機場工程: 6月 2013

鋪面之於機場飛行之必要

2005

百年飛行神話美夢成真

「飛行」一直是遠古以來人類的夢想，神話故事裡哪吒腳踏風火輪、孫悟空駕馭筋斗雲、會飛的毛毯、長翅膀的天使、巫婆的掃帚等，人類對飛行的嚮往顯露無疑。遠自十五世紀達文西仿照鳥翼設計之飛行器、十八世紀法國Joseph 及 Etienne Montgolfier的熱氣球、十九世紀（1804）英國喬治卡萊（George Cayley）的滑翔機模型、1891年德國Otto Lilienthal的滑翔翼飛行，已成功地達到離地飛行的夢想，然而利用引擎動力離地飛行則遲至1903年，才由美國的萊特兄弟嘗試成功。從此航空器開始由飛行競賽、敵情偵察、戰鬥、轟炸，演變至今日蓬勃發展之民航運輸，其歷程已逾一百餘年，航空科技在這一百年中突飛猛進。

二次大戰期間，英、美、德、日為掌握制空權，各式精良之戰鬥機與轟炸機陸續發展，戰爭末期噴射引擎戰鬥機問世。1952年英國首度製造出第一架噴射客機，1958年第一架商用噴射客機B 707正式服役。此後，噴射渦輪引擎逐漸取代活塞式引擎，其中1969年服役的巨無霸B 747獨領風騷數十年。

航空運輸需求的成長促進航空器的發展，1990年前後，航空客貨運量成長快速，一般對於大型飛機之發展均樂觀預期，更大膽預測800~1,000座位數飛機將於數年後問世。在空中巴士公司聲明產製A 3××之時，波音公司也聲明研發B 747-400×等；此一時候飛機的發展理念是長程飛行及高容量。

面臨市場的競爭及發展策略的更迭，波音公司放棄原B 747-400×的研發，改朝長程、耗油量少、噪音小之中運量飛機之研發（例如已服役之B 777以及將於2008年服役之B 787）。而空中巴士公司則仍繼續研發550座位數之A 3××，並正式命名為A 380，首架飛機已於今（2005）年元月18日亮相，預計明（2006）年正式服役；另外為爭奪長程、中運量的航空市場，空中巴士公司也於2004年底宣佈產製A 350。

由於航空器的大型化，起落架及輪組型式與數量也隨之變化，以提供地面活動荷重傳遞之介面。飛機輪軸之配置型式，除軍用機如DC 3為二主起落架在前外，民航機之配置型式多為前一鼻輪架，後二~四個主起落架輪組（Landing Gear）。前鼻輪架配合航空器的總重量而有單或雙輪之分，後主起落架則有雙輪、四輪及六輪之配置。

後二主起落架-雙輪之代表機型為MD 80/90、A 320；後二主起落架-四輪之代表機型為B 757/767、A 300/330；後二主起落架-六輪之代表機型為B 777；後三主起落架-二及四輪之代表機型為DC 10及 MD 11；後四主起落架-四輪之代表機型B 747家族；後四主起落架-四及六輪之代表機型為A 380。（詳表一）

表一機輪排列型式示意

早期機場鋪面因陋就簡

最早期的機場只是一座飛行場（Airfield），其基本需求是平坦、開濶、風向穩定之青青草原地，並無一定的跑道及鋪面。但伴隨著飛機體型改變，機身重量的加大，以及噴射引擎的使用，促進了機場的發展及鋪面結構與材質的變革。

二次大戰期間，隨著抗日戰事的變化，國民政府往往需於一、二個月之極短時間內，完成一座可提供機隊轉進之戰鬥型機場。此類快速完成之機場道面，多為無鋪面的整平區，再加以舖築砂石級配以克服雨季泥濘的問題。之後，緣於長久性的使用需求、安全性（尤其是噴射引擎飛機）、舒適性及飛機壽命等考量，水泥混凝土鋪面、灌入式瀝青、瀝青混凝土鋪面等相繼被採用，直到今日，水泥混凝土與瀝青混凝土材料同為機場鋪面材料之選項。

台灣地區於日據時代留下許多機場，諸如台北松山、桃園埔心與八德、新竹、台中水湳、雲林虎尾、嘉義水上、台南（桶盤淺）與歸仁、高雄岡山與小港、屏東、恆春、台東豐年、花蓮、宜蘭、澎湖馬公等，其中大多數為混凝土鋪面之機場，少數幾座為卵礫石鋪面（1969年之前台東豐年機場仍為卵礫石鋪面，1970年改為灌入式瀝青鋪面，1980年由軍方整建為水泥混凝土鋪面）。

國民政府遷台後，除整建日據時代所留下之機場外，亦興建為數不少的機場，包括桃園中正、台中清泉崗、台東志航、花蓮佳山、綠島、蘭嶼、七美、望安、金門西洪與尚義及馬祖南竿與北竿（大道）等。金門機場原設於西洪，1958年因八二三砲戰遷移尚義之後，迄今廢棄未用，僅留遺址。金門尚義機場興建時之鋪面材料未可考，目前為瀝青混凝土鋪面；七美、望安機場興建之初採用灌入式瀝青鋪面，1995年改建為水泥混凝土鋪面；其他機場興建時即採用水泥混凝土鋪面，有些道面則因破損或鋪面結構強度不足，而在其上加鋪瀝青混凝土（如台北松山、新竹、高雄小港、屏北、花蓮等）。

此外還有兩座鮮少人知的迷你機場，其一座落於南投縣魚池鄉進入日月潭之右側山坡上，另一座落位於梨山福壽山農場內。兩座迷你機場均離當年蔣介石行館不遠，以供緊急事故使用。梨山福壽山農場機場為卵礫石鋪面，日月潭機場於70年代初改為水泥混凝土鋪面，然而隨著一代強人的去世而荒廢，目前僅存遺跡。

機場鋪面設計方法

機場鋪面設計方法不勝玫舉，其中國際民航組織（ICAO）蒐集了加拿大、法國、英國、美國所發展之慣用方法於其機場設計手冊[1]；波音及空中巴士公司則將CoE（US Army Corps of Engineer）、LCN（Load Classification Number）、PCA（Portland Cement Association）、FAA（Federal Aviation Administration）之設計圖表放在機場規劃用之飛機特性手冊（Airplane Characteristic for Airport Planning）中，供鋪面厚度設計之用。

在設計軟體方面，美國所發展之設計軟體包括FAA傳統設計方法R805FAA、FAA新設計法LEDFAA 1.3（須包含B 777於機隊組合中）、PCA設計法DOS 3.0、ACPA（American Concrete Pavement Association）設計法 AirPave 2000、CoE（U.S. Army Crops of Engineer）設計法PCASE等。上述設計方法中之剛性鋪面設計除LEDFAA採用層彈性理論外，其他均採用Westergaard之板理論；柔性鋪面則以層彈性理論為主。層彈性理論將基礎視為固態，板理論則將基礎視為液態。

採用上述各種設計方法所獲得之結論如下[2]：

1.各種設計法內建之通過涵蓋比（Pass-to-Coverage Ratio）、主起落架荷重百分比、胎壓、接觸面積、輪距等均不盡相同，如需在設計方法上準確的比較，輸入參數應符合各種設計法之需求；

2.在大部份案例中，FAA與CoE設計法所獲得之鋪面厚度相當接近，PCA則較薄，但當道床k值大於350pci時，CoE設計法所獲得之鋪面厚度最薄；

3. FAA傳統設計法與PCA設計法所得厚度不同之主要因素為：PCA以板中央荷重應力為設計基礎，FAA則以折減之板緣應力為設計基礎，在大部份案例中，折減之板緣應力大於板中央荷重應力；PCA與FAA法對預測產生破壞的荷重次數採用不同的疲勞關係曲線；PCA與FAA法對道面破壞的定義不同，PCA假設重複荷重樑（Repetitively Loaded Beam）斷裂為破壞，FAA則假設50%的板塊破裂為破壞。

4.所有設計方法對混凝土強度與交通量之敏感性相同，如離場量大、混凝土強度低，所獲得之道面較厚，反之則薄；然而各種設計法對道床反力模數之敏感度不同。

國內慣用之設計方法為FAA及PCA法，但PCA法假設100%之接縫傳力能力，如長期之接縫傳力能力不能維持，應酌加舖築厚度；FAA法假設25%之接縫傳力能力，如採用傳力筋或有良好的基礎，可酌減舖築厚度。

鋪面材料與結構

機場跑道及滑行道多採用剛性或柔性鋪面，如剛柔並用時，跑道兩端及滑行道轉彎處採用剛性鋪面，以抵抗轉彎所產生之扭力及起飛時放掉煞車前後所產生之衝擊力；柔性鋪面則用於跑道中段及滑行道直行處等無扭力或衝擊力之區段。停機坪因須防範飛機燃油外洩所導致之侵蝕，多以剛性鋪面為主，如採用柔性鋪面，須以煤焦油為其膠結材料，以防燃油侵蝕。

剛性鋪面將水泥漿體視為膠結材料，以粗、細骨材為填充料，同時視情況添加掺料。水泥漿體採用波特蘭水泥加水拌合而成，水份的多寡將左右水泥漿體的工作性與強度，因此自1970年代起有了減水/強塑劑的開發與使用；1980年代開始對工業廢棄物飛灰、爐石粉等材料之研究開發，使得礦物掺料成為今日改良水泥混凝土強度、耐久性及體積穩定性的瑰寶。

柔性鋪面主要採瀝青為膠結材料，以粗、細骨材為填充料，石灰石粉、水泥或其他無塑性無機物粉為填縫材料，自1980年引進針入度較低之AR 4000瀝青材料於松山機場跑道加鋪之後，其一直為機場柔性鋪面的膠結材料。近年來添加SBS（合成橡膠）之改質瀝青於嘉義大林、中山高、北二高試鋪後成效良好，纖維石膠泥（SMA）瀝青混凝土亦逐漸被採用。

除了表面之磨耗層外，柔性鋪面須有較強之基底層以承擔航空器機輪荷重量；反之剛性鋪面則因具有相當強之勁度，底層無須太堅實，以免增加板塊翹曲/捲曲，而喪失板底與底層緊密接觸之理論基礎。因此，柔性鋪面需要相當厚之基底層，而剛性鋪面則講究均勻之基礎。剛性鋪面使用底層料的理由為：唧水控制、凍融行為控制、排水改善、道床土壤之收縮與膨脹控制、增加鋪面施工容易度等。雖然採用底層料可減低混凝土的臨界應力，但此法較不經濟；若於混凝土板中增加少量的混凝土板厚，則可有效降低其臨界應力。

晚近FAA的機場鋪面設計，建議供起飛總重達到100,000磅飛機使用之剛性鋪面應採用穩定基層，另建議將具低排水性質之道床土壤加以穩定處理；同時也建議在廣體噴射機使用、基礎較軟弱（k值小於或等於200pci）之縱向鋪面接縫（施工縫）上使用傳力筋（Dowel）；以取代接榫（Key）。FAA建議無穩定處理基層之剛性鋪面，其板塊接縫間距（以呎計）不大於2倍板塊厚度（以吋計），且不大於7.6公尺；也建議採用穩定處理基層之剛性鋪面，其板塊接縫間距須較無穩定處理基層之剛性鋪面小，應不大於5倍（2002自6倍改為5倍）相對勁度半徑（以吋計）或6.1公尺[3,4]。

柔性鋪面部份之底層材料大都與剛性鋪面之基層材料相同，此外應另舖築基層材料，而且可以底層材料來替代，但不能使用三明治式組合層（兩層不透水層間使用透水層），道床土壤之建議也類同於剛性鋪面，但增加對膨脹性土壤之處理[3]。

目前ACPA正在研究重訂FAA機場施工規範（AC 150/5370）中之波特蘭水泥混凝土鋪面（P-501），將新增加混凝土拌合設計及平坦度等相關規定，同時將納入低成本、節省施工時間、可靠度高之混凝土技術。此外ACPA亦進行降低水泥處理底層（P-304）、低成本混凝土基層（P-306）強度之研究，目的為改善高強度、高磨擦力底層導致面層混凝土板提早破裂的現象；同時將增加水泥、瀝青處理透水底層及無膠結透水底層[5]等透水底層之施工規範。

若剛性鋪面之底層太強，將對面層積效產生負面影響，但其仍須具備均勻與一致性，且需有一定程度的強度。在基底層受水困擾的地質或地區，底層排水相當重要，但絕不可因排水的需要而犧牲底層之穩定性，90年代使用相當普遍的未穩定透水層導致面板提早產生裂縫[6]，可資借鏡。

中正機場道面使用評估

中正機場於1970年完成主計畫規劃，1974年開始施工，1979年啟航迄今已歷26載。從機場開始建造迄今，可將中正機場的道面建設史依不同之設計機型、設計方法及結構型式等劃分為五個階段：

第一階段：第一期新工階段（1974~1978），主要包括北跑道、22架位客機坪，5架位貨機坪及其滑行道系統。設計機型DC 8-63，設計方法PCA，混凝土抗彎強度650psi，道床k值200pci，碎石級配底層厚度20公分，傳力方式榫接（key），鋪面設計厚度41公分（跑道中段及快速出口滑行道採用38公分），施工採用滑動模板舖築機。

第二階段：第一期後續階段（1979~1983），主要為南跑道及其滑行道系統。設計機型、設計方法、混凝土抗彎強度、道床k值及傳力方式等與第一階段相同，但跑道採用10公分粗砂透水基層、20公分碎石級配底層，而鋪面設計厚度及舖築機具也與第一階段相同。

第三階段：建設停滯階段（1984~1991），主要為5架位貨機坪。設計機型、設計方法、混凝土抗彎強度、道床k值、傳力方式及鋪面設計厚度等與第一階段相同，但採用30公分碎石級配底層、施工採用剛模舖築。

第四階段：第二期工程階段（1992~2000），主要為31架位客機坪， 4架位貨機坪及其滑行道系統。設計機型MD 11，設計方法PCA，混凝土抗彎強度650psi，道床k值180pci，碎石級配底層厚度30公分，傳力方式綴縫筋（Dowel），鋪面設計厚度44公分，施工採用剛模舖築。

第五階段：第二期後續階段（2001~迄今），主要為11架位貨機坪及其滑行道系統。設計機型含B 777之綜合機種，設計方法LEDFAA1.2，混凝土抗彎強度700psi，道床k值200pci，碎石級配底層厚度40公分，傳力方式綴縫筋（Dowel），鋪面設計厚度49公分，施工採用剛模舖築。

第一階段鋪面使用迄今已逾26年，第二階段鋪面使用也逾22年，兩階段之鋪面均自1994年起即因破裂唧水而陸續進行板塊翻修。民航局曾於2002年進行中正機場道面調查評估，如以南、北跑道中央帶（輪壓區帶）道面之調查結果與兩跑道之使用率進行比較如表二。

表二中正國際機場跑道道面調查評估結果

跑道別	使用年期	使用率	道面狀況指標（PCI）	接縫傳力（%）	結構狀況指標（SCI）	剩餘服務壽年
北跑道	26	60%	76.8	43	96.7	2.2
南跑道	22	40%	77.0	69	95.1	2.5

表二數據顯示南跑道的表現不如預期，納入使用年期及使用率綜合評論，南跑道之表現比北跑道差很多；造成南跑道服務績效差於北跑道的原因眾多，其中使用非穩定排水基層應為非常重要之原因。此外南、北跑道接縫傳力效果低，與採用接榫、滑模舖築有很大關係，大部份榫接部位於滑模舖築之時即已崩塌，失去了應有之傳力效果，且可能導致道面之破裂、不均勻沉陷與唧水冒漿等現象產生。

整建趁早營運不打折扣

機場鋪面於完工正式啟用後，往往因為航空器機型重量及使用頻率的增加，以及維護上的疏忽，導致道面提早破壞，而道面的翻修或重建對日趨繁忙的起降活動造成相當嚴重的影響。以中正機場而言，南、北跑道之剩餘服務壽命僅2年餘，為維持正常營運所必要之使用水準，主管維護作業單位必須時時待命，維護工作也須持續進行，然而航空運量逐年增加，起降頻率也持續加大，應趁一條跑道尚可提供尖峰起降服務之時，及早進行整建，整建時程越晚對營運之影響將越大。

機場之道面往往缺乏替代性，跑道尤甚，鋪面結構應考量長期使用需求，採用較保守的設計；另外鋪面使用材料也應考量耐久性、施工容易性、品質一致性及維修頻率與便利性，方能獲得滿意的結果。

參考文獻

1. ICAO, Doc 9157-AN/901 Aerodrome Design Manual, Part 3, “Pavements”, 1983

2. ACPA, “A Comparison of Rigid Airfield Pavement Design Methods”, 2002

3. FAA, AC 150/5320-6D “Airport Design and Evaluation”, 1996

4. FAA, AC 150/5320-6D “Airport Design and Evaluation” Change 3, 2004

5. ACPA, “Concrete Pavement Progress”, Nov.15,2004

6. ACPA, “Concrete Pavement Progress”, Feb.03,2005

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