不停航条件下近岸机场跑道结构方案选型

周清泉，沈惠龙，江义

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

0 引言

在沿海近岸地区建设机场跑道对于缓解土地资源压力、避免陆上噪音污染等有重要意义。近海岸机场跑道可采用人工岛实体回填或透空式桩基结构形式，与传统的实体回填技术相比，桩基结构具有场地适应性好、生态影响小等优势。桩基跑道结构虽然在国内尚未有应用实例，但在日本和欧洲有成功的应用案例，如日本东京羽田国际机场[1]、葡萄牙罗纳尔多国际机场[2]等。针对桩基跑道结构，目前国内没有相关规范标准和成熟的设计方法。本文依托于某机场扩建工程，并依据水运工程相关结构设计规范，对不停航条件下的近岸机场跑道结构方案选型进行了探讨。

1 工程概况

本文依托于某机场扩建工程中的跑道北侧安全区延伸段设计。机场飞行区等级为4E，机场跑道区为填海形成的人工岛。原跑道安全区长度不满足《国际民用航空公约》[3]的要求，为此，本项目扩建工程拟自原人工岛北侧边线向北延伸150 m。北延伸段结构安全等级为I 级，设计使用年限为100 a。北侧安全区延伸段平面位置见图1。

图1 北侧安全区延伸段平面位置图Fig.1 Layout of the north runway end safety extension

2 影响因素分析

2.1 水利环境影响

如果拟建工程区域的人口稠密度和生态功能定位较高，根据水利规划相关要求，应优先考虑透空式跑道结构方案，以保证防洪行洪及水质环境的要求。以某机场跑道北侧安全区延伸段为例，虽然实体回填与透空式桩基结构方案相比，其工程耐久性、施工难易程度和投资等方面均具有一定优势，但根据相关水利规划的总体要求，原机场人工岛北端及北延伸段范围已经超出了所在水道规划的治导线和当地政府相关海域远期使用规划要求，考虑减少对工程所在水道河口动力及河势演变的人为干预，维持水道的泄洪纳潮功能和河势稳定，要求北延伸段应采用阻水效应较小的透空式桩基结构方案。

2.2 不停航运营条件

跑道扩建工程往往处于原有跑道航路下，为保证原机场的正常运营和飞机的安全运行，机场周围的施工活动不得超出障碍物限制面。根据相关航行资料，机场跑道北延伸段障碍物限制面控制高程为10～12 m。根据业主要求，疫情期间机场跑道每天夜间停航时间为8 h，疫情后每天夜间停航时间约为5～6 h，桩基施工等超出障碍物限制面的活动应安排在该窗口期内进行。因此，结构设计与施工方案的选择等应综合考虑施工作业窗口期、施工作业设备限高等要求后确定[4-5]。

2.3 设计机型

机场飞行区等级为4E，设计机型为E 类。另根据规划，机场尚需考虑偶尔的F 类飞机的营运操作，故采用A380-800 作为校核机型。根据美国联邦航空管理局的AC 150/5300-13A《机场设计指南》[6]，跑道桥和滑行道桥结构设计时，宜考虑对未来更大机型的兼容，推荐飞机荷载乘以1.2～1.25 的富裕系数。飞机制动力系数按0.7 考虑。

2.4 既有建筑物

海上机场跑道施工需要充分考虑原跑道的影响，既要考虑周边高程限制条件，还需考虑新建工程与既有建筑物的标高衔接。

机场跑道北侧安全区向北延伸后，考虑新老结构交通车道的平顺衔接，新建北延伸段在东北端最低点的顶标高不得超过9.09 m。原跑道人工岛护岸采用抛石斜坡堤结构，护面采用10 t 扭王字块，堤心采用10～200 kg 块石，扩建的北延伸段工程位于原人工岛护岸堤身及坡面范围的桩基受条件限制只能采用冲孔灌注桩。

2.5 水文条件

近海岸机场跑道结构无掩护且波浪作用无法忽视时，结构的底标高需与设计水位波浪作用下的结构受力安全要求相适应。机场跑道北延伸段工程的设计潮位、波浪等资料如下。

1）潮位

基面：CD（海图基准面，下同）

设计高潮位（214 a 一遇高水位）：5.69 m

校核高潮位（300 a 一遇高水位）：5.87 m

2）波浪

设计波要素见表1。

表1 设计波要素（ENE 向波浪）Table 1 Design wave parameters(ENE wave)

机场跑道北延伸段位于开敞水域，其在东北侧的顶标高被限制为9.09 m（见2.4 节），根据JTS 165—2013《海港总体设计规范》[7]计算，该处校核高潮位下的波浪波峰面高度为8.96 m。相应地，应尽量减小北延伸段上部结构高度，以减少上浪，保证结构安全。

2.6 地质条件

根据工程现有地质钻孔资料揭示，工程区域内地基土表层为较厚的淤泥，其下是冲积黏土、冲积砂土，下部为风化土（全风化和强风化花岗岩），岩面以上的上覆土层厚为20～40 m，地基土具备桩基施工条件。基岩顶板埋深整体变化趋势为东高西低。由于大部分区域基岩埋深较浅，需核算桩基承载力是否满足要求及桩端是否需嵌岩。

3 结构方案选型

3.1 基础选型

针对该机场跑道北侧安全区延伸段工程的设计条件，对灌注桩、钢管桩两种桩型进行比选。如果采用钢管桩，打桩船桩架放倒时高度为35～40 m，超出了工程区域障碍物限制面（控制高程为10～12 m），无法满足施工期机场正常运营的飞行限高要求。因此，打桩船在机场运营期需撤场，打桩船每日进场、抛锚、起锚和撤场时间较长且受风浪条件制约，每日有效打桩时间有限，施工风险特别高，并且经核算，在本工程大部分基岩埋深较浅区域，打入桩承载力均不满足设计要求。如果采用灌注桩，可在施工期设计高水位以上搭建满堂支架平台施工（高程约为3.0 m），即在临时平台与机场障碍物限制面之间存在7～9 m 的作业空间，基本可以满足灌注桩施工作业。因此，本工程桩基推荐采用灌注桩。

3.2 上部结构选型

结合机场跑道飞机荷载的特性和码头、桥梁等工程上部结构的常用形式，共提出以下4 种上部结构形式。

1）梁板结构（“现浇主梁+预应力空心板”）：主梁间的跨距10 m，主梁截面尺寸为（1 800×1 400+1 200×1 050）mm，预应力空心板厚900 mm，上部通过150 mm 厚现浇面层连成整体。

2）梁板结构（“现浇主梁+预应力次梁+预制面板”）：主梁间的跨距10 m，主梁截面尺寸为（2 200×1 200 +1 000×2 300）mm，次梁截面尺寸为（800×2 300）mm，预制面板厚350 mm，上部通过现浇面层连成整体。

3）大跨箱梁结构：上部结构采用节段预制箱梁结构，预制箱梁高2.5 m，箱梁翼缘板宽15 m。预制箱梁沿纵向跨距30 m。施工采用造桥机拼装，并通过后张法预应力形成整体，横向三排箱梁通过现浇湿接头连成整体。

4）现浇墩台结构：上部结构统一为1.5 m 厚的现浇墩体。

上部结构选型比较见表2。

表2 上部结构选型比较Table 2 Comparison of superstructure form selection

综合考虑北侧安全区延伸段较高的结构安全等级和使用年限后，“现浇主梁+预应力空心板”和“现浇墩台”结构方案受力性能与耐久性较好，施工可实施性较强，但现浇墩台结构水上施工工作量大，施工工序多，工期和造价难以控制。因此，工程推荐采用“现浇主梁+预应力空心板”结构方案。

将北侧安全区延伸段桩基平台划分为若干标准结构段和位于原人工岛护岸结构范围内的异型结构段。桩基平台标准段基础采用桩径1 200 mm灌注桩，上部结构为“现浇主梁+预应力空心板+现浇面层结构”。异型段基础采用桩径900 mm 的冲孔灌注桩，上部结构采用现浇墩体，以适应平台异型尺寸。

标准段和异型段结构典型断面图分别如图2、图3。

图2 标准结构段典型断面图Fig.2 Typical section of standard structure

图3 接岸墩台结构典型断面图Fig.3 Typical section of shore piled cap structure

4 结语

1）本文依托于某机场扩建工程对近岸机场跑道结构方案选型进行研究，考虑水利和环境影响，推荐跑道北侧安全区延伸段采用透空式桩基平台方案，并分析研究了影响近海岸机场跑道设计的关键因素，包括水利影响、不停航运营条件、设计机型、既有建筑物、水文条件、地质条件等。

2）根据相关设计条件对该机场跑道北延伸段桩基平台方案的基础和上部结构进行方案比选，桩基推荐采用灌注桩方案，上部结构推荐采用高桩梁板式方案，其中标准段采用“现浇主梁+预应力空心板”结构方案，接岸异型段采用现浇墩台结构方案。