成都至自貢高速鐵路引入天府機(jī)場(chǎng)方案分析

牛建青 金旭煒 楊吉忠 王 甦 林 奎

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 成都 610031)

1 項(xiàng)目概述

新建成都至自貢高速鐵路(以下簡(jiǎn)稱成自高鐵)是一條長(zhǎng)途客流與城際客流并重的區(qū)域性快速客運(yùn)干線，線路從既有成都東站引出，終點(diǎn)接綿瀘高速鐵路自貢東站，設(shè)計(jì)速度350 km/h[1]，正線長(zhǎng)約177 km，新建天府、天府機(jī)場(chǎng)、資陽西、球溪和威遠(yuǎn)等5座車站[2]。線路在DK 56+250～DK 64+090段下穿天府機(jī)場(chǎng)，并在負(fù)二層設(shè)天府機(jī)場(chǎng)站[3], 采用明挖法與機(jī)場(chǎng)跑道綜合體工程聯(lián)建。天府機(jī)場(chǎng)為4F級(jí)國際機(jī)場(chǎng)，位于成都市東南部，是“國家十三五”規(guī)劃建設(shè)的我國最大民用機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目，定位為中西部門戶樞紐機(jī)場(chǎng)、國家級(jí)國際航空樞紐和中西部地區(qū)國際貨運(yùn)口岸。

目前，國內(nèi)外鐵路引入機(jī)場(chǎng)的運(yùn)行速度一般為160 km/h或200 km/h，最高不超過250 km/h，目前尚無設(shè)計(jì)速度350 km/h高速鐵路引入機(jī)場(chǎng)的工程案例，故本項(xiàng)目在諸多方面無經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，尤其是在高鐵引入機(jī)場(chǎng)的方案確定上。重點(diǎn)體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是成自高鐵引入天府機(jī)場(chǎng)線路方案，需結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)、堅(jiān)持“空鐵一體化”、“旅客零換乘”理念，分層次、綜合各項(xiàng)因素從宏觀到局部開展方案比選；二是高鐵引入機(jī)場(chǎng)后，需對(duì)振動(dòng)、結(jié)構(gòu)安全性、空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)及電磁干擾等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)開展分析，對(duì)引入方案的合理性進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)工程措施設(shè)置提出指導(dǎo)性意見。

2 成自高鐵引入機(jī)場(chǎng)線路方案

成自高鐵項(xiàng)目宏觀走向方案是引入機(jī)場(chǎng)方案研究比選的基礎(chǔ)。根據(jù)成都鐵路樞紐總圖規(guī)劃、沿線經(jīng)濟(jì)據(jù)點(diǎn)和地形地貌等因素比選線路宏觀走向方案。根據(jù)線路宏觀走向方案，比選成自高鐵引入機(jī)場(chǎng)線路方案，包括成自高鐵引入機(jī)場(chǎng)線路走向方案和局部方案。

2.1 線路宏觀走向方案

線路宏觀走向比選了東線、中線和西線3個(gè)方案。

(1)東線方案

正線直接進(jìn)入機(jī)場(chǎng)，線路自成都東站引出后，經(jīng)天府、天府機(jī)場(chǎng)、資陽、資中、威遠(yuǎn)縣至自貢，通過自貢至宜賓鐵路到達(dá)宜賓。正線建筑長(zhǎng)度177 km，投資370億元[4]。

(2)中線方案

通過支線進(jìn)入機(jī)場(chǎng)，線路自成都東站引出后，經(jīng)天府、天府機(jī)場(chǎng)、仁壽、威遠(yuǎn)縣至自貢，通過自貢至宜賓鐵路到達(dá)宜賓市。正線建筑長(zhǎng)度185 km，投資411億元。

(3)西線方案

支線引入機(jī)場(chǎng)，線路自成都東站引出后，經(jīng)天府、天府機(jī)場(chǎng)、仁壽、榮縣至宜賓。正線建筑長(zhǎng)度249 km，投資498億元。

中線和西線方案工程投資高，且正線不進(jìn)入天府機(jī)場(chǎng)，與天府機(jī)場(chǎng)國際性綜合交通樞紐定位不相符，故推薦采用東線方案。

2.2 引入天府機(jī)場(chǎng)線路方案

同步規(guī)劃引入天府機(jī)場(chǎng)的交通項(xiàng)目眾多，根據(jù)項(xiàng)目特征，理清項(xiàng)目相互間的徑路關(guān)系是引入機(jī)場(chǎng)線路方案研究比選的邊界條件。

天府機(jī)場(chǎng)近期建設(shè)T1、T2航站樓及配套GTC和3條跑道；遠(yuǎn)期預(yù)留T3、T4航站樓及配套GTC和3條跑道?？傄?guī)模為6條跑道、4座航站樓、2座GTC，滿足旅客吞吐量1億人次/年。

引入天府機(jī)場(chǎng)的高鐵項(xiàng)目有成自高鐵和規(guī)劃的成遂城際鐵路，根據(jù)項(xiàng)目運(yùn)量預(yù)測(cè)，近期建設(shè)成自高鐵，預(yù)留遠(yuǎn)期成遂城際鐵路建設(shè)條件。因成遂城際鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)及建設(shè)時(shí)機(jī)均不確定，采用近、遠(yuǎn)期結(jié)合方案，即成自高鐵引入機(jī)場(chǎng)，成遂城際遠(yuǎn)期從機(jī)場(chǎng)外側(cè)通過。引入天府機(jī)場(chǎng)軌道交通項(xiàng)目有地鐵18號(hào)線、13號(hào)線。引入天府機(jī)場(chǎng)公路主要有新機(jī)場(chǎng)高速公路及穿場(chǎng)公路。

由于地鐵換乘客流較大，考慮旅客換乘的便捷性，確定各引入項(xiàng)目之間的空間敷設(shè)關(guān)系為地鐵位于機(jī)場(chǎng)負(fù)一層，成自高鐵位于機(jī)場(chǎng)負(fù)二層。

2.3 引入機(jī)場(chǎng)方案比選原則

(1)分層次開展引入機(jī)場(chǎng)方案比選，由宏觀到局部逐步推進(jìn)。先確定項(xiàng)目宏觀走向方案，再進(jìn)行引入機(jī)場(chǎng)線路方案比選，然后根據(jù)機(jī)場(chǎng)具體布置、旅客換乘需求及工程條件等開展局部方案比選，最終確定引入機(jī)場(chǎng)線路平面及標(biāo)高。

(2)根據(jù)區(qū)域交通項(xiàng)目規(guī)劃情況，明確引入機(jī)場(chǎng)內(nèi)的項(xiàng)目，結(jié)合客流換乘、工程布置等因素確定各項(xiàng)目之間的線路敷設(shè)空間關(guān)系。

(3)遵循“先定點(diǎn)、后定線、點(diǎn)線結(jié)合”的原則，先開展GTC方案研究，再綜合其他因素進(jìn)一步對(duì)引入線路方案進(jìn)行比選，綜合確定最終方案。

(4)充分考慮民航行業(yè)對(duì)高鐵引入的相關(guān)規(guī)定及機(jī)場(chǎng)建設(shè)方要求，包括機(jī)場(chǎng)范圍內(nèi)允許穿越的區(qū)域和設(shè)備間距要求等。

(5)充分考慮工程結(jié)構(gòu)合理性。

(6)充分考慮近、遠(yuǎn)期工程的結(jié)合，保證工程可實(shí)施性。

2.3.1 引入機(jī)場(chǎng)走向方案

(1)綜合交通換乘中心(GTC)方案

綜合交通換乘中心(GTC)是構(gòu)建天府機(jī)場(chǎng)綜合客運(yùn)交通體系的關(guān)鍵性節(jié)點(diǎn)，也是成自高鐵引入天府機(jī)場(chǎng)線路上的關(guān)鍵點(diǎn)。遵循“先定點(diǎn)、后定線、點(diǎn)線結(jié)合”的原則，先開展GTC方案研究，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行引入機(jī)場(chǎng)線路走向的方案比選，綜合其他因素確定最終引入方案。

GTC是實(shí)現(xiàn)綜合交通樞紐功能的載體，其核心是堅(jiān)持系統(tǒng)集成理念，把“空、鐵、公”三者有機(jī)結(jié)合在一起。從區(qū)位上看，天府國際機(jī)場(chǎng)大致為南北向，高鐵、城市軌道交通線路走向大致呈東西向，GTC主要有零換乘斜穿、零換乘平行、分離式布局3種布置方案，如圖1所示。

圖1 綜合交通換乘中心(GTC)方案示意圖

從圖1可以看出，零換乘斜穿和零換乘平行方案的航站區(qū)、高鐵及地鐵車站位于同一點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)“旅客零換乘”及快捷、高效、方便的目標(biāo)；分離式布局方案車站遠(yuǎn)離航站區(qū)，需利用大巴或地鐵二次換乘，換乘不便[5-6]。 在條件允許的前提下，GTC設(shè)置應(yīng)優(yōu)先采用零換乘方案。

(2)線路走向方案

根據(jù)綜合交通換乘中心(GTC)設(shè)置方案、天府機(jī)場(chǎng)總體布置等，線路走向比選了斜穿機(jī)場(chǎng)、正穿機(jī)場(chǎng)及平行機(jī)場(chǎng)跑道3個(gè)方案，如圖2所示。

圖2 引入機(jī)場(chǎng)走向方案示意圖

①斜穿機(jī)場(chǎng)方案

線路避開西二、西一跑道，由西北-東南向斜穿TI、T2航站樓進(jìn)入GTC設(shè)站，后下穿東二跑道。地鐵18號(hào)線與13號(hào)線分別由南、北側(cè)平行跑道引入GTC設(shè)站。

②正穿機(jī)場(chǎng)方案

線路正穿天府機(jī)場(chǎng)西一(近期)、西二(遠(yuǎn)期)跑道進(jìn)入GTC設(shè)站。地鐵18號(hào)線與13號(hào)線分別由南、北側(cè)平行跑道進(jìn)入GTC設(shè)站。

③平行機(jī)場(chǎng)跑道方案

線路平行機(jī)場(chǎng)跑道進(jìn)入GTC下設(shè)站。地鐵18號(hào)線、13號(hào)線與鐵路并行進(jìn)入GTC設(shè)站，地鐵與高鐵站點(diǎn)重疊布置。

(3)綜合比選

3個(gè)方案的綜合比選分析如表1所示。

表1 方案比選分析表

由表1可知，正穿機(jī)場(chǎng)方案雖然投資最省，但因機(jī)場(chǎng)建設(shè)方不同意下穿西一、西二跑道，方案實(shí)施性較差；平行機(jī)場(chǎng)跑道方案投資增加9億多元，且需先期實(shí)施存在一定不確定性的機(jī)場(chǎng)遠(yuǎn)期部分工程，風(fēng)險(xiǎn)較大；斜穿機(jī)場(chǎng)方案從工程投資、旅客換乘、工程結(jié)構(gòu)及與機(jī)場(chǎng)規(guī)劃結(jié)合等方面均較為合理，故推薦采用斜穿機(jī)場(chǎng)方案。

2.3 引入機(jī)場(chǎng)局部方案

引入機(jī)場(chǎng)走向方案確定后，根據(jù)機(jī)場(chǎng)跑道分布、TI、T2航站樓GTC位置及機(jī)場(chǎng)建設(shè)方意見等，對(duì)斜穿方案進(jìn)一步細(xì)化，比選了穿遠(yuǎn)期東二跑道不限速、繞避跑道限速方案及GTC北側(cè)設(shè)站不限速3個(gè)方案(如圖3所示)，方案比選分析如表2所示。

圖3 引入機(jī)場(chǎng)局部方案比選示意圖

由表2可知，繞避跑道限速方案限速217 km/h，不符合項(xiàng)目功能定位；GTC北側(cè)設(shè)站不限速方案符合項(xiàng)目功能定位，且投資省，但旅客換乘不便，機(jī)場(chǎng)建設(shè)方反對(duì)；穿東二(遠(yuǎn)期)跑道不限速方案滿足各項(xiàng)條件，故建議推薦采用穿東二(遠(yuǎn)期)跑道不限速方案。

表2 方案比選分析表

3 成自高鐵引入天府機(jī)場(chǎng)關(guān)鍵技術(shù)

成自高鐵是世界上首條下穿機(jī)場(chǎng)起降跑道、航站樓、綜合交通中心和工作區(qū)的高速鐵路，下穿跑道對(duì)導(dǎo)航設(shè)備的振動(dòng)影響、飛機(jī)起降荷載對(duì)高鐵隧道結(jié)構(gòu)安全的影響、列車以350 km/h速度通過地下車站的空氣動(dòng)力效應(yīng)、高鐵與機(jī)場(chǎng)電磁干擾的耦合機(jī)理等是高鐵引入機(jī)場(chǎng)方案的關(guān)鍵技術(shù)，既可驗(yàn)證引入方案的合理性，也可指導(dǎo)工程措施得合理設(shè)置。

3.1 成自高鐵下穿東二跑道對(duì)導(dǎo)航設(shè)備的振動(dòng)影響分析

為研究列車振動(dòng)對(duì)航空導(dǎo)航設(shè)備的影響，對(duì)天府機(jī)場(chǎng)的導(dǎo)航天線進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)模態(tài)測(cè)試。

利用錘擊法對(duì)導(dǎo)航天線進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得到垂向固有頻率為23.579 Hz、39.009 Hz、42.841 Hz和45.811 Hz，橫向固有頻率為3.772 Hz、37.299 Hz、40.383 Hz和46.742 Hz，縱向固有頻率為4.962 Hz、36.823 Hz、46.893 Hz和57.811 Hz。

對(duì)導(dǎo)航設(shè)備進(jìn)行有限元模態(tài)分析，利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行修正；為獲取真實(shí)的列車振源激勵(lì)，建立輪軌系統(tǒng)的精細(xì)化模型，更為真實(shí)地模擬列車運(yùn)行引起的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)；構(gòu)建列車-軌道-隧道-大地-設(shè)備機(jī)房/導(dǎo)航天線三維相互作用模型，對(duì)振動(dòng)沿地面?zhèn)鬟f至導(dǎo)航設(shè)備的特性進(jìn)行研究。成自鐵路以時(shí)速350 km通過天府機(jī)場(chǎng)時(shí)，設(shè)備機(jī)房x、y和z向的峰值振動(dòng)加速度分別為 0.019 6 m/s2、0.010 9 m/s2和 0.023 5 m/s2，峰值振動(dòng)位移 0.001 88 mm、0.001 17 mm和 0.001 42 mm。該結(jié)果滿足《天府國際機(jī)場(chǎng)空管設(shè)施電磁防護(hù)及振動(dòng)防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的函》垂向位移不大于0.15 mm或加速度小于19.6 m/s2的要求，同時(shí)也滿足GB 50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》機(jī)房地表面垂直及水平向的振動(dòng)加速度不應(yīng)大于500 mm/s2d要求。因此，成自高速鐵路下穿東二跑道對(duì)導(dǎo)航設(shè)備的振動(dòng)無影響。

3.2 飛機(jī)起降荷載對(duì)高鐵隧道結(jié)構(gòu)安全的影響分析

利用ABAQUS軟件建立跑道-圍巖-隧道-軌道耦合動(dòng)力計(jì)算模型，分析并探討了飛機(jī)在不同機(jī)型、起落方式、著陸位置和載客數(shù)量時(shí)的隧道襯砌結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明，著陸位置越靠近交叉點(diǎn)，著陸方式越粗暴，載客數(shù)量越大，隧道襯砌結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)越強(qiáng)烈。敏感性分析結(jié)果表明著陸方式為主要影響因素，載客數(shù)量和著陸位置均為次要影響因素，利用正交試驗(yàn)方法可對(duì)各個(gè)因素影響程度進(jìn)行排序[7]。

利用Fe-safe軟件研究襯砌結(jié)構(gòu)在循環(huán)飛機(jī)荷載作用下的累積疲勞損傷規(guī)律，分析了不同因素下隧道襯砌疲勞壽命，并預(yù)測(cè)了最不利工況下襯砌混凝土的掉塊特性和襯砌開裂破壞的大致時(shí)間。結(jié)果表明：拱頂位置的損傷最突出，其次為邊墻部位；拱頂開始發(fā)生開裂的時(shí)間大致為2.45年(循環(huán)5.01×106次)，之后損傷范圍持續(xù)擴(kuò)大，裂縫貫通掉塊的危險(xiǎn)性增大，邊墻開始發(fā)生開裂的時(shí)間大致為488年(循環(huán)108次)。故建議及時(shí)對(duì)襯砌裂縫進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)和修復(fù)。

根據(jù)以上分析，成自高速鐵路天府機(jī)場(chǎng)隧道設(shè)計(jì)應(yīng)計(jì)入飛機(jī)沖擊荷載，沖擊系數(shù)按1.2考慮，襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。

3.3 列車以350 km/h通過地下車站的空氣動(dòng)力效應(yīng)分析

高速列車以350 km/h通過地下車站誘發(fā)的瞬變壓力、列車風(fēng)等氣動(dòng)效應(yīng)將嚴(yán)重影響乘客的舒適性、站內(nèi)設(shè)施及建筑物的使用壽命以及列車的運(yùn)行安全。

采用數(shù)值仿真方法，對(duì)高速列車下穿天府機(jī)場(chǎng)車站隧道時(shí)所產(chǎn)生的空氣動(dòng)力效應(yīng)進(jìn)行分析，空氣動(dòng)力學(xué)模型如圖4所示。兩列車以350 km/h的速度在地下車站交會(huì)時(shí)，車內(nèi)壓力在靜態(tài)氣密性指數(shù)為36 s時(shí)均滿足人耳舒適性要求，屏蔽門表面的壓力變化幅值最大值為 3 945 Pa，隔離墻表面的壓力變化幅值最大值為 6 022 Pa。豎井面積對(duì)屏蔽門及隔離墻表面的壓力變化影響甚微。隔離墻長(zhǎng)度對(duì)列車表面測(cè)點(diǎn)的壓力變化規(guī)律和幅值影響較小，壓力變化幅值隨隔墻長(zhǎng)度的增加而減小，隔離墻長(zhǎng)度改變了隧道進(jìn)出口、屏蔽門表面及隔離墻表面的壓力波動(dòng)規(guī)律和壓力變化幅值。緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)隧道壁面、屏蔽門表面及隔離墻表面的壓力波動(dòng)規(guī)律影響較小，但對(duì)隧道壁面的壓力變化幅值有較大影響[8]。基于以上分析，天府機(jī)場(chǎng)站島式站臺(tái)兩側(cè)均設(shè)置了屏蔽門。

圖4 地下車站空氣動(dòng)力學(xué)模型圖

3.4 高鐵與機(jī)場(chǎng)電磁干擾的耦合機(jī)理分析

在鐵路和機(jī)場(chǎng)的交叉區(qū)域，高速列車產(chǎn)生的復(fù)雜電磁場(chǎng)環(huán)境可能會(huì)影響機(jī)場(chǎng)飛機(jī)的導(dǎo)航信號(hào)。因此全面分析了鐵路系統(tǒng)運(yùn)行過程中的主要騷擾源，包括牽引供電系統(tǒng)、機(jī)車車輛系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等，采用ANSYS軟件提供的Maxwell、HFSS兩大模塊，依據(jù)工程實(shí)際對(duì)鐵路系統(tǒng)的各模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，分析不同氣候狀況、土壤屬性和隧道施工等環(huán)境及弓網(wǎng)離線電弧工況下，單個(gè)騷擾源及組合騷擾源的空間電磁場(chǎng)分布。350 km/h高速列車初期電弧加載時(shí)的最大磁場(chǎng)強(qiáng)度約為5.3×10-9T，電弧燃燒最劇烈的狀態(tài)下的磁場(chǎng)強(qiáng)度能達(dá)到5.3×10-3T，不同瞬時(shí)即不同距離處的磁密度曲線幅度存在差別，電弧穩(wěn)態(tài)燃燒的最高磁通能達(dá)到2.5 wb/m2。隧道結(jié)構(gòu)對(duì)弓網(wǎng)電弧加載下軌道交通系統(tǒng)周圍靜電場(chǎng)的分布有明顯影響，基本能將電場(chǎng)線集中在隧道壁內(nèi)側(cè)，加之隧道結(jié)構(gòu)中含有鋼筋網(wǎng)，電場(chǎng)衰減更快。成自高鐵下穿天府機(jī)場(chǎng)段全部為隧道工程，因此高速列車產(chǎn)生的復(fù)雜電磁場(chǎng)環(huán)境對(duì)機(jī)場(chǎng)無影響。

4 結(jié)束語

天府國際機(jī)場(chǎng)是我國“十三五”期間規(guī)劃建設(shè)的最大民用運(yùn)輸樞紐機(jī)場(chǎng)，是成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈國家戰(zhàn)略的重要支撐，打造天府機(jī)場(chǎng)現(xiàn)代綜合交通樞紐，需把高鐵、城市軌道、公路等地面交通引入機(jī)場(chǎng)，通過綜合換乘中心(GTC)實(shí)現(xiàn)“空鐵公”無縫銜接、零距離換乘，最大程度方便旅客，高鐵引入機(jī)場(chǎng)方案的確定是整個(gè)集成系統(tǒng)研究工作的基礎(chǔ)。本文從高鐵引入機(jī)場(chǎng)線路方案和下穿機(jī)場(chǎng)關(guān)鍵技術(shù)兩個(gè)方面進(jìn)行分析，總結(jié)了高鐵引入機(jī)場(chǎng)方案比選的思路、方法和原則以及高鐵下穿機(jī)場(chǎng)的影響和關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)高鐵引入方案進(jìn)行了驗(yàn)證，并提出了相應(yīng)的工程措施，可為類似的工程建設(shè)提供參考。