山區高填方機場不均勻沉降對瀝青道面影響及處置方法

劉人瑋

中設設計集團北京民航設計研究院有限公司 北京 101312

機場高填方工程指最大填方邊坡高度(坡頂至坡腳高差)大于等于20m的機場邊坡。近年來，西北、西南、華北地區陸續建設了一批最大填方高度在80m以上的機場，積累了一定的建設經驗和教訓。山區機場跑道通常跨越復雜的地形地質單元，形成的高填方和高邊坡具有挖填交替、方量巨大、填料類型眾多、性質復雜的特點。跑道運行后，一方面在飛機荷載長期作用下，在道基一定深度范圍內產生附加動應力，引起填料或原道基顆粒間錯動、滑移乃至破碎，產生的塑性形變或體變將會不斷累積，最終導致道面出現病害，對飛機運行安全產生不利影響。

1 工程概況

1.1 機場概況

西北某山區高填方機場位于黃土丘陵地區，梁、峁及沖溝縱橫交錯，滑坡、洞穴分布，土層成因多樣，沉積年代和環境各異，場址區域為坡耕地、林地、四荒地和未利用土地，場地地形起伏較大。于2009年動工建設，2013年建設完工。機場布置在山梁上，梁體自然寬度在120m左右，長度約3.2km，場地中間被2條較大沖溝所分割。跑道道面采用瀝青混凝土修建，長2600米、寬45米，其道面結構如表1所示。

機場建設中，共搬12座山，填22條溝，該機場既有高陡自然斜坡又有人工填筑高邊坡，相對高差148m，最大填方厚度達81.4m；填方量約1.9×107m3，挖方量約3.2×107m3。地基土為Q4黃土坡積物、Q3馬蘭黃土和Q2離石黃土，遇水具有濕陷性、蠕變等特性，填料與地基土差異大，溝谷縱坡降約7.1%，原地形沖溝發育，兩側坡度為40°～80°。

表1 機場瀝青混凝土道面結構表

1.2 道面裂縫及沉陷病害狀況

此機場地質條件復雜，跑道的地基沉降監測時間較短，機場管理方在運行壓力較大的情況下，投入了大量精力對飛行區道面的情況進行監測巡查。2016年跑道日常巡查中發現：跑道南端400m～600m區域出現了貫通式裂縫，裂縫基本沿此區域填、挖方交界面開裂發展，對機場正常運行產生了較大安全隱患。為了查明跑道沉降區域的道面狀況，為之后的處治工程提供數據及技術支持，機場于2016年對此區域進行了道面檢測評價。

圖1跑道沉降區域衛星圖(黃線為裂縫位置走向)

圖2 跑道病害區裂縫

2 跑道沉陷區道面檢測及沉陷成因分析

2.1 道面檢測結果

本次主要通過重錘式彎沉儀檢測、道面探地雷達測試、面波儀測試這三種無損檢測手段對該區域道面的結構性能做出檢測及評價。

（1）道面彎沉檢測

測定彎沉是對道面進行結構性評價的一種方法。落（重）錘式彎沉儀(HWD)是國際上民用機場、公路、市政道路等工程領域應用最為廣泛的無損檢測設備，能通過測定道面彎沉以評價道面及基礎的強度。HWD通過落錘對道面的沖擊作用模擬飛機對道面的施荷過程。并通過分布于距荷載中心不同距離的傳感器，記錄道面在荷載作用下的彎沉響應，從而評價道面及基礎的強度和結構狀況。

本次彎沉測試區域為跑道南端300m～700m區域，測線測點布置情況如表2所示。另外，測試過程中對測線上裂縫兩側進行了測點加密。

表2 彎沉測線布置表

圖3 彎沉測試結果

彎沉檢測結果如圖3所示。面承載能力低于東側道面。出現裂縫的道面處，承載能力出現了明顯的下降。說明道面裂縫對其臨近道面的承載能力影響是十分顯著的。

（2）探地雷達測試

利用探地雷達測試道面結構層的厚度是現今國內外用于結構層分析、評測的一種無損檢測方法。由于雷達測厚具有較好的檢測精度，且其測試速度遠遠超過傳統方法，符合民航機場不停航檢測的要求。探地雷達通過發射天線向道面發射脈沖信號，此脈沖在地下傳播過程中遇到不同電性介質界面時產生反射和折射，接收天線接收反射信號后將其轉化為數字信息傳送到雷達主機進行處理，由入射到反射的時間間隔和波在介質中的傳播速度，便可計算出不同結構層的厚度，并進行病害分析。本次雷達測試方案測線同彎沉測線一致，便于進行結合分析。雷達測試結果同彎沉的分析比對見圖4。

圖4 雷達圖譜分析示意圖

雷達測試結果表明，跑道病害區道面孔隙主要出現在面層與基層交界處，且基本集中于跑道道面承載能力薄弱區域，同時，承載能力薄弱區土基、基層基本存在開裂，土基和基層開裂會破壞結構層的連續性，可能引起結構層的不均勻沉降，進而造成面層與基層出現脫空現象。跑道中心線兩側輪跡帶區域內土基存在開裂現象。

（3）面波儀測試

多道瞬態面波法是利用瑞利面波在地下地層傳播過程中，其振幅隨深度衰減，能量基本限制在一個波長范圍內，某一面波波長的一半即為地層深度(半波長解釋法)。即同一波長的面波的傳播特性反映地質條件在水平方向的變化情況，不同波長的面波的傳播特性反映不同深度的地質情況。在地面通過錘擊、落重或炸藥震源，產生一定頻率范圍的瑞利面波，再通過振幅譜分析和相位譜分析。

本次面波儀測試對兩個方面進行，一方面是探查裂縫深度，另一方面是探查裂縫兩端土體密實度。本次裂縫深度探測測點與土體密實度測點布置情況如圖5及圖6所示。

圖5 裂縫深度探測測點布置圖

圖6 土體密實度測線布置圖

本次探測位置裂縫發育深度均大于2.5米，同時，結合裂縫測點位置與土方計算圖，可以發現裂縫深度大于5.0m的填方區域，填方厚度差大于5.0m，其中LF9點，最大填方厚度差為15.0m，最小填方厚度差為1.0m，該點推測裂縫發育深度5.45m。綜合上述分析，填方厚度的差異大小是影響跑道裂縫發育情況的因素之一。

測試結果表明，跑道四條縱向彎沉測線的道面承載力所呈現的趨勢基本一致，均存在一定程度的波動，U型裂縫西側范圍內道

圖7 PX1剖面與PX2剖面對照

從裂縫兩側土體的Vr值可以知：沿填挖邊線發育的裂縫兩側土體Vr值有較大變化，5m以上測線PX1與測線PX2的Vr值變化較為明顯，由此可見填挖邊線附近發育的裂縫，兩側土體密實度差別較大。

2.2 沉陷成因分析

彎沉測試結果表明，填方區域內道面承載能力較挖方區低，同時裂縫周圍道面承載能力明顯低于周邊道面。雷達測試結果表明，跑道瀝青道面與基層見存在空隙，基本集中U型裂縫西側的填方區域內，同時，裂縫區域土基、基層基本存在開裂。面波儀測試結果表明，填方厚度的差異大小是影響跑道裂縫發育情況的因素之一，填挖方土體密度存在明顯差異。

綜上所述，基本可以推定跑道病害區的形成機理。即跑道U型裂縫內基礎為填方區，最大填高31m，原地面自重2-3級濕陷性。填方區與挖方區土體密度存在差異，沉降速率也有所不同，這種不均勻沉降在道面建成使用后的第3年顯現出來。由于填方區的沉降速率高于挖方區，故在填挖交界區域土體內由于界面剪力而產生了裂縫，而此區域位于飛機著陸區，裂縫在飛機荷載的不斷沖擊作用下自下而上發展，最終穿過碾壓混凝土基層到達了道面表面，形成了道面病害區裂縫與沉降并存的破壞形式。

3 沉陷區病害處治方案

基于以上道面檢測結果，防止道面進一步出現結構性損壞，應對跑道沉陷病害區進行處治，處治思路為：（1）及時對跑道病害區距其西側邊線向東0 ～ 15m范圍（非輪跡帶）內的裂縫兩側區域進行高聚物注漿處治，增強道面承載能力，然后對上述區域道面進行銑刨重鋪改造，消除道面結構層孔隙。（2）對于跑道病害區內西側邊線向東15 ～ 21m范圍內裂縫兩側道面進行注漿處治，增加其道面的承載能力。

3.1 道面基礎注漿

3.1.1 注漿孔位布設及鉆孔深度

根據注漿孔的布置原則標記注漿孔位置，沿裂縫兩側距離0.3m處分別布置注漿孔，注漿孔間隔為1m。鉆孔位置應避開跑道燈具所在位置。本次注漿鉆孔深度需達到基層底部與土基頂面交界處，根據道面結構，注漿鉆孔深度不得小于58cm。按照設計的鉆孔深度，利用沖擊鉆在標注的注漿孔位置鉆孔至設計深度，鉆孔時應注意避開預埋電纜或地下管線。要求鉆孔垂直，孔位誤差不大于0.05m，鉆孔深度不得小于設計深度。

3.1.2 注漿工藝流程

（1）鉆孔。鉆孔過程中應采取適當措施防止灰塵擴散，同時保持道面清潔，不對道面造成污染。注漿孔直徑為1.6cm，鉆孔深至基層底部與土基頂面交界處，鉆孔時應注意避開預埋電纜或地下管線。

（2）下注漿管。根據試驗段獲取的數據及現場實際情況，使用切割工具截取一定長度的PVC注漿管，要求PVC注漿管長度不小于60cm，將注漿管通過注漿孔下入。注漿管采用高質量PVC管，管壁厚度不小于1mm。

（3）安裝注射帽。將注射帽凹型邊緣使用專用工具清理干凈，以便與注射槍良好連接；將清理好的注漿帽安裝至PVC注漿管上端口；注漿管帽與注漿管應緊密結合，不能松動，否則更換注漿帽。

（4）注漿。按照設計要求進行注漿，使用夾具把注射槍與注漿嘴固定牢靠，配比儀按照配比通過輸料管道把高聚物預聚體A/B材料輸送到注射槍口，兩種預聚體在注射槍口混合，通過注漿管輸送到結構孔隙中。兩種材料迅速發生化學反應后，體積膨脹固化，達到消除脫空、加固結構層松散區或軟弱區的作用。

（5）注漿后檢測。注漿完成15 ～ 20分鐘后，宜采用重錘式彎沉儀（HWD）進行注漿后檢測，分析注漿處治效果。如滿足設計要求，則完成注漿；否則，應進行補注并直至符合設計要求為止。

（6）封孔。為防止雨水通過注漿孔進入道面結構層侵蝕破壞道面且保持道面的整體形象，使用道面密封膠對鉆孔進行封孔處理。使用密封膠時需對其加熱，且溫度控制在160 ～ 210℃之間。灌注密封膠時要使密封膠齊平或略低于道面表面，高出道面表面的密封膠需使用工具進行整平。

（7）清掃。使用鐵刷等對注漿孔及其周圍道面污染區域進行清理；然后使用笤帚對施工作業區進行清掃，并使用吹風機進行清理；使用濕抹布對排除泥水處進行清理；最后處理道面污染區域。

3.2 瀝青道面銑刨重鋪

3.2.1 重鋪瀝青材料總體性能要求

針對機場的氣候特點，道面重鋪的瀝青混合料應滿足以下性能要求：高溫抗車轍性能，即抵抗流動變形的能力；水穩定性，即抵抗瀝青混合料受水浸蝕逐漸產生瀝青膜剝離、掉粒、松散、坑槽而破壞的能力；耐疲勞性能，即抵抗道面反復荷載作用下破壞的能力；抗滑性能，為飛機起降及安全滑行提供足夠的摩擦系數；舒適性能，主要指平整度。

3.2.2 重鋪瀝青混凝土結構設計

瀝青混凝土道面采用三層分層攤鋪，施工次序為：（1）鋪筑2cm厚改性瀝青石屑應力吸收層，待鋪筑完畢后噴灑粘層油；（2）攤鋪6cm厚AC-20瀝青混凝土下面層，待下面層全部攤鋪完畢后噴灑粘層油；（3）攤鋪6cm厚AC-20 SBS改性瀝青混凝土中面層，待中面層全部攤鋪完畢后噴灑粘層油；（4）攤鋪5cm厚SMA-13 SBS改性瀝青混凝土上面層。重鋪區域內瀝青道面縱、橫坡度保持和原設計一致。瀝青混凝土道面重鋪施工完畢后，按原跑道道面標志標線進行恢復。

4 結語

本文通過對西北部某山區高填方機場瀝青混凝土道面沉陷裂縫病害檢測，分析其形成原因并探討了可行的修復方案，得到如下結論：

（1）跑道填方區的道面承載能力弱于挖方區，裂縫周邊道面承載能力明顯偏弱。

（2）填挖方交界面處的不均勻沉降導致土體開裂，反應在道面上，形成了目前跑道沉陷裂縫區的病害。

（3）采用基礎注漿與部分區域瀝青銑刨重鋪結合的方式是處治此種病害的一個有效探索。