機(jī)場(chǎng)道面瀝青加鋪決策方法研究

冷廣武

（新疆機(jī)場(chǎng)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，烏魯木齊 830016）

1 引言

由于瀝青加鋪可在不停航的條件下進(jìn)行，對(duì)機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的影響最小，是目前國(guó)內(nèi)民航機(jī)場(chǎng)（特別是單跑道機(jī)場(chǎng)）道面改造或者性能提升的主要方式。由于不同機(jī)場(chǎng)的航空交通量、道面性能、氣候環(huán)境等差異較大，如何科學(xué)確定瀝青加鋪范圍、結(jié)構(gòu)形式等，是跑道大修改造工程的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

本文依托烏魯木齊機(jī)場(chǎng)道面大修工程，從技術(shù)與管理層面提供了一種道面瀝青加鋪的決策方法[1]。選擇加鋪層結(jié)構(gòu)類型時(shí)，需要根據(jù)加鋪目的、舊道面的實(shí)際使用情況、加鋪工程的時(shí)機(jī)以及施工條件，采用科學(xué)的計(jì)算方法分析不同的加鋪形式、加鋪厚度和舊道面處治方案，進(jìn)行最終的比選。

2 烏魯木齊機(jī)場(chǎng)道面性狀評(píng)價(jià)

2.1 道面表觀損壞狀況

根據(jù)調(diào)查與評(píng)價(jià)報(bào)告，烏魯木齊道面表觀損壞總體情況如下：（1）道面共有10 種典型損壞，包括龜裂、不規(guī)則裂縫、縱橫向裂縫、反射裂縫、松散老化、集料磨光、沉陷、隆起、補(bǔ)丁、輪轍等；（2）裂縫類病害是主導(dǎo)損壞，影響面積達(dá)到5 552.9 m2；（3）從損壞區(qū)域分布來(lái)看，跑道病害發(fā)生頻次最高；（4）瀝青道面結(jié)構(gòu)性病害達(dá)到總損壞量的45%。從損壞類型、數(shù)量及程度來(lái)看，損壞對(duì)于機(jī)場(chǎng)安全運(yùn)行具有顯著不利影響。

2.2 結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)

道面等級(jí)號(hào)（PCN）按照剛性道面計(jì)算，取起飛架次最多的B737-800 作為評(píng)價(jià)機(jī)型。在考慮層間完全連續(xù)、瀝青混合料性能處于良好狀態(tài)條件下，各區(qū)域的道面強(qiáng)度等級(jí)最小為PCN 69 R/B/W/T，可滿足B747-400 和B777-300 等大型飛機(jī)無(wú)限制運(yùn)行要求。從結(jié)構(gòu)適應(yīng)性厚度計(jì)算結(jié)果分析，現(xiàn)有道面結(jié)構(gòu)承載能力能夠滿足未來(lái)交通量的使用要求。

道面實(shí)際使用過(guò)程中，局部區(qū)域?qū)娱g接觸狀態(tài)可能存在不良接觸，且混合料路用性能會(huì)隨著荷載和環(huán)境的影響逐步衰減。為進(jìn)一步描述層間接觸狀態(tài)及材料性能對(duì)道面結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的影響，以B777-300 為例，采用三維有限元軟件對(duì)復(fù)合道面結(jié)構(gòu)響應(yīng)變化規(guī)律進(jìn)行仿真模擬，如圖1 所示。

圖1 道面結(jié)構(gòu)三維有限元仿真模型

仿真模擬結(jié)果表明，當(dāng)層間結(jié)合系數(shù)取0.5 時(shí)，道面PCN值下降明顯，最低為跑道中段（PCN 54 R/B/W/T），最大區(qū)域也僅為PCN 65 R/B/W/T。此時(shí)跑道及聯(lián)絡(luò)道不滿足B777、B747等大型飛機(jī)的起降要求。同時(shí)，當(dāng)?shù)烂婕愉亴踊旌狭喜牧闲阅茱@著衰減時(shí)，復(fù)合道面當(dāng)量厚度減小，不僅會(huì)影響結(jié)構(gòu)承載能力，還會(huì)帶來(lái)外來(lái)物（FOD）等安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。

2.3 瀝青混合料材料路用性能

對(duì)瀝青面層全厚度取芯40 個(gè)，通過(guò)對(duì)芯樣進(jìn)行測(cè)試，分析道面材料路用性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，烏魯木齊機(jī)場(chǎng)部分區(qū)域?yàn)r青道面路用性能存在層厚偏?。ㄗ冃危r青含量偏低、級(jí)配偏細(xì)、抗水損能力差、下面層抗松散能力偏弱等問(wèn)題。

2.4 道面功能性能

瀝青道面面層滲水測(cè)試結(jié)果等表明，不論原道面還是修補(bǔ)道面，道面滲水系數(shù)均低于50 mL/min，瀝青道面抗?jié)B性能較好。此外，構(gòu)造深度法及摩阻系數(shù)測(cè)試法的測(cè)試結(jié)果表明，機(jī)場(chǎng)瀝青道面抗滑性能處于較佳狀態(tài)。

3 機(jī)場(chǎng)瀝青道面病害成因研判

結(jié)合道面性能評(píng)價(jià)狀況和機(jī)場(chǎng)實(shí)際氣候荷載狀況，分析病害的主要影響因素：（1）機(jī)場(chǎng)瀝青道面損壞量偏多，與繁忙荷載作用有直接關(guān)系，起降架次總量已接近單跑道運(yùn)行極限；（2）烏魯木齊機(jī)場(chǎng)高溫、極寒氣候條件對(duì)機(jī)場(chǎng)道面不利。

繁重荷載、不利氣候條件對(duì)瀝青道面結(jié)構(gòu)有不利影響，但設(shè)計(jì)考慮充分、施工嚴(yán)格控制，瀝青混凝土加鋪工程質(zhì)量仍能有效保證，并實(shí)現(xiàn)道面長(zhǎng)久、安全使用。依據(jù)檢測(cè)結(jié)果、結(jié)合前述機(jī)理及一般成因總結(jié)，對(duì)烏魯木齊機(jī)場(chǎng)現(xiàn)有瀝青道面結(jié)構(gòu)使用性能下降、病害較多的主要原因分析如下。

3.1 原瀝青道面設(shè)計(jì)對(duì)加鋪道面混合料性能考慮不足

機(jī)場(chǎng)原瀝青道面設(shè)計(jì)對(duì)于機(jī)場(chǎng)荷載、氣候區(qū)域劃分等考慮并不充分，因此，對(duì)混合料性能指標(biāo)要求偏低，甚至未做明確規(guī)定，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)早期加鋪的機(jī)場(chǎng)瀝青道面結(jié)構(gòu)普遍存在早期損壞較多的現(xiàn)象[2]。

3.2 部分區(qū)域道面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度儲(chǔ)備不足

部分區(qū)域道面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度儲(chǔ)備處于臨界狀態(tài)。例如，跑道RA2 區(qū)域道面PCN（道面等級(jí)號(hào)）計(jì)算值僅為57，其承載能力對(duì)B747、B777 等大機(jī)型適應(yīng)性較差。此外，2012 年加鋪考慮新機(jī)場(chǎng)即將建成，定位于功能性加鋪，對(duì)于結(jié)構(gòu)承載能力儲(chǔ)備也未做進(jìn)一步考慮。因此，結(jié)構(gòu)承載能力儲(chǔ)備不足也是機(jī)場(chǎng)瀝青道面結(jié)構(gòu)病害發(fā)生的重要原因。

3.3 局部區(qū)域混合料性能衰減

芯樣試驗(yàn)結(jié)果表明，烏魯木齊機(jī)場(chǎng)瀝青道面上下面層粗集料含量均偏少，部分區(qū)域的級(jí)配也與設(shè)計(jì)級(jí)配差異較大，輪轍的產(chǎn)生與此直接相關(guān)。此外，集料磨光、松散老化等病害也與混合料原材料的性能不佳有關(guān)。

4 瀝青道面加鋪維修規(guī)模分析

目前，烏魯木齊機(jī)場(chǎng)瀝青道面在表觀、結(jié)構(gòu)和混合料性能方面均存在一定的問(wèn)題，因此，需要對(duì)現(xiàn)有道面進(jìn)行維護(hù)，有局部維修和大修整治兩種方案。鑒于烏魯木齊機(jī)場(chǎng)道面實(shí)際情況和運(yùn)行特點(diǎn)，推薦采用全面大修整治的方案，理由如下：（1）瀝青道面損壞類型安全風(fēng)險(xiǎn)高，且有進(jìn)一步發(fā)展趨勢(shì)。瀝青道面裂縫等結(jié)構(gòu)性損壞接近總量的50%，輪轍、隆起病害比例高、程度重，這些病害發(fā)展到一定程度都伴有松散、沉陷等次生病害[3,4]。（2）目前維修總量大，投入高，維護(hù)管理難度大。2012 年加鋪后，維修總量超過(guò)50 000 m2，累計(jì)維修投入超過(guò)4 000 萬(wàn)元，而且機(jī)場(chǎng)航班密集、停航時(shí)間短，施工組織難度大，投入機(jī)械、人員數(shù)量多，機(jī)場(chǎng)相關(guān)部門管理要求高、難度大，違背安全、長(zhǎng)效的管理理念。（3）瀝青混凝土適合大面積施工，局部修復(fù)混合料質(zhì)量控制困難，耐久性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。（4）現(xiàn)有檢測(cè)手段難以全面判定結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)域，確定局部維修具體區(qū)域技術(shù)難度大。（5）機(jī)場(chǎng)航空交通量接近單跑道容量極限，可供施工時(shí)間逐年減少，道面維修成本逐年提高，運(yùn)行和施工的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步增大。

總之，采用局部維修的方案，機(jī)場(chǎng)管理部門維保壓力極大、維護(hù)費(fèi)用高，且存在極大的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此，為實(shí)現(xiàn)烏魯木齊機(jī)場(chǎng)瀝青道面“長(zhǎng)治久安”，應(yīng)采用大修整治的方案對(duì)現(xiàn)有道面結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面整治。

5 瀝青道面加鋪結(jié)構(gòu)組合比選

由于烏魯木齊機(jī)場(chǎng)為單跑道運(yùn)行，改造方案應(yīng)滿足不停航施工的要求，因此，加鋪結(jié)果組合形式可以選擇以下3 種：既有瀝青道面結(jié)構(gòu)完全銑刨重鋪、保留既有瀝青道面結(jié)構(gòu)直接加鋪，以及既有瀝青道面上面層銑刨加鋪。其中，由于現(xiàn)有瀝青道面結(jié)構(gòu)下面層性能偏弱，水泥-瀝青層間結(jié)合衰減對(duì)道面整體性能影響大，實(shí)施效果難以保證，因此，不建議采用既有瀝青道面上面層銑刨加鋪方案。而對(duì)于銑刨重鋪和直接加鋪，須重點(diǎn)考慮以下3 方面的問(wèn)題。

5.1 原道面修復(fù)與層間處治

銑刨重鋪是在原水泥道面上重新加鋪瀝青層。根據(jù)加鋪前道面檢測(cè)報(bào)告，原水泥道面層底支承劣化情況明顯，且可能進(jìn)一步發(fā)展。因此，銑刨后，需對(duì)原水泥混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的維修與處治。在有限的不停航施工條件下進(jìn)行原水泥道面修復(fù)及層間處治，難度高、效率低、效果差。而在現(xiàn)有道面上直接加鋪，原有瀝青道面損壞區(qū)域修復(fù)可結(jié)合加鋪工程采用同一種瀝青混凝土材料及工藝，且相對(duì)水泥道面而言，修復(fù)及層間處治相對(duì)容易，具有時(shí)間和效果上的優(yōu)勢(shì)。

5.2 施工效率與安全風(fēng)險(xiǎn)

直接加鋪比銑刨加鋪少了銑刨工序，且處理原道面施工時(shí)間短，相比直接加鋪方式施工效率更高。此外，由于采用不停航施工，工序越多，施工時(shí)間越長(zhǎng)，施工安全風(fēng)險(xiǎn)就更高。

5.3 加鋪層數(shù)

通過(guò)計(jì)算可知，考慮層間和材料性能的衰減，對(duì)于完全銑刨而言，加鋪3 層瀝青混凝土，即使考慮層間部分連續(xù)（層間結(jié)合系數(shù)取0.5，按最小加鋪厚度18 cm 計(jì)），道面承載能力（各區(qū)域PCN 最小值為PCN 69 R/B/W/T）仍可以滿足現(xiàn)有機(jī)型的正常運(yùn)行。如采用兩層組合，道面性能或?qū)娱g結(jié)合有下降就會(huì)限制部分機(jī)型運(yùn)行。因此，推薦采用3 層加鋪。而對(duì)于直接加鋪而言，加鋪兩層就可以滿足不利條件下道面結(jié)構(gòu)承載能力的要求（各區(qū)域PCN 最小值為PCN 75R/B/W/T）。

同時(shí)，為驗(yàn)證方案，對(duì)直接加鋪1 層的結(jié)構(gòu)形式也進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證（以跑道為例），見(jiàn)表1?？梢?jiàn)，直接加鋪1 層與完全銑刨加鋪兩層的情況一致，不能滿足層間衰減及材料性能衰減條件下機(jī)場(chǎng)的正常運(yùn)行要求。

表1 既有道面結(jié)構(gòu)加鋪1 層瀝青混凝土PCN強(qiáng)度通報(bào)（層間衰減）

5.4 加鋪結(jié)構(gòu)組合形式綜合評(píng)價(jià)

依據(jù)上述分析，對(duì)上述加鋪結(jié)構(gòu)組合進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表2。按照綜合評(píng)價(jià)優(yōu)劣，考慮類似組合形式在國(guó)內(nèi)機(jī)場(chǎng)已有成功應(yīng)用案例（虹橋機(jī)場(chǎng)等），建議采用保留既有道面結(jié)構(gòu)直接加鋪兩層的結(jié)構(gòu)組合形式。

表2 加鋪結(jié)構(gòu)組合綜合評(píng)價(jià)

6 結(jié)論與建議

依托烏魯木齊機(jī)場(chǎng)瀝青道面加鋪工程，本文通過(guò)道面性能客觀評(píng)價(jià)和道面原因科學(xué)分析，系統(tǒng)、全面地掌握道面現(xiàn)狀及特點(diǎn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)已有經(jīng)驗(yàn)，準(zhǔn)確計(jì)算道面結(jié)構(gòu)組合，按照綜合評(píng)價(jià)優(yōu)劣，推薦了烏魯木齊機(jī)場(chǎng)道面瀝青加鋪的合理方案。該決策方法可供國(guó)內(nèi)同類型機(jī)場(chǎng)借鑒與應(yīng)用。