不停航條件下近岸機(jī)場(chǎng)跑道結(jié)構(gòu)方案選型

周清泉，沈惠龍，江義

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032）

0 引言

在沿海近岸地區(qū)建設(shè)機(jī)場(chǎng)跑道對(duì)于緩解土地資源壓力、避免陸上噪音污染等有重要意義。近海岸機(jī)場(chǎng)跑道可采用人工島實(shí)體回填或透空式樁基結(jié)構(gòu)形式，與傳統(tǒng)的實(shí)體回填技術(shù)相比，樁基結(jié)構(gòu)具有場(chǎng)地適應(yīng)性好、生態(tài)影響小等優(yōu)勢(shì)。樁基跑道結(jié)構(gòu)雖然在國(guó)內(nèi)尚未有應(yīng)用實(shí)例，但在日本和歐洲有成功的應(yīng)用案例，如日本東京羽田國(guó)際機(jī)場(chǎng)[1]、葡萄牙羅納爾多國(guó)際機(jī)場(chǎng)[2]等。針對(duì)樁基跑道結(jié)構(gòu)，目前國(guó)內(nèi)沒有相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和成熟的設(shè)計(jì)方法。本文依托于某機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程，并依據(jù)水運(yùn)工程相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)不停航條件下的近岸機(jī)場(chǎng)跑道結(jié)構(gòu)方案選型進(jìn)行了探討。

1 工程概況

本文依托于某機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程中的跑道北側(cè)安全區(qū)延伸段設(shè)計(jì)。機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)等級(jí)為4E，機(jī)場(chǎng)跑道區(qū)為填海形成的人工島。原跑道安全區(qū)長(zhǎng)度不滿足《國(guó)際民用航空公約》[3]的要求，為此，本項(xiàng)目擴(kuò)建工程擬自原人工島北側(cè)邊線向北延伸150 m。北延伸段結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為I 級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為100 a。北側(cè)安全區(qū)延伸段平面位置見圖1。

圖1 北側(cè)安全區(qū)延伸段平面位置圖Fig.1 Layout of the north runway end safety extension

2 影響因素分析

2.1 水利環(huán)境影響

如果擬建工程區(qū)域的人口稠密度和生態(tài)功能定位較高，根據(jù)水利規(guī)劃相關(guān)要求，應(yīng)優(yōu)先考慮透空式跑道結(jié)構(gòu)方案，以保證防洪行洪及水質(zhì)環(huán)境的要求。以某機(jī)場(chǎng)跑道北側(cè)安全區(qū)延伸段為例，雖然實(shí)體回填與透空式樁基結(jié)構(gòu)方案相比，其工程耐久性、施工難易程度和投資等方面均具有一定優(yōu)勢(shì)，但根據(jù)相關(guān)水利規(guī)劃的總體要求，原機(jī)場(chǎng)人工島北端及北延伸段范圍已經(jīng)超出了所在水道規(guī)劃的治導(dǎo)線和當(dāng)?shù)卣嚓P(guān)海域遠(yuǎn)期使用規(guī)劃要求，考慮減少對(duì)工程所在水道河口動(dòng)力及河勢(shì)演變的人為干預(yù)，維持水道的泄洪納潮功能和河勢(shì)穩(wěn)定，要求北延伸段應(yīng)采用阻水效應(yīng)較小的透空式樁基結(jié)構(gòu)方案。

2.2 不停航運(yùn)營(yíng)條件

跑道擴(kuò)建工程往往處于原有跑道航路下，為保證原機(jī)場(chǎng)的正常運(yùn)營(yíng)和飛機(jī)的安全運(yùn)行，機(jī)場(chǎng)周圍的施工活動(dòng)不得超出障礙物限制面。根據(jù)相關(guān)航行資料，機(jī)場(chǎng)跑道北延伸段障礙物限制面控制高程為10～12 m。根據(jù)業(yè)主要求，疫情期間機(jī)場(chǎng)跑道每天夜間停航時(shí)間為8 h，疫情后每天夜間停航時(shí)間約為5～6 h，樁基施工等超出障礙物限制面的活動(dòng)應(yīng)安排在該窗口期內(nèi)進(jìn)行。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工方案的選擇等應(yīng)綜合考慮施工作業(yè)窗口期、施工作業(yè)設(shè)備限高等要求后確定[4-5]。

2.3 設(shè)計(jì)機(jī)型

機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)等級(jí)為4E，設(shè)計(jì)機(jī)型為E 類。另根據(jù)規(guī)劃，機(jī)場(chǎng)尚需考慮偶爾的F 類飛機(jī)的營(yíng)運(yùn)操作，故采用A380-800 作為校核機(jī)型。根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦航空管理局的AC 150/5300-13A《機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)指南》[6]，跑道橋和滑行道橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，宜考慮對(duì)未來更大機(jī)型的兼容，推薦飛機(jī)荷載乘以1.2～1.25 的富裕系數(shù)。飛機(jī)制動(dòng)力系數(shù)按0.7 考慮。

2.4 既有建筑物

海上機(jī)場(chǎng)跑道施工需要充分考慮原跑道的影響，既要考慮周邊高程限制條件，還需考慮新建工程與既有建筑物的標(biāo)高銜接。

機(jī)場(chǎng)跑道北側(cè)安全區(qū)向北延伸后，考慮新老結(jié)構(gòu)交通車道的平順銜接，新建北延伸段在東北端最低點(diǎn)的頂標(biāo)高不得超過9.09 m。原跑道人工島護(hù)岸采用拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)，護(hù)面采用10 t 扭王字塊，堤心采用10～200 kg 塊石，擴(kuò)建的北延伸段工程位于原人工島護(hù)岸堤身及坡面范圍的樁基受條件限制只能采用沖孔灌注樁。

2.5 水文條件

近海岸機(jī)場(chǎng)跑道結(jié)構(gòu)無掩護(hù)且波浪作用無法忽視時(shí)，結(jié)構(gòu)的底標(biāo)高需與設(shè)計(jì)水位波浪作用下的結(jié)構(gòu)受力安全要求相適應(yīng)。機(jī)場(chǎng)跑道北延伸段工程的設(shè)計(jì)潮位、波浪等資料如下。

1）潮位

基面：CD（海圖基準(zhǔn)面，下同）

設(shè)計(jì)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

設(shè)計(jì)波要素見表1。

表1 設(shè)計(jì)波要素（ENE 向波浪）Table 1 Design wave parameters(ENE wave)

機(jī)場(chǎng)跑道北延伸段位于開敞水域，其在東北側(cè)的頂標(biāo)高被限制為9.09 m（見2.4 節(jié)），根據(jù)JTS 165—2013《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]計(jì)算，該處校核高潮位下的波浪波峰面高度為8.96 m。相應(yīng)地，應(yīng)盡量減小北延伸段上部結(jié)構(gòu)高度，以減少上浪，保證結(jié)構(gòu)安全。

2.6 地質(zhì)條件

根據(jù)工程現(xiàn)有地質(zhì)鉆孔資料揭示，工程區(qū)域內(nèi)地基土表層為較厚的淤泥，其下是沖積黏土、沖積砂土，下部為風(fēng)化土（全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖），巖面以上的上覆土層厚為20～40 m，地基土具備樁基施工條件。基巖頂板埋深整體變化趨勢(shì)為東高西低。由于大部分區(qū)域基巖埋深較淺，需核算樁基承載力是否滿足要求及樁端是否需嵌巖。

3 結(jié)構(gòu)方案選型

3.1 基礎(chǔ)選型

針對(duì)該機(jī)場(chǎng)跑道北側(cè)安全區(qū)延伸段工程的設(shè)計(jì)條件，對(duì)灌注樁、鋼管樁兩種樁型進(jìn)行比選。如果采用鋼管樁，打樁船樁架放倒時(shí)高度為35～40 m，超出了工程區(qū)域障礙物限制面（控制高程為10～12 m），無法滿足施工期機(jī)場(chǎng)正常運(yùn)營(yíng)的飛行限高要求。因此，打樁船在機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)期需撤場(chǎng)，打樁船每日進(jìn)場(chǎng)、拋錨、起錨和撤場(chǎng)時(shí)間較長(zhǎng)且受風(fēng)浪條件制約，每日有效打樁時(shí)間有限，施工風(fēng)險(xiǎn)特別高，并且經(jīng)核算，在本工程大部分基巖埋深較淺區(qū)域，打入樁承載力均不滿足設(shè)計(jì)要求。如果采用灌注樁，可在施工期設(shè)計(jì)高水位以上搭建滿堂支架平臺(tái)施工（高程約為3.0 m），即在臨時(shí)平臺(tái)與機(jī)場(chǎng)障礙物限制面之間存在7～9 m 的作業(yè)空間，基本可以滿足灌注樁施工作業(yè)。因此，本工程樁基推薦采用灌注樁。

3.2 上部結(jié)構(gòu)選型

結(jié)合機(jī)場(chǎng)跑道飛機(jī)荷載的特性和碼頭、橋梁等工程上部結(jié)構(gòu)的常用形式，共提出以下4 種上部結(jié)構(gòu)形式。

1）梁板結(jié)構(gòu)（“現(xiàn)澆主梁+預(yù)應(yīng)力空心板”）：主梁間的跨距10 m，主梁截面尺寸為（1 800×1 400+1 200×1 050）mm，預(yù)應(yīng)力空心板厚900 mm，上部通過150 mm 厚現(xiàn)澆面層連成整體。

2）梁板結(jié)構(gòu)（“現(xiàn)澆主梁+預(yù)應(yīng)力次梁+預(yù)制面板”）：主梁間的跨距10 m，主梁截面尺寸為（2 200×1 200 +1 000×2 300）mm，次梁截面尺寸為（800×2 300）mm，預(yù)制面板厚350 mm，上部通過現(xiàn)澆面層連成整體。

3）大跨箱梁結(jié)構(gòu)：上部結(jié)構(gòu)采用節(jié)段預(yù)制箱梁結(jié)構(gòu)，預(yù)制箱梁高2.5 m，箱梁翼緣板寬15 m。預(yù)制箱梁沿縱向跨距30 m。施工采用造橋機(jī)拼裝，并通過后張法預(yù)應(yīng)力形成整體，橫向三排箱梁通過現(xiàn)澆濕接頭連成整體。

4）現(xiàn)澆墩臺(tái)結(jié)構(gòu)：上部結(jié)構(gòu)統(tǒng)一為1.5 m 厚的現(xiàn)澆墩體。

上部結(jié)構(gòu)選型比較見表2。

表2 上部結(jié)構(gòu)選型比較Table 2 Comparison of superstructure form selection

綜合考慮北側(cè)安全區(qū)延伸段較高的結(jié)構(gòu)安全等級(jí)和使用年限后，“現(xiàn)澆主梁+預(yù)應(yīng)力空心板”和“現(xiàn)澆墩臺(tái)”結(jié)構(gòu)方案受力性能與耐久性較好，施工可實(shí)施性較強(qiáng)，但現(xiàn)澆墩臺(tái)結(jié)構(gòu)水上施工工作量大，施工工序多，工期和造價(jià)難以控制。因此，工程推薦采用“現(xiàn)澆主梁+預(yù)應(yīng)力空心板”結(jié)構(gòu)方案。

將北側(cè)安全區(qū)延伸段樁基平臺(tái)劃分為若干標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)段和位于原人工島護(hù)岸結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)的異型結(jié)構(gòu)段。樁基平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)段基礎(chǔ)采用樁徑1 200 mm灌注樁，上部結(jié)構(gòu)為“現(xiàn)澆主梁+預(yù)應(yīng)力空心板+現(xiàn)澆面層結(jié)構(gòu)”。異型段基礎(chǔ)采用樁徑900 mm 的沖孔灌注樁，上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆墩體，以適應(yīng)平臺(tái)異型尺寸。

標(biāo)準(zhǔn)段和異型段結(jié)構(gòu)典型斷面圖分別如圖2、圖3。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)段典型斷面圖Fig.2 Typical section of standard structure

圖3 接岸墩臺(tái)結(jié)構(gòu)典型斷面圖Fig.3 Typical section of shore piled cap structure

4 結(jié)語

1）本文依托于某機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程對(duì)近岸機(jī)場(chǎng)跑道結(jié)構(gòu)方案選型進(jìn)行研究，考慮水利和環(huán)境影響，推薦跑道北側(cè)安全區(qū)延伸段采用透空式樁基平臺(tái)方案，并分析研究了影響近海岸機(jī)場(chǎng)跑道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，包括水利影響、不停航運(yùn)營(yíng)條件、設(shè)計(jì)機(jī)型、既有建筑物、水文條件、地質(zhì)條件等。

2）根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)條件對(duì)該機(jī)場(chǎng)跑道北延伸段樁基平臺(tái)方案的基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行方案比選，樁基推薦采用灌注樁方案，上部結(jié)構(gòu)推薦采用高樁梁板式方案，其中標(biāo)準(zhǔn)段采用“現(xiàn)澆主梁+預(yù)應(yīng)力空心板”結(jié)構(gòu)方案，接岸異型段采用現(xiàn)澆墩臺(tái)結(jié)構(gòu)方案。