飛機從跑道起飛、飛機從跑道落地,不管是蓋在平原、沼澤或海上,機場的鋪面承載著飛機重量,

從最輕的幾千磅到最重的120萬磅,也需要不同的機場鋪面來服務這些飛機。

究竟機場跑道的「硬度」要如何才能達到服務飛機的安全要求,筆者以ACN/PCN的角度,

以這篇文章來淺談機場鋪面的服務評量標準。

 

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【剛柔並濟】不同特性的機場鋪面

在人類的文明發展史中,機場算是近一世紀內才出現的土木建築。如果從機場的英文原文「Airfield」來看,機場原來形成的基本條件就是「Field(一片無建築物的原野)」,這時的機場基本上只要是一片平坦的硬草地即可滿足服務的需求。但隨著戰爭的需求,航空器的重量與動力越來越提昇,硬草地開始無法承受越來越大型的航空器,因此機場營運者就開始比照陸運公路,開始在草地上面鋪上碎石子、甚至設置如公路一般所使用的結構物,就是保護機場區域內土壤的「機場鋪面」。

 

隨著人類土木建築技術逐漸提昇,機場鋪面大致上可以分成下列幾種:

 

1. 柔性鋪面:柔性鋪面的「學名」叫做「瀝青混凝土鋪面」,也就是大家熟悉的柏油鋪面。她是由經過大小分類篩選的碎石石材,加上以石油原料提煉的瀝青材料(提供防水與膠結的功能),在一定的溫度上澆築於建築區域之內。柔性鋪面的優點是噪音較低、舒適度較高、受損時較易維修、每單位材料的成本較低;但缺點就是每單位體積的承載能力較低、也容易受到氣候溫度而影響其承載強度,同時,柔性鋪面也比較容易受到油類污染而發生材料類型的破壞)
(請特別留意,筆者用的是「每單位體積的承載力」,意思是柔性材料在經過各種條件的設計下,仍能達到大載重的需求)

 

2. 剛性鋪面:剛性鋪面的「學名」叫做「混凝土鋪面」,就是大家俗稱的水泥鋪面,她是由碎石石材加上膠結材料、需要在一定溫度上搭配一定程度的水所舖築而成。剛性鋪面的優點是強度較不受到溫度變化干擾、每單位體積的承載能力較高、也較不易受到油類污染影響、耐火性也較佳;但缺點就是舒適性較差、噪音較高、興建與維修時程較長、維修成本較高。由於剛性鋪面先天的特性抗壓力較佳、但抗張的效果相對差,因此混凝土還會設置一定程度的鋼筋,讓混凝土能兼具抗壓與抗張的兩種特性。 

註:以桃園機場為例,2007年的衡量標準,每單位面積的成本,剛性鋪面約為柔性鋪面的1.3倍

 

3. 混合形式:由於機場鋪面的興建特性不同,因此就設計了許多「加鋪」的型態,例如剛性加舖柔性(剛性鋪面在下、提供結構的承載力;薄薄一層的柔性鋪面在上,提供舒適性、排水性與較易維護等特性)、剛性加舖剛性之類等許多種形式。混合形式通常會出現在老舊鋪面整建的選擇,尤其在結構強度尚能夠符合服務要求的情況之下,以加鋪方式改善抗滑和平整度的問題,也是一種可行選擇。t

 

鋪面結構其實並不是一塊「硬」的結構,就很嚴謹的物理型態來說,鋪面其實是一種「有彈性」的結構物,當鋪面載重時她會隨著載重的應力變形;當載重移除後,鋪面會隨著應力消失、逐漸變回原來的樣子。所以每當載重在鋪面上面來來回回,鋪面就像是彈簧一樣不斷壓縮、伸張、壓縮、伸張。

 

補充:如果對於鋪面設計有興趣的讀者,可以看以下兩本規範,筆者就學時老師就建議我們要看這兩本規範,現在還是覺得蠻實用的:
1. FAA AC 150/5320-6F - Airport Pavement Design and Evaluation (6F版發表於2016年版)
2. FAA Operational Life of Airport Pavements (2004年版)

 

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機場航務組定期的跑道巡檢作業,僅能用目視方式檢測跑道的初步狀況

 

【負載壓力】飛機的ACN vs. 鋪面的PCN

為了用很簡單的方式比較鋪面與飛機在強度上的比較差異,ICAO在1977年發表的「ACN-PCN」評估法,以各種不同類型的航機、於特定的基層土壤上所造成的應力量進行分類,是為「航機分類數(ACN)」;接著再將鋪面能承受的分類數稱為「鋪面分類數(PCN)」,以此兩個數字提供給機場管理單位知道機場跑道的承受能力、並進行進一步的航機管理措施。

 

所謂「航機分類數(ACN」,她指得是某一型特定的飛機、針對於某一種特性的機場鋪面、以及特定的鋪面基層圖壤上面所產生的應力變化數字。ACN的數字不僅會隨著航機的重量而改變,也會因為飛機機場鋪面結構的差異、胎壓的強弱、基底層土壤的特性而產生不同的變化。舉例來說,像是波音747-400,她的全機總重量可能會由空載的45萬磅、到滿載的100萬磅都有可能,因此在同樣的鋪面上,她所產生的ACN數字可能就有30~90之間不同的差異變化,對於機場管理單位來說,由於應力變化是一個「安全」係數、寧可大不可小,因此所認定的ACN值,都會以「大值」為認定。

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主輪為三排、六主輪設計的777,雖然飛機重量較747為小、但給予鋪面壓力的ACN
值卻大於747家族,是機場鋪面管理單位眼中的「難纏傢伙」

 

而所謂「鋪面分類數(PCN)」,她所代表的是在某個ACN值底下,航機可以無限次使用的代表參數。例如像是桃園機場所公佈的跑道鋪面PCN為60,其實就代表在桃園機場的評估下,PCN小於60的航機都可以在上面無限次使用;然而,這個數值的另一層意義是,萬一航機重量所達到的ACN > PCN時,就有造成機場鋪面傷害的可能性(筆者註:有可能性並不代表一定會損傷)

 

由於PCN是一個「考量無限制航機量」的參數,但是就實際的機場運作來說,鋪面其實還是得進行定期性的養護,因此若是我們把航機數量的因子考慮進去,就可以得到一「有壽命年」的PCN,這個數字就會比原有的PCN數字要來得高。舉例來說,依照ICAO算法、桃園機場的跑道PCN為60,但是實際上在桃園機場運作的航機,在跑道基層土壤的環境下ACN都已達到80以上,理論上來說就有造成損傷的可能;但是如果將壽命的因子考量進去,考量跑道可能更換的時間下,桃園機場的跑道PCN就能達到85,即較能符合現有運作航機的實際需求。

 

【強度管理】一座機場、不同的強度考量

對機場鋪面來說,大致上可以分成「跑道」、「滑行道」與「停機坪」等三個區域,就載重的情形來說,由於飛機停留在跑道的時間最短(速度最快)、因此鋪面強度會是一座機場中最低的;滑行道由於飛機會慢速滑行、有時飛機也會在滑行道上停等,因此強度會較跑道高得多;停機坪則是整個機場中鋪面強度最高的區域,因為這個區域必須要長時間容納飛機停放,對於鋪面來說是長時間給予應力、回彈的時間卻相對最短的區域。

 

鋪面除了會在不同的區域有不同的強度設計外,隨著機場天候的變化也會有不同的強度反應。鋪面基本上就跟其他的物體一致,會熱脹、冷縮,脹縮之間鋪面可能會產生裂縫,就像是一塊完整的夾心酥餅乾被切成兩半一樣,整個強度會出現變化;另外,鋪面材料基本上受熱時都會使強度降低,尤其是以瀝青混凝土製成的柔性鋪面,當遇上高溫時鋪面的強度降幅會更為明顯。因此,某些機場會在夏季的特定時段,針對航機載重進行管制,禁止ACN超過多少重量的航機操作、或者是針對超過標準的航機收取較高的落地費進行管制,也為另一種衡量落地費的費率設計方式。

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位居亞熱帶的桃園機場,夏季時鋪面也會有其強度的變化,只是我們機場管理單位
還沒達到以時間與鋪面破壞程度來衡量落地費。

 

談了這麼多,我相信一定會有朋友想要問,到底桃園機場的鋪面狀況是如何?基本上來說,桃園機場是一座有點年紀的機場,面對像是777之類的新型航機問世,鋪面當然需要一定程度的修正才能維持其服務能力;不過桃園機場近幾年常常發生的「跑道破洞」的問題,最主要的主因來自於這座機場基本上是蓋在「沼澤」上,因此當鋪面下方的土壤因為地下水發生掏空時,會造成鋪面應力不均、導致鋪面容易破裂。在機場裡面偶爾會看到鋪面冒漿的情形,也代表著土壤中含水量高因而受壓噴出的現象。因此整體來說,為了21世紀新型航機的操作需求,桃園機場的跑道最好還是重新「整頓整頓」,會比現在修修補補更能全盤解決問題。

 

另外很多人會提到,鋪面的壽命到底有多長?如果依據前面筆者有提到的FAA的規範,標準的機場鋪面,在「結構」上面的壽命應該是以20年為設計,意思是說在20年以內、如果機場航機的變化與型態都符合當時設計的要求與標準,同時鋪面底下基底層的土壤沒有發生劇烈變化的情況下,正常的鋪面應該不會發生結構性的損壞;但是其實就以鋪面管理的角度而言,其實結構強度管理只是鋪面整體管理的一部分,其實鋪面管理單位還要顧及平坦度(舒適)以及鋪面摩擦係數維持抗滑要求(安全)。所以當鋪面發生無法正常服務的破損時,往往要依據破損的條件去看鋪面到底是可能發生何種問題,並且輔以科技化的工具進行檢測,才能妥善知道鋪面最新的現況。

 

據說機場鋪面的整建計畫即將展開,屆時不論誰先修、誰後修,都將是桃園機場最大的危機與挑戰時間!

[註: 本文撰寫於2010年,2019年春天因為桃園機場的鋪面又有新聞,因此筆者針對本文有一些小補充或修正] 

 

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全球最大型的Airbus A380客機,其主輪配置其實對鋪面壓力並未如777嚴重,但是她的大載重依舊是機場鋪面結構的挑戰之一。

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