可取65为临界值。PCI<55,道面出现的损坏普遍且较严重,在飞机高速滑行的条件下存在安全隐患,己不满足机场运营的要求,需实施加铺工程。

(3)道面平整度状况

道面平整度状况以IRI为判定指标,IRI<4.0,不需针对改善平整度实施加铺;IRI>4.0,由于平整度与荷载作用次数以及PCI有着内在的相关性,此时跑道已处于使用性能较差的阶段,需要进行功能性加铺。

(4)道而抗滑性能

以摩擦系数评价道面的抗滑性能,按跑道摩阻测试车在95km/h的速度测试,其它类型可按评价等级进行等效。摩擦系数>0.41,不需要进行功能改善;摩擦系数≤0.41,道面抗滑性能不满足使用要求,若常规养护措施提高抗滑性能无效,可选择功能性加铺加以改善。

(5)道面排水能力

道面纵、横坡不能满足最小坡度,造成排水能力不足,应采取加铺措施恢复道面坡度。

(6)道面剩余寿命

道面剩余寿命用于加铺时机的预判。当按以上因素决策结果为不需要加铺时,需进行道面剩余寿命的预估,预测实施加铺工程的时机,提前做好准备。一般认为,道面剩余寿命小于5年,需开始着手加铺工程的筹划,并结合机场运营情况确定加铺时机;大于5年需保持道面性能的监测。

2、加铺方案选型

根据加铺层材料的不同,道面加铺可分为水泥混凝土加铺层沥青混凝土加铺层两种结构类型,与原道面的结构联系起来则加铺后的道面共有白+白、白+黑、黑+白、黑+黑四种组合。其中,水泥道面上加铺水泥混凝土的结构又有部分结合式和分离式两种;水泥道面上加铺沥青混凝土,是目前对跑道进行加铺改造最常用的方式;沥青道面上加铺水泥混凝土,虽然在国外有一些研究和案例,但在国内还鲜有工程实例;沥青道面上加铺沥青混凝土,在我国通常指二次加铺的情况,也有一定范围的应用。水泥混凝土道面和沥青混凝土道面结构类型在使用性能、设计施工和运营管理等方面都有较大的区别,选择加铺层结构类型时须根据加铺的目的、旧道面实际的使用情况和加铺工程的时机以及施工条件,进行技术、经济比选后确定。

虹桥机场东跑道大修时,根据现场的实际情况,分别制定了三个方案。

方案一(中厚层加铺):在不停航施工前提下,对现有道面再一次加铺12cm厚沥青混凝土;特点如下:(1)不航施工对机场运行影响小,工程实施的可操作性最强;(2)基本能够解决跑道当前存在的结构承载能力不足、存在突发性损坏患等突出问题;(3)在设计期内,道面各项性能指标与备选方案无显著区别;(4)工程造价低,不存在废料外运等问题;(5)到达设计期后,尽管改造工程方案的限制条件较多,但是仍然存在继续充分利用既有道面结构的可能性(视材料的衰减变化实际情况)。

方案二(刚性加铺):在停航施工的前提下,将现有沥青混凝土加铺层部分铲除,加铺40cm水泥混凝土;特点如下:(1)能彻底解决原有跑道的一系列间题;(2)使用寿命长,工程性价比高;(3)使用寿命达到30年;(4)必须停航施工,停航时间7个月,对机场运行影响很大。

方案三(柔性重铺)将现有沥青混凝土加铺层铲除,重新加铺28cm厚沥青混凝土特点如下:(1)能较彻底解决原有跑道的一系列问题:(2)使用寿命超过15年;(3)到达设计期后,仍可继续充分利用既有道面结构;(4)需要停航施工约5个月,停航时间相对较长。

从技术层面来讲,上述方案均可解决现有道面存在的横坡超标问题,提升道面服务性能,延长道面使用寿命。三者的利弊,如表5所示。

表5  加铺方案技术比较

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最终确定用中厚层加铺方案作为东跑道大修工程的设计方案,但需要通过基础注浆处理解决基础脱空和基础强度低等问题。

3、水泥混凝土道面修复技术

典型的水泥道面快速修复措施包括全厚度修复、部分厚度修复、浅层薄层修复和嵌缝料灌填、预制吊装5类。其中全厚度修复、部分厚度修复和预制吊装3类属于结构恢复性维修措施,浅层薄层修复和嵌缝料灌填属于功能恢复性维修措施

(1)浅层/薄层修补技术

水泥道面浅层修复主要用于恢复道面的功能完整性,并且防止出现损坏的道面发生进一步的损坏。修补深度介于1~5cm之间的可定义为浅层修复,修补深度小于1cm的可定义为薄层修复。一般情况下,损坏影响深度小于5cm,损坏面积小于20cm(长)×10cm(宽距接缝距离)的表层病害采用浅层修复效果较好。无论是浅层修复还是薄层修复,除了材料自身的结构强度要求外,修复材料与原水泥混凝土道面之间的粘结性是决定修复质量的关键因素。

浅层和薄层修复对于修复材料的技术要求还是存在一定差异的,两者相比较,浅层修复材料更加强调材料力学指标(材料自身的结构强度和粘结强度),对于修复材料的变形性能的技术要求(收缩率和热膨胀系数)由于其平面尺寸较小可适当放宽;对于薄层修复,因平面尺寸较大,其材料变形性能(收缩率和热膨胀系数)和粘结性能的要求更加严格。从实际应用效果来看,环氧砂浆类材料以及各类水泥砂浆类材料均能够较好地适用于浅层修复:对于薄层修复,应优先选用磷酸盐水泥砂浆(在一些机场已有成功应用的实际案例)和环氧树脂等聚合物砂浆,选用硅酸盐水泥砂浆和硫铝酸盐水泥砂浆进行薄层修复其效果尚待实际工程的检验。

(2)水泥混凝土道面部分厚度修补技术

水泥道面部分厚度修复是指部分厚度除水泥道面的损坏部分,填筑高性能的维修材料以恢复道面的结构性能和功能性能。一般情况下的修补深度介于5cm~15cm,修补长宽尺寸常介于20cm~100cm之间,修补深度≥1/2板厚时,则应进行全厚度拆除。水泥道面部分厚度修复主要包括修补尺寸确定、原道面拆除、隔缝板安装及底面处理、修复区域清洁、浇筑与接鏠灌填、修复质量检查等。

(3)水泥混凝土道面全厚度修补技术

机场水混道面全厚度修复是指拆除水泥道面至基层,填筑高性能的维修材料以道面的结构性能。修复工艺主要包括修补范国的确定、修复区域的拆除、基层处理、修复区域的清洁、混凝士浇筑与接缝灌填、修复质量检査等。

(4)接缝灌填

接缝灌填是将水泥道面接鏠处出现损坏的嵌缝料清除后,灌注适宜的嵌鏠材料,以重新达到接缝位置防止表面水入渗和硬粒进入接缝的效果。当原有嵌缝材料出现脆裂、挤出、长草、缝壁脱离等现象或达到使用年限时,灌封材料应及时更换。灌缝材料的更换长度不得小于单块板的接缝长度。当灌缝材料为聚氨酯类或硅酮类材料时,缝槽的深宽比宣分别采用2:1和1:1,最小宽度分别不宜小于6mm和9mm。接缝灌填一般经过清缝/扩缝与切缝倒角、背村条的安装、贴防污染胶带与涂刷底层涂料、嵌缝料灌填及抹平等工艺。

4、防治沥青反射裂缝措施

(1)在沥青加铺层上锯切横缝:与下层接缝对应,预先在加铺层锯缝,防止加铺层在其他地方开裂。这种方法在理论上适用于防止半刚性基层反射裂缝,因其裂缝间距大,数量少,能取得一定效果,但成功的实践不多。对于水泥混凝土道面加铺沥青混凝土层的结构,由于下层接缝间距密,数量多,而且纵横交错,预锯缝、灌缝和养护的难度较大,更加不宜采用这种方式。

(2)改善加铺层性能:常用的提高沥青混凝土加铺层的变形能力和抗拉强度以抵抗或消散行车荷载产生应力的方法有:①用改性沥青或在混合料中加入纤维;②增加面层厚度;③在加铺层下部应用加筋材料。使用数量较大的软沥青虽改善了抗裂性能,却易造成车辙和泛油。因此,可在沥青混合料中掺加聚丙烯或聚脂合成纤维,增加混合料的抗拉强度。这种混合料能通过特制的裂缝反射试验机测试其在轮载作用下的断裂特性,但不能扶得其对温度应力的影响。该技术在国外获得了良好的效果。

(3)设置裂缝缓解层:在层间设置大粒径透水性沥青碎石层,这种混合料的集料最大粒径达4~5cm,所含细集料极少,集料颗粒间嵌挤良好,沥青含量在1.5%~2.5%之间,因此,有良好的抗变形能力,并能减少和延缓反射裂缝。该技术在美国应用获得了成功。其应注意的问题:①防止沥青混合料运输过程中沥青发生析漏;②应确保压实充分,形成稳定的沥青碎石层;③应确保排水通道畅通,防止积水。

(4)旧混凝土板破碎:国外应用较多,该方法的机理是分散水泥混凝土板的温度应变和应力,使之小于沥青混凝土加铺层混合料的路用力学性能极限值,不至于破坏加铺层。破碎和稳定水泥混凝土道面技术要点包括:①破碎尺寸宜在45~60cm之间,裂缝应贯穿板厚,以实现分散和消减应力、应变的目的;②裂缝应为宽度很小的微裂缝,对于接缝和粗裂缝应进行封闭,以利于荷载的传递,避免或减少轮载在裂缝处形成的拉应力和剪应力峰值,破碎程度较大的应作为基层结构进行加铺层设计;③使用重型压路机(35~50t)进行碾压,确保破碎的水泥砼道面水平和竖向达到稳定状态;④确保旧水泥砼道面与沥青砼加铺层的层间连接质量,对旧道面应凿毛,并洒布高质量的粘层油(用改性沥青)。

(5)设置各种夹层:①沥青应力吸收层(SAMI);设置SAMI的目的是吸收下承层的水平位移导致的高应力,阻止下层裂缝延伸至沥青砼加铺层。国内外的资料表明,SAMI有一定的理论依据,也取得了效果,但如果不同时采取其他处理措施,尚不能完全防止发生反射裂缝。②土工织物夹层;土工布具有较大的延伸性,旧水泥混凝土裂缝位移。可通过土工布使应力扩展至更宽的范围,从而缓解了裂缝处的应力集中。土工布夹层材料可减缓水泥混凝土板温降,减小水泥混凝土板位移量。③土工格栅(包括玻璃格栅);可增强沥青混合料的整体抗拉强度,有效地改善道而结构应力分布,抵抗和延缓由于道面的基层裂缝引起的沥青混凝土道面反射裂缝的发生,从而提高道面的使用寿命。④APP改性沥青油毡;主要技术作用是改善阻止裂缝扩展的能力,不但起到了加筋和消除应力集中的作用,且起到了大变形下的承力作用。

5、新老道面衔接

机场道面的延长拓宽,与路面工程的作用机理大体一致,也会对原有道面产生附加应力、引起老道面的变形,新老基础存在差异沉降,造成新老道面的错台,影响飞行安全性,随着裂缝或错台的产生,雨水进入基础而损害新老道面结构层。

水泥混凝土新道面与老道面相接时,通常应设胀缝。如果有飞机通过连接处,还应加设传力杆,以提高新老道面的整体性。由于许多机场的旧道面也是刚性道面,并不适合加设传力杆,此时可以通过在新道面边缘处增设钢筋网(笼)或采取厚边式设计的方法,减小新道面的沉降,防止发生错台。水泥混凝土同柔性道面相接时,可采用下埋现浇的混凝土梯形断面板的方式连接,并设置相应的传力杆,以避免接合部产生错台、沉陷或拥起。

沥青混凝土与旧道面的相接,可以借鉴高速公路拓宽拼接工艺的设计施工,具体做法也相似,如采用老道面基础边坡挖台阶,新、老填料从下到上分层交叉,以达到新、老道面基础充分结合、融为一体的目的;对连接段采用重型压实标准,分层碾压密实,减小新道面的工后沉降;采用面层交叉搭接、接缝基础下设置土工隔栅等做法,减小不均匀差异沉降、增强新老道面的整体性。

五、结语

1、不停航设计

以尽可能创造停航施工时间和停航区域为原则,(1)2017年4月,年吞吐量已过9000万的首都机场关闭中跑道28天进行停航大修、2016年9月吞吐量刚近2000万的南京禄口机场关闭老跑道2个月停航大修、2017年3月阿姆斯特丹史基浦关闭跑道9周进行大修……大型枢纽机场停航大修已经渐渐被业界认可,只要精心策划、精心组织可以大大缩短施工的时间,而且施工技术也不仅仅局限于沥青混凝土,可以采用水泥混凝土技术;(2)预制混凝土设计、施工基本成熟了,但成本较高,使用在新老道面衔接部分或道面加宽部分的施工,可以大大缩短施工时间;(3)跑道入口内易,调整围界和导航设施位置,将施工新老道面的衔接区域、新增跑道等不停航施工改为禁区外24小时连续施工。

2、专项设计

机场改扩建工程的排水设计,通常要结合机场现有排水设施,进行合理、经济地比选分析确定排水设施的改扩建方案。地势设计不仅要有利土石方工程量最小,还要满足场区排水需要;应进行多方案比较,选取最合适方案,使土石方量减小,降低工程造价。飞行区改扩建还要进行净空评定,一是选取新建跑道位置、二是对延长的跑道。

3、《民用机场工程项目建设标准》和《民用机场总体规划规范》对于滑行道系统等的要求不同,建议统一。

未来飞行区改建、扩建的需求越来越大,据说某机场为了800m的跑道延长,进行了各200m四次延长……飞行区改扩建迫切需要有关的建设指南或标准指导!

 

注:

1和图1摘自“中国航空枢纽建设与未来机场高峰论坛”《刘春晨:以加快未来机场建设为契机,全面推动枢纽机场高质量发展》

作者:王晓鸿,上海机场建设指挥部。

来源:民航基建

作者 一潼

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