西安機場城際鐵路引入咸陽國際機場線路方案研究

蘇碧成

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

隨著我國經濟的快速發展，人們生活水平日益提高，航空出行越來越大眾化，快速、便捷、準時成為機場與城市中心之間人們選擇交通方式的主導因素。大型機場進、出場陸側交通逐漸向以軌道交通為主體的公共交通方式轉變。我國規劃有軌道交通網絡的城市幾乎都規劃、在建或已經建成了機場軌道交通線路[1]，軌道交通以其具有運量大、污染少、速度快、準時等優點，將成為機場與城市中心間理想的交通方式[2]，同時機場屬于特殊敏感區域，控制因素較多，對軌道交通線路引入方案提出更高的要求。以西安機場城際鐵路引入咸陽國際機場為例，線路方案通過大軸力橋梁樁基關鍵技術研究以及敏感點塔臺振動、噪聲預測，既考慮機場總體規劃，又兼顧既有設施；既保證機場不停航施工，又滿足線路技術標準的前提下進行了詳細研究，保證了項目按期開通運營。

1 咸陽國際機場概況

咸陽國際機場為我國八大機場之一。現狀機場整體呈“南北兩個平行飛行區、中間夾航站區和工作區”的“H” 形布置格局，航站樓T1、T2、T3呈水平狀的“L”形布設。2016年機場調整總體規劃，最終形成“一主一輔”2個航站區，4座航站樓及3個衛星廳，其中主航站區3座航站樓，即東航站樓(規劃T5)、西航站樓(既有T3)、北航站樓(既有T1、T2)，規劃3個衛星廳，即東衛星廳、中衛星廳和西衛星廳，輔助航站區規劃1座獨立的北區航站樓。東航站樓規劃容量4 500萬人次，西航站樓規劃容量4 000萬人次，北航站樓規劃容量1 500萬人次，規劃服務近1億人次的目標年旅客吞吐量[3-4]。西安咸陽國際機場總體規劃平面示意如圖1所示。

圖1 咸陽國際機場總體規劃平面示意

機場陸側交通存在的主要問題：一是目前機場與西安市及周邊城市交通主要依靠機場東、西側兩條高速公路。預測現有及在建的地面道路系統所能提供的運能遠不能滿足機場遠期旅客吞吐量近1億人次進出港的需求。二是機場與西安北站為西安陸空兩大立體綜合交通樞紐，兩者之間缺少快速、便捷的交通線路銜接。三是西安為歷史文化古都，需要綠色軌道交通減少空氣污染以及噪聲、揚塵對文物古跡和城市環境的影響。因此，機場與城市中心之間需要大運量、少污染、快速、便捷的綠色軌道交通作為聯系的補充。

機場內部交通存在主要問題：一是機場既有交通設施保障能力不足，難以滿足陸側交通增長需求；二是機場既有3座航站樓之間距離較近，道路交叉岔口多，造成接送客車輛變道頻繁，相互間影響嚴重；三是機場各停車場出入口布置在岔口附近，彼此間距過近，降低道路系統通行能力。急需軌道交通線路引入機場，緩解機場樞紐交通壓力。

2 機場城際鐵路項目概況

機場城際鐵路線路起自北客站，經國家級西咸新區空港新城、秦漢新城至西安咸陽國際機場。線路全長29.31 km，設置10座車站，連接了西安北站與西安咸陽國際機場陸空兩大立體綜合交通樞紐，同時帶動西咸新區沿線新城的經濟發展，是一條具有復合功能的城際軌道交通線，對延伸大西安軌道交通網服務范圍，方便旅客進出港，促進沿線城鎮化進程，構建立體綜合交通樞紐，發揮西安新絲綢之路經濟帶起點作用，提升西安國家中心城市影響力具有重要意義。

3 機場城際鐵路引入機場需要解決的設計難題

咸陽國際機場作為城市對外的窗口，各種敏感控制因素較多，機場城際鐵路引入機場需符合機場總體規劃、不影響既有基礎設施、保證機場正常運營的前提下解決以下設計難題。

(1)根據機場總體規劃，結合既有設施條件，如何確定機場城際鐵路與機場規劃、既有公共交通系統、主航站樓無縫銜接的機場站位，使機場陸側、空側交通接駁達到有機融合，系統運行通暢，旅客出行便捷。

(2)依據確定的機場站位以及既有控制因素，結合線路技術標準，怎樣選出合理的線路平面走向方案，滿足機場飛行區安全要求以及環境敏感點新舊塔臺對振動、噪聲的技術要求。

(3)線路穿越機場飛行區，在滿足沉降技術要求的前提下，線路縱斷面設計怎樣兼顧節能坡度，減小項目運營能耗；線路橫斷面兩線隧道凈距如何確定，減少左右線隧道施工時互相影響，節約機場地下空間。

(4)機場西站后配線受站位條件限制，線路需下穿既有T2/T3航站樓連接引橋樁基礎，應采取何種安全、可靠、可行的設計方案，保障機場交通正常運行。

4 機場城際鐵路引入機場線路方案研究

4.1 機場范圍車站站位的研究

根據機場總體規劃，機場城際鐵路需引入主航站區東航站樓(規劃T5)、西航站樓(既有T3)、北航站樓(既有T1、T2)，解決主航站區主要客流，同時兼顧輔助航站區北航站樓客流(主、輔航站區之間交通通過機場內部捷運系統連接)。機場范圍共設置2座車站，結合規劃在緊鄰東航站樓(規劃T5)東側，規劃綜合交通樞紐(GTC)下方平行東航站樓南北向設置地下一層機場站，地面站廳層與機場規劃交通樞紐合建，通過地面換乘大廳進行客流交換。結合既有設施在西航站樓(既有T3)、北航站樓(既有T1、T2)之間沿空港路東西向設置地下二層機場西站，由于機場將規模較小的既有T1航站樓調整為貴賓候車樓，客流相對較小，機場西站位靠近客流較大的T2與T3航站樓設置，通過地下一層站廳層與T2/T3航站樓以及T3航站樓前交通樞紐相連。站位與機場公共交通(公交、大巴、小汽車)、主航站樓無縫銜接，減少旅客走行距離，既滿足機場現狀客流，又考慮機場長遠規劃客流，有效解決機場旅客換乘需求。

4.2 線路平面走向方案的選擇

線路選線是工程設計中的龍頭、靈魂，直接影響著其他相關專業的設計和投資。其中平面、縱斷面設計更是重中之重，體現了整個項目的總體布局，決定了項目建成后的面貌和效能[5-6]。

機場城際鐵路在機場、機場西站位確定的前提下，機場范圍線路走向方案需處理好線位與T1/T2航站樓跑道、滑行道以及停機坪，新、舊塔臺的關系。在滿足線路技術標準條件下選配合理線路曲線半徑，預測線位振動、噪聲對機場新、舊塔臺的影響，確定可行的線路平面走向方案。

4.2.1 規劃T5航站樓車站出站端曲線半徑的選擇

機場站平行規劃T5航站樓南北向布置，線路出站后折向西經機場飛行區(跑道、滑行道以及停機坪)至T1/T2/T3航站樓。

4.2.2 既有T2/T3航站樓車站進站端曲線半徑的選擇

機場西站設置于既有T2/T3航站樓之間，線路出站后折向北經機場新、舊塔臺，東航運行樓、配送樓，于T1航站樓東南側進入機場飛行區。

此段線路方案主要受機場既有新、舊塔臺的影響，線路運營時產生的振動、噪聲需滿足機場塔臺的技術要求。線路以R-550 m曲線半徑繞避機場新舊塔臺，線路距離機場新塔臺47 m，舊塔臺37 m；如果采用R-600 m及以上曲線半徑，線路需下穿舊塔臺或機場工作區，影響機場正常運行，機場方面明確表示不同意。經研究，線路采用R-550 m曲線半徑限速通過，同時對線路運營時產生振動和噪聲進行預測。線路平面示意如圖2所示。

圖2 引入機場線路平面示意

(1)振動預測

根據《西安北至機場城際軌道交通工程環境影響報告書》，按照HJ453—2008《環境影響評價技術導則-城市軌道交通》，采用類比、計算、分析的方法預測項目運營期對機場新舊塔臺振動的影響。

預測參數：列車振動源強根據環評報告取87.2 dB；最高運行速度100 km/h；正線地下線采用普通整體道床、鋪設無縫線路；B型車、4動2拖6節編組、車輛軸重14 t；系統最大規模24對/h；集中供電，DC1500V接觸網授電；信號采用基于通信的移動閉塞ATC系統。

預測結果：新塔臺距離線路左線中心線47 m，圓形單洞隧道，埋深20 m，行車速度85 km/h。未考慮建筑物類型修正時，新塔臺地表振動預測約65.56 dB。考慮建筑物類型修正-8 dB時約57.56 dB。舊塔臺距離線路左線中心線37 m，圓形單洞隧道，埋深約23 m，行車速度84.5 km/h。未考慮建筑物類型修正時，舊塔臺地表振動預測約66.89 dB。考慮建筑物類型修正-8 dB時約58.89 dB。

(2)噪聲預測

軌道交通噪聲是由不同類型的噪聲組合而成的，按產生噪聲的聲源分為輪軌噪聲、車輛非動力噪聲、牽引動力系統噪聲、地下鐵道引起的地面二次結構噪聲等[8]。

地下隧道為封閉結構，輪軌噪聲、車輛非動力噪聲及牽引動力系統噪聲不會傳到地面。軌道交通二次結構噪聲在線路兩側15 m范圍內衰減較快，15 m外均可達標[9]。機場新舊塔臺均在該范圍以外，噪聲不會對機場塔臺產生影響，因此對工程二次結構噪聲不做評價。

(3)預測結論

根據機場要求，機場城際鐵路與塔臺之間需滿足GB50174—2008《電子信息系統機房設計規范》環境要求，振動加速度不應大于500 mm/s2，即約94 dB。噪聲值應小于65 dB。經預測，本項目運營期振動、噪聲均滿足機場塔臺的要求，并有少量富余。

4.2.3 線路平面走向方案

綜上研究，確定了線路平面走向方案：線路自規劃東航站樓東側機場站引出，采用地下敷設方式，以R-680 m曲線半徑折向西進入機場飛行區，平行于機場現狀跑道與滑行道之間綠化帶走行，然后以R-800 m曲線半徑折向南，經T1航站樓東南側，以R-550 m曲線半徑沿既有空港路引入機場西站。線路平面走向示意如圖3所示。

圖3 線路平面走向示意(單位：m)

4.3 線路縱斷面的設計

在軌道交通線路縱斷面設計中，一般根據工程地質和水文地質條件、地面與地下構(建)筑物及其地下基礎形式與埋深確定線路埋設深度。參照這些外部控制因素，盡可能將車站設在凸形坡段上，形成“高站位、低區間”的節能坡度。使列車牽引進站時形成上坡道有利于列車減速停站，列車牽引出站時形成下坡道有利于列車加速前進，以達到運用勢能與動能之間的相互轉換來減少列車運行能耗的目的[10]。

據以往研究，最高運行速度80 km/h的線路上，加速坡坡道設置為22‰～26‰，坡長設置為250 m比較合適[11-12]。經過牽引計算模擬和工程案例分析，最高運行速度100 km/h的線路上，加速坡的長度及坡度均應較速度80 km/h線路有所增加。

成都市軌道交通9號線一期工程，西區大道口站至機投鎮站區間線路長度2.45 km，最高設計速度100 km/h，線路縱斷面采用600 m/-24‰的節能坡時所對應的列車運行時間最短，列車運行節能效果最優。但隨著坡長不變，線路坡度由-24‰遞增加至-28‰時，區間隧道縱斷面埋深隨之增大，區間風井、區間廢水泵房埋深也相應加大，導致直接工程費增加以及后期運營投入，反而不利于運營節能[13]。通過牽引模擬計算，在最高運行速度為100 km/h的條件下，對區間線路長度2～3.5 km的區段內各種坡度組合的節能坡上運營時牽引能耗結論：在區間長度為2～3 km時，節能坡坡度取-30‰，坡段長度取350 m時，運營最為節能。在區間長度為3.5 km時，節能坡坡度取-20‰時，節能效果最佳。節能坡連續坡段連接-4‰～-5‰的坡度時，作用在列車上的推力與列車的運行阻力相平衡，列車惰行運行速度基本維持不變，列車既不耗電又能保持髙速運行，其節能效果最好[14]。

綜上線路縱斷面設置節能坡的節能效果是在一定前提條件情況下實現的，節能最優也僅僅存在于理論研究中，由于車站間距、車輛選型、車輛驅動力、車輛制動力、運營時耗、運營速度、線路狀況、地質條件等影響因素均存在或多或少不確定性，很難在全條件的情況下實現運營節能效果的最優化[15]。

本工程機場站至機場西站區間長度3.5 km，全部為地下線。根據機場飛行區地質情況，線路縱斷面結合盾構施工方法需滿足機場滑行道及停機坪累計沉降要求：GB50911—2013《城市軌道交通工程監測技術規范》中累計沉降值≤10 mm，沉降速率≤1.5 mm/d，差異沉降≤0.04%Lt(Lt為兩監測點間距)等相關規定，同時盡可能采用節能坡設計。機場站根據機場總體規劃軌面埋深約13 m，出站后采用加速坡500 m/-24‰節能坡經過機場滑行道及停機坪，盡可能深埋滿足飛行區沉降要求(線路位于濕陷性黃土以下，地下水位以上)，然后采取連續坡1 200 m/-5‰坡度惰行運行(由于機場飛行區不允許設置區間風井，因此不會因區間風井埋設過深而引起土建工程投資增加)，再后接連續坡978.1 m/4.5‰出飛行區接450 m/26‰(下穿4層東航航運樓條形基礎，線路盡量深埋不對既有建筑物產生影響)節能坡度減速運行至機場西站軌面埋深約17 m，線路縱斷面示意如圖4所示。

圖4 線路縱斷面示意

施工過程通過監測，地表沉降滿足機場沉降技術要求；經過3個月試運行，列車經過本區間上坡或下坡時速度平穩，運行節能效果良好。

4.4 線路橫斷面間距的確定

兩管盾構隧道線路平行設置時，新建(右線)隧道掘進對既有(左線)隧道的影響規律：當兩管隧道結構凈距控制在1倍洞徑(6 m)以內時，新建隧道對既有隧道靠近新建隧道一側影響較大，表現為既有隧道襯砌內力受新建隧道掘進擾動影響的動力響應明顯；當兩管隧道凈距逐漸增大(>6 m)時，前者掘進對后者襯砌內力影響程度呈快速減弱趨勢[16-17]。項目機場站島式站臺線間距為17 m，線路地下敷設經機場飛行區，為避免因線間距過小而產生的結構受力交叉影響，出站后線路間距通過曲線半徑由17 m漸變為13 m，在機場飛行區兩隧道凈距大于1倍洞徑，減少左右線隧道互相影響。線路出機場飛行區后，受機場西站側式站臺引線條件控制，線間距逐漸由13 m過渡為5 m，并通過明挖隧道進行雙、單線洞隧道的轉換，滿足機場飛行區技術要求的同時對機場地下空間影響降到最小。

4.5 機場西站站后折返線的處理

根據機場既有設施分布情況，結合機場方面意見，機場西站緊靠T3航站樓北引橋南側設置，站后折返線下穿T2/T3連接引橋樁基礎，在不中斷機場正常交通的前提下，需對其異形梁樁基進行托換。通過科研專題研究，利用有限元軟件分析并結合試驗，從托換梁與既有承臺連接節點、托換梁試驗、隧道施工影響、大軸力樁基托換變形限值、監測監控及數據分析等方面，論證了大軸力樁基托換設計是安全、可靠、可行的[18-20]。

樁基托換設計方案根據被托換的梁部結構復雜、變形敏感、托換梁跨度和托換噸位大等特點，采用主動樁基托換。托換梁內包既有橋梁承臺，新舊混凝土通過“植筋+鑿毛+新舊混凝土界面劑”的方式連接，共同受力[21]。施工中建立監測監控系統，實現動態控制，信息化施工。樁基托換工程已順利實施，符合設計預期研究效果。樁基托換平剖面布置如圖5所示。

圖5 樁基托換平剖面布置(單位：cm)

5 結論

西安機場城際鐵路引入咸陽國際機場線路方案既尊重機場現狀基礎設施，又兼顧機場總體規劃，保障在機場不停航的前提下完成項目建設，為以后類似其他軌道交通線路引入機場提供經驗。

(1)機場范圍內以機場總體規劃和既有設施為基礎，合理布設與機場公交系統、主航站樓無縫銜接的車站站位。機場站考慮規劃T5航站樓客流，機場西站滿足機場現狀T1/T2/T3航站樓客流，站位兼顧了機場規劃與現狀客流。

(2)根據機場設置站位，沿線既有主要控制因素，結合線路技術標準，合理選取規劃T5航站樓車站出站端曲線半徑以及既有T2/T3航站樓車站進站端曲線半徑，處理好線位與機場飛行區以及敏感點新舊塔臺的關系，確定了可行的線路平面走向方案。

(3)線路縱斷面依據機場地質情況以及機場飛行區沉降技術要求，結合線路平面走向設計為節能坡，滿足沉降控制的同時減少線路運營能耗。

(4)線路橫斷面在機場飛行區范圍兩隧道線間距設計為13 m，凈距大于1倍洞徑(6 m)，減小左右線盾構施工相互影響，最大程度節約機場地下空間。

(5)機場西站站后折返線下穿T2/T3連接引橋樁基礎，通過課題研究，對其異形梁樁基進行托換，在不中斷機場正常交通的前提下完成了工程施工。