我国民航运输业务的迅猛发展,对机场运行安全及管理效率提出了更高的要求。作为民航运输的关键节点,机场能够安全高效地运行是保证航空运输服务的前提。飞行区涵盖了机场的空域及空侧地面保障设施,承载着飞机安全起降、滑行的重要使命。而机场净空管理及飞行区道面工程与设施管理的人工管理模式效率低、资料繁杂、管理维护难,已逐渐不能适应快速增长的航空发展需求。因此,飞行区运行管理工作任务艰巨、责任重大。信息化技术的广泛应用及智慧机场战略的发展,为机场运行数字化管理提供了基础与契机,建立数字化管理系统也是国际上的发展趋势。鉴于此,为保障机场飞行区安全高效运行,研究开发一套综合性的机场飞行区运行保障数字化系统尤为迫切与必要。本文在分析了保障机场飞行区运行安全的诸多因素的基础上,首先重点研究了盾构施工过程对机场跑道及航站楼桩基的影响,得到了盾构施工过程中跑道的变形规律及桩基的水平附加荷载分布规律。进一步,结合地理信息系统空间信息显示与数据管理技术,研究了机场净空评价管理、道面评价管理及地下管线管理的数字化方案,开发了综合化的机场飞行区运行数字化管理系统。本文的主要研究工作包括以下几部分:在场道及航站楼安全方面,采用三维有限元方法,研究了盾构隧道穿越机场时对机场设施的影响。研究了道面结构对道面沉降的影响规律,结果表明,盾构施工时,道面结构刚度越大,位移量越小;土层刚度减小会扩大道面结构的沉降值。在此基础上,得到了沥青混凝土道面和水泥混凝土道面横向沉降的计算模型。研究了盾构施工过程中临近桩基的附加荷载变化规律,得到了邻近桩基所受到附加荷载的大小及方向与盾构相对位置密切相关。通过实例分析,得到了在盾尾通过桩基所在平面时,是导致桩基产生较大挠曲变形及剪力的最不利工况。在地下管线的安全性方面,研究了地下管线在地表不均匀沉降作用下的应力响应规律。研究了在沉降范围、最大沉降深度、土基模量、管道直径、管道壁厚和管道埋深等单因素作用下的影响规律,进而利用正交试验设计法得到了管道最大应力与上述各因素之间的数学模型,得到了在已知地表沉降范围及最大沉降深度的条件下智能判断管道安全状态的方法。在地下管线数字化管理方面,分析了飞行区地下管线的构成与特点,对飞行区所有地下管线进行了分类并根据其属性信息进行了三维数字化。研究了基于管线地理信息数据的三维可视化管理模型,实现了地下管线的三维数字化查询与管理。研究开发了模拟地表开挖、断面分析、基于流向的爆管分析等功能。道面评价管理方面,研究了机场道面三维场景及道面属性信息数字化、属性信息数据库分析、道面各项性能指标和功能模块的算法,实现了机场道面信息的三维场景显示与属性信息查询;基于现场调查和测试数据的场道道面等级号(Pavement Classification Number,PCN)、道面状况指数(Pavement Condition Index,PCI)计算;场道剩余使用寿命预测;给定条件下的专题图生成;基于机场建设过程中的施工数据建立了场区原始地貌和道面及基层构造的三维模型及相关属性信息数据库,为道面维修管理决策提供了全方位、深层次的数据支持,并据此提出了基于空间构造的道面综合管理理念。进一步研究了基于灰色模型的PCI变化趋势预测,并利用交通量和土基CBR两个影响因素对模型进行修正,根据修正模型对道面PCI性能进行预测,并确定平稳发展和加速衰减的临界值,为维修决策提供依据。研究了道面常用维修方法,开发了根据检测结果及预测结果智能提供维修建议及维修方法功能模块。净空评价管理方面,分析了基于国际民航组织(International Civil Aviation Organization,ICAO)附件14及8168-仪表着陆系统(Instrument Landing System,ILS)障碍物限制面的数学模型,研究了三维数字模型生成算法,建立了地理信息系统(Geographic Information System,GIS)平台下基于地理信息的净空限制面三维场景模型;在此基础上,进一步研究了不同坐标系下的坐标变换、障碍物模型自动生成及三维场景下障碍物的评价算法等,实现了基于地理信息的障碍物三维可视化管理与评价。在所建立的三维场景基础上,研究了飞机飞行轨迹及姿态控制算法,实现了三维场景下基于飞行程序的飞机进、离场动态仿真,为机场选址评估、多跑道并行运行模式评定、飞行程序评估、净空保护区管理等提供了强大的技术支持。最后,综合上述各项研究成果开发了综合化的机场飞行区工程与设施运行保障系统。