機場跑道沉降區道面波音平整度指數分析方法

饒偉東

民航專業工程質量監督總站中南地區監督站 廣東 廣州 510405

道面評估對于道面保護和養護的決策過程至關重要。平整度是機場道面的一個關鍵指標，與安全性、使用壽命等影響有關[1]。跑道過大的不平度將會導致飛機在滑行過程中產生振動，不僅會加速道面和起落架的疲勞破壞，還會影響乘客的舒適度和飛行員的操作。目前國際上沒有統一的機場道面平整度評價方法，波音公司基于飛機滑行的疲勞壽命建立了三級平整度評價標準；加拿大運輸部建立了以行駛舒適度（RCI）為指標；美國APR工程咨詢公司提出以駕駛艙和飛機重心加速度平方和根值為指標等評價方法。我國多以國際平整度指數（IRI）作為評價指標[2]。IRI指標來源于標準1/4車模型[3]，但飛機和汽車在速度、輪距和懸掛緩沖系統等諸多方面存在差異，兩者的動力學響應特性區別較大，故波音平整指數（Boeing Bump Index, BBI）較為合理[4]。但國內對波音平整指數的介紹資料有限，因此，本論文對機場跑道道面波音平整度指數方法和算法進行分析，對于保證機場道面的運行安全，具有重要的積極意義。

1 波音平整度評估方法

波音公司根據大量碰撞事件的經驗制定了標準，描述了跑道道面的平整度狀況，量化了與碰撞事件相關的可接受區域、超量區域和不可接受區域的道面平整度邊界，提出了隆起長度與隆起高度兩者關系的評價指標，如圖1所示。

圖1 道面平整度評價標準

（1）可接受區域：新建或修復的道面將導致隆起長度、隆起高度在可接受區域內。所有飛機都可以接受此范圍內的操作。隨著道面老化，如凍脹、道面沉降等各種因素可能導致隆起長度和隆起高度接近可接受區域的極限。經驗表明，飛行員開始報告過度平整度時，表面平整度已經接近超量區域，機場應開始確定顛簸位置并準備采取糾正措施，措施包括定期監測、分析道面高程等工作。

（2）超量區域：在平整度進入超量區域時需要修復道面。對于飛機機組人員和乘客來說，這種程度的平整度會給飛機上的所有乘員造成嚴重的不適，駕駛艙內儀表的干擾可能很嚴重；也可能導致飛機在短期內無法操縱，以及前起落架和主起落架的疲勞壽命過度縮短。此時在超量區域需要進行道面維修，但不需要關閉受影響的道面。

（3）不可接受區域：此區域的平整度水平需要立即關閉受影響的跑道道面，立即進行道面維修，以便將道面恢復到可接受區域的水平。

2 波音平整度指數算法

為了將計算出的隆起標準與其他平整度測量值進行比較，美國FAA提出了波音平整度指數，波音平整度指數算法流程如下：

（1）對于測量的縱斷面采樣點，計算所有不同長度“直尺”下的隆起長度、隆起高度；

（2）計算不同隆起長度對應的隆起高度允許值（圖1中“可接受區域”上限值）；

（3）對不同隆起長度計算實際隆起高度與允許值的比值，其中最大的比值為斷面采樣點的BBI值；

（4）對所有縱斷面采樣點重復步驟（1）-（3）。

波音平整度評價標準中可接受區域和超量區域的上限值計算公式如下：

（1）可接受區域上限曲線：

（2）超量區域上限曲線：

其中，隆起長度L（m），隆起高度H（cm）。根據BBI算法定義了可接受區域、超量區域和不可接受區域的評估圖，如圖2所示。當BBI值小于1.0時，處于可接受區域；BBI值大于1.0時，處于超量或不可接受的區域。相交于隆起長度大于20m，在隆起長度小于20m時，BBI值更容易處于超量區域。

圖2 道面平整度評價標準（BBI）

3 沉降區道面數據分析

3.1 沉降區道面概況

某機場地處內陸高平原地區，在新建機場前，該地區存在多條河溝彎曲穿過機場飛行區[5]。由于飛機在跑道起降時存在顛簸，為了更好分析跑道不平整度的情況，使用電子水準儀對上述顛簸區域進行測量[6]。測量方案如下：沿跑道中心線道面板進行逐板（測點間距4m）板角高程測量，共布置高程測點151個，如圖3所示。

圖3 跑道沉降區道面板高程圖

由圖3的道面高程圖可知：跑道道面20-90m、260-360m和500-530m三處區域發生了明顯沉降，分別沉降約7.12cm、8.55cm和7.99cm，并且260-360m區域沉降值最大，其他區域道面沒有明顯的沉降。

3.2 波音平整度指數分析

縱斷面測量的數據采樣間距宜采用0.25m，當采用其他大于0.25m的采樣間距時，應將數據插值處理為0.25m間距的數據。由于本次跑道沉降區測量數據間隔為4m，為了更好反映道面高程的變化，對測量數據插值處理為0.25m間隔，再使用波音平整度指數算法流程對0-600m范圍內測量數據進行處理，跑道沉降區道面BBI值分布情況，如圖4所示。分析BBI值分布圖可以發現：（1）跑道道面80-200m、360-440m和530-600m區域BBI值基本小于0.3，三個區域道面沒有發現明顯的沉降；（2）40-80m、200-360m和440-530m區域BBI值波動較大，三個區域道面基本處于沉降區范圍；（3）490-510m區域BBI值大于1.0，也就是該區域存在超量區域或不可接受區域。

圖4 跑道沉降區BBI值分布圖

跑道沉降區域內，波音平整度指數中超量區域統計表和分布圖，如表1和圖5所示，可以發現：499.25-511.50m區域BBI值均大于1.0，而500.75-511.25區域BBI值最大值達到1.09。由于499.25-511.50m區域的隆起長度均小于60m，并且BBI值均小于1.2，根據圖2的道面平整度評價標準，可以判斷499.25-511.50區域存在超量區域。此跑道可繼續使用，但應在合理的期限內對其進行修補，該區域可能會導致因某一次單一事件或長期的疲勞斷裂而使得航空器可能出現結構性損壞的風險，因此必須采取維護改正行動，以便將表面狀況恢復至可接受區域。

圖5 跑道沉降區BBI值超量區域分布圖

表1 跑道沉降區BBI值超量區域統計表

4 總體結論

通過對波音平整度指數評估方法和算法的介紹，結合跑道沉降區道面的測量數據進行分析，主要得到如下結論。

（1）可接受區域范圍內，跑道的平整度不需要進行維護；超量區域范圍內，跑道的平整度需要立即進行維護；不可接受區域范圍內，跑道的平整度不能滿足適航要求，應該關閉。

（2）波音平整度指數主要分為可接受、超量和不可接受三個區域。BBI值小于1.0時，處于可接受區域；BBI值大于1.0時，處于超量或不可接受的區域，取決于隆起長度和BBI值。

（3）跑道道面存在沉降區時，波音平整度指數識別沉降區范圍與實際沉降區范圍具有較好的相關性，BBI值可以較好用于評價跑道道面的平整性。