成都至自貢高速鐵路引入天府機場方案分析

牛建青 金旭煒 楊吉忠 王 甦 林 奎

(中鐵二院工程集團有限責任公司, 成都 610031)

1 項目概述

新建成都至自貢高速鐵路(以下簡稱成自高鐵)是一條長途客流與城際客流并重的區(qū)域性快速客運干線，線路從既有成都東站引出，終點接綿瀘高速鐵路自貢東站，設計速度350 km/h[1]，正線長約177 km，新建天府、天府機場、資陽西、球溪和威遠等5座車站[2]。線路在DK 56+250～DK 64+090段下穿天府機場，并在負二層設天府機場站[3], 采用明挖法與機場跑道綜合體工程聯(lián)建。天府機場為4F級國際機場，位于成都市東南部，是“國家十三五”規(guī)劃建設的我國最大民用機場項目，定位為中西部門戶樞紐機場、國家級國際航空樞紐和中西部地區(qū)國際貨運口岸。

目前，國內外鐵路引入機場的運行速度一般為160 km/h或200 km/h，最高不超過250 km/h，目前尚無設計速度350 km/h高速鐵路引入機場的工程案例，故本項目在諸多方面無經(jīng)驗可供借鑒，尤其是在高鐵引入機場的方案確定上。重點體現(xiàn)在以下兩個方面：一是成自高鐵引入天府機場線路方案，需結合項目特點、堅持“空鐵一體化”、“旅客零換乘”理念，分層次、綜合各項因素從宏觀到局部開展方案比選；二是高鐵引入機場后，需對振動、結構安全性、空氣動力學效應及電磁干擾等多項關鍵技術開展分析，對引入方案的合理性進行驗證，并對工程措施設置提出指導性意見。

2 成自高鐵引入機場線路方案

成自高鐵項目宏觀走向方案是引入機場方案研究比選的基礎。根據(jù)成都鐵路樞紐總圖規(guī)劃、沿線經(jīng)濟據(jù)點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場線路方案，包括成自高鐵引入機場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個方案。

(1)東線方案

正線直接進入機場，線路自成都東站引出后，經(jīng)天府、天府機場、資陽、資中、威遠縣至自貢，通過自貢至宜賓鐵路到達宜賓。正線建筑長度177 km，投資370億元[4]。

(2)中線方案

通過支線進入機場，線路自成都東站引出后，經(jīng)天府、天府機場、仁壽、威遠縣至自貢，通過自貢至宜賓鐵路到達宜賓市。正線建筑長度185 km，投資411億元。

(3)西線方案

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

中線和西線方案工程投資高，且正線不進入天府機場，與天府機場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 引入天府機場線路方案

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

天府機場近期建設T1、T2航站樓及配套GTC和3條跑道；遠期預留T3、T4航站樓及配套GTC和3條跑道。總規(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。

引入天府機場的高鐵項目有成自高鐵和規(guī)劃的成遂城際鐵路，根據(jù)項目運量預測，近期建設成自高鐵，預留遠期成遂城際鐵路建設條件。因成遂城際鐵路建設標準及建設時機均不確定，采用近、遠期結合方案，即成自高鐵引入機場，成遂城際遠期從機場外側通過。引入天府機場軌道交通項目有地鐵18號線、13號線。引入天府機場公路主要有新機場高速公路及穿場公路。

由于地鐵換乘客流較大，考慮旅客換乘的便捷性，確定各引入項目之間的空間敷設關系為地鐵位于機場負一層，成自高鐵位于機場負二層。

2.3 引入機場方案比選原則

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

(2)根據(jù)區(qū)域交通項目規(guī)劃情況，明確引入機場內的項目，結合客流換乘、工程布置等因素確定各項目之間的線路敷設空間關系。

(3)遵循“先定點、后定線、點線結合”的原則，先開展GTC方案研究，再綜合其他因素進一步對引入線路方案進行比選，綜合確定最終方案。

(4)充分考慮民航行業(yè)對高鐵引入的相關規(guī)定及機場建設方要求，包括機場范圍內允許穿越的區(qū)域和設備間距要求等。

(5)充分考慮工程結構合理性。

(6)充分考慮近、遠期工程的結合，保證工程可實施性。

2.3.1 引入機場走向方案

(1)綜合交通換乘中心(GTC)方案

綜合交通換乘中心(GTC)是構建天府機場綜合客運交通體系的關鍵性節(jié)點，也是成自高鐵引入天府機場線路上的關鍵點。遵循“先定點、后定線、點線結合”的原則，先開展GTC方案研究，在此基礎上進行引入機場線路走向的方案比選，綜合其他因素確定最終引入方案。

GTC是實現(xiàn)綜合交通樞紐功能的載體，其核心是堅持系統(tǒng)集成理念，把“空、鐵、公”三者有機結合在一起。從區(qū)位上看，天府國際機場大致為南北向，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，可實現(xiàn)“旅客零換乘”及快捷、高效、方便的目標；分離式布局方案車站遠離航站區(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設置應優(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)設置方案、天府機場總體布置等，線路走向比選了斜穿機場、正穿機場及平行機場跑道3個方案，如圖2所示。

圖2 引入機場走向方案示意圖

①斜穿機場方案

線路避開西二、西一跑道，由西北-東南向斜穿TI、T2航站樓進入GTC設站，后下穿東二跑道。地鐵18號線與13號線分別由南、北側平行跑道引入GTC設站。

②正穿機場方案

線路正穿天府機場西一(近期)、西二(遠期)跑道進入GTC設站。地鐵18號線與13號線分別由南、北側平行跑道進入GTC設站。

③平行機場跑道方案

線路平行機場跑道進入GTC下設站。地鐵18號線、13號線與鐵路并行進入GTC設站，地鐵與高鐵站點重疊布置。

(3)綜合比選

3個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，正穿機場方案雖然投資最省，但因機場建設方不同意下穿西一、西二跑道，方案實施性較差；平行機場跑道方案投資增加9億多元，且需先期實施存在一定不確定性的機場遠期部分工程，風險較大；斜穿機場方案從工程投資、旅客換乘、工程結構及與機場規(guī)劃結合等方面均較為合理，故推薦采用斜穿機場方案。

2.3 引入機場局部方案

引入機場走向方案確定后，根據(jù)機場跑道分布、TI、T2航站樓GTC位置及機場建設方意見等，對斜穿方案進一步細化，比選了穿遠期東二跑道不限速、繞避跑道限速方案及GTC北側設站不限速3個方案(如圖3所示)，方案比選分析如表2所示。

圖3 引入機場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，不符合項目功能定位；GTC北側設站不限速方案符合項目功能定位，且投資省，但旅客換乘不便，機場建設方反對；穿東二(遠期)跑道不限速方案滿足各項條件，故建議推薦采用穿東二(遠期)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場關鍵技術

成自高鐵是世界上首條下穿機場起降跑道、航站樓、綜合交通中心和工作區(qū)的高速鐵路，下穿跑道對導航設備的振動影響、飛機起降荷載對高鐵隧道結構安全的影響、列車以350 km/h速度通過地下車站的空氣動力效應、高鐵與機場電磁干擾的耦合機理等是高鐵引入機場方案的關鍵技術，既可驗證引入方案的合理性，也可指導工程措施得合理設置。

3.1 成自高鐵下穿東二跑道對導航設備的振動影響分析

為研究列車振動對航空導航設備的影響，對天府機場的導航天線進行現(xiàn)場和室內模態(tài)測試。

利用錘擊法對導航天線進行現(xiàn)場測試，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。

對導航設備進行有限元模態(tài)分析，利用實驗結果對模型進行修正；為獲取真實的列車振源激勵，建立輪軌系統(tǒng)的精細化模型，更為真實地模擬列車運行引起的動力學響應；構建列車-軌道-隧道-大地-設備機房/導航天線三維相互作用模型，對振動沿地面?zhèn)鬟f至導航設備的特性進行研究。成自鐵路以時速350 km通過天府機場時，設備機房x、y和z向的峰值振動加速度分別為 0.019 6 m/s2、0.010 9 m/s2和 0.023 5 m/s2，峰值振動位移 0.001 88 mm、0.001 17 mm和 0.001 42 mm。該結果滿足《天府國際機場空管設施電磁防護及振動防護標準的函》垂向位移不大于0.15 mm或加速度小于19.6 m/s2的要求，同時也滿足GB 50174-2017《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》機房地表面垂直及水平向的振動加速度不應大于500 mm/s2d要求。因此，成自高速鐵路下穿東二跑道對導航設備的振動無影響。

3.2 飛機起降荷載對高鐵隧道結構安全的影響分析

利用ABAQUS軟件建立跑道-圍巖-隧道-軌道耦合動力計算模型，分析并探討了飛機在不同機型、起落方式、著陸位置和載客數(shù)量時的隧道襯砌結構動力響應規(guī)律。結果表明，著陸位置越靠近交叉點，著陸方式越粗暴，載客數(shù)量越大，隧道襯砌結構動力響應越強烈。敏感性分析結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，利用正交試驗方法可對各個因素影響程度進行排序[7]。

利用Fe-safe軟件研究襯砌結構在循環(huán)飛機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，并預測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間。結果表明：拱頂位置的損傷最突出，其次為邊墻部位；拱頂開始發(fā)生開裂的時間大致為2.45年(循環(huán)5.01×106次)，之后損傷范圍持續(xù)擴大，裂縫貫通掉塊的危險性增大，邊墻開始發(fā)生開裂的時間大致為488年(循環(huán)108次)。故建議及時對襯砌裂縫進行補強和修復。

根據(jù)以上分析，成自高速鐵路天府機場隧道設計應計入飛機沖擊荷載，沖擊系數(shù)按1.2考慮，襯砌結構進行加強。

3.3 列車以350 km/h通過地下車站的空氣動力效應分析

高速列車以350 km/h通過地下車站誘發(fā)的瞬變壓力、列車風等氣動效應將嚴重影響乘客的舒適性、站內設施及建筑物的使用壽命以及列車的運行安全。

采用數(shù)值仿真方法，對高速列車下穿天府機場車站隧道時所產(chǎn)生的空氣動力效應進行分析，空氣動力學模型如圖4所示。兩列車以350 km/h的速度在地下車站交會時，車內壓力在靜態(tài)氣密性指數(shù)為36 s時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。豎井面積對屏蔽門及隔離墻表面的壓力變化影響甚微。隔離墻長度對列車表面測點的壓力變化規(guī)律和幅值影響較小，壓力變化幅值隨隔墻長度的增加而減小，隔離墻長度改變了隧道進出口、屏蔽門表面及隔離墻表面的壓力波動規(guī)律和壓力變化幅值。緩沖結構對隧道壁面、屏蔽門表面及隔離墻表面的壓力波動規(guī)律影響較小，但對隧道壁面的壓力變化幅值有較大影響[8]。基于以上分析，天府機場站島式站臺兩側均設置了屏蔽門。

圖4 地下車站空氣動力學模型圖

3.4 高鐵與機場電磁干擾的耦合機理分析

在鐵路和機場的交叉區(qū)域，高速列車產(chǎn)生的復雜電磁場環(huán)境可能會影響機場飛機的導航信號。因此全面分析了鐵路系統(tǒng)運行過程中的主要騷擾源，包括牽引供電系統(tǒng)、機車車輛系統(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)工程實際對鐵路系統(tǒng)的各模型進行簡化，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，單個騷擾源及組合騷擾源的空間電磁場分布。350 km/h高速列車初期電弧加載時的最大磁場強度約為5.3×10-9T，電弧燃燒最劇烈的狀態(tài)下的磁場強度能達到5.3×10-3T，不同瞬時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到2.5 wb/m2。隧道結構對弓網(wǎng)電弧加載下軌道交通系統(tǒng)周圍靜電場的分布有明顯影響，基本能將電場線集中在隧道壁內側，加之隧道結構中含有鋼筋網(wǎng)，電場衰減更快。成自高鐵下穿天府機場段全部為隧道工程，因此高速列車產(chǎn)生的復雜電磁場環(huán)境對機場無影響。

4 結束語

天府國際機場是我國“十三五”期間規(guī)劃建設的最大民用運輸樞紐機場，是成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈國家戰(zhàn)略的重要支撐，打造天府機場現(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場，通過綜合換乘中心(GTC)實現(xiàn)“空鐵公”無縫銜接、零距離換乘，最大程度方便旅客，高鐵引入機場方案的確定是整個集成系統(tǒng)研究工作的基礎。本文從高鐵引入機場線路方案和下穿機場關鍵技術兩個方面進行分析，總結了高鐵引入機場方案比選的思路、方法和原則以及高鐵下穿機場的影響和關鍵技術，對高鐵引入方案進行了驗證，并提出了相應的工程措施，可為類似的工程建設提供參考。