某機場跑道道面板底脫空測試及成因分析

張宇輝 閆立萌 馮 興

(中國民航大學機場學院，天津 300300)

近年來，中國民航機場高速發展，機場數量持續增多，航班起降量大幅上升。日益頻繁的飛機起降為機場場道質量帶來嚴峻考驗。由于降水、排水、跑道使用時間等因素，全國各地機場道面板底脫空的情況日益嚴重，已經為機場管理部門帶來巨大的保障壓力。目前，針對此類問題的產生原因及處理措施，國內外眾多學者也展開了研究。譚悅、柴震林等[1]對中國機場水泥混凝土道面的脫空現狀進行了總體的分析，并得出了脫空率和使用時間之間的關系；趙新剛[2]對機場道面及其下部地基脫空測試方法進行了總結歸納；劉持友[3]將中美機場板底脫空的實測分析進行了對比及原因分析，并提出有利于中國機場改善道面情況的建議。只是，上述的學者研究更多的是基于理論和總體的研究，沒有結合實例去進行個體分析，且尚無有效的針對某一因素對于道面脫空發展影響的量化分析模型，這就使有些機場在發生板底脫空時，沒有相關的案例可以借鑒，不能準確找到引發問題的原因及其影響程度，無法做出進一步的預防及補救措施。

鑒于此，本文對國內某中南部運輸機場跑道開展道面板脫空分析，分別于2014年及2018年對跑道同位置測線脫空狀態進行檢測，從降水、排水及跑道使用時間等對該機場跑道道面板底脫空及其發展的原因進行對比分析，為之后分析機場道面板底脫空的原因提供依據。

1 工程背景

該機場位于華東與華北的交界地帶，是連接華東、華北和中西部地區的重要樞紐。機場為4E級民用國際機場，跑道長為3 600 m，寬為45 m，端部厚0.41 m，中部厚0.36 m,道面為水泥混凝土結構。截至2016年，旅客吞吐人數1 161.69萬人次，起降架次10.02萬架次，平均每周進出港航班1 800余次。

在2014年—2018年，該機場所在城市降水量起伏較大，2014年降水量為486.4 mm，2018年為736 mm。同時該機場的排水系統出現堵塞，曾出現過跑道被雨水浸泡的情況。本文于2014年和2018年對該機場進行了兩次道面檢測，脫空發展情況相當嚴重。

2 跑道道面板底脫空分析

本論文分別采用彎沉測試和雷達測試的方法對機場道面板底脫空狀態進行分析，對不同測試方法的兩次測試數據進行對比分析，交叉驗證測試區域板底脫空情況及其發展特征，具體分析如下。

2.1 彎沉測試及其數據分析

2.1.1彎沉測試方案

本項目使用重錘式彎沉儀，落錘承載盤直徑為30 cm，以落錘承載盤為中心沿徑向布置的振動位移傳感器能探測到落錘作用后的瞬時變形，荷載沖擊的持續時間為25 ms～30 ms，對每個測點采用3種沖擊力：90 kN,150 kN和240 kN。本文選取彎沉測試的01～19跑道測線。測線布置具體如圖1所示，各測點間隔為40 m。

2.1.2彎沉數據分析

本文選取兩次跑道的角中比來進行對比分析。圖2是2014年及2018年對該機場1號跑道1號、2號測線角中比測試結果的對比。采用的脫空判定方法依托于道面板塊的板中、板邊和板角3個位置的彎沉值，根據實測彎沉計算“板角彎沉/板中彎沉”(角中比)，根據比值大小來判定板邊和板角是否存在脫空。當角中比大于3.0時，即可判斷其存在板底脫空;且通過比值的大小可以判斷脫空的嚴重性[4]。

從圖2中可以看出，2014年時跑道1號、2號測線角中比全部低于2.0，幾乎不存在板底脫空；而在2018年時，角中比全部有大幅度的上升，有至少60%的角中比超過判定板底脫空的極限值，同一位置的角中比變化最大處由1.1增至5.1，板底脫空相當嚴重。除此之外，未超出極限值的位置的角中比最少也增長了10%左右，說明其余點位正在向脫空狀態發展。

2.2 探地雷達測試

2.2.1雷達測試方案

本次機場飛行區道面評估雷達測試系統采用俄羅斯OKO-2探地雷達系統，電磁波頻率為250 MHz。測試方法為測距輪連續測試。跑道中線兩側布置兩條測線(分別距中線2.5 m)。雷達測線具體布置與彎沉測線布置一致，測線布置圖參考圖1。

2.2.2雷達測試數據分析

與之前相對應的，本文選取跑道1號、2號測線的雷達圖像，來對比分析兩次雷達圖譜所反映的脫空情況。如圖3所示為兩條測線位置相同的部分雷達圖譜。

本文選取疑似空洞較多的位置上的圖譜，約距跑道入口端1 000 m～1 300 m的范圍。圖譜中可以明顯看出，2014年時圖譜的結構分層還很清晰，即脫空問題還并不嚴重；但2018年時圖譜的信號混亂，各處分層模糊，脫空問題發展嚴重。

為更好地表示雷達探測的結果，本文將兩次檢測中探測出的脫空隱患統計如圖4所示。

圖4中，X軸為跑道中線，坐標零點為跑道端，Y軸正坐標為1號測線，Y軸負坐標為2號測線。可以看出，2018年較2014年相比，疑似脫空位置明顯增多，且兩年中相近的脫空區域也有不同程度的發展：2014年輕度脫空的區域有2.5%發展為中度脫空，19.5%發展為重度脫空；重度脫空的區域所占百分比明顯上升，數目也急劇增加。其次，兩年的脫空位置都在跑道中部密度較大，這是由于長期頻繁的飛機起降，荷載主要作用于跑道中部所導致。單獨比較每次測試的兩條測線來看，1號測線上的脫空位置要比2號測線的密度更大，且增長較快，可能是由于1號測線位置的排水系統不暢，使道面積水不能及時排出導致的。

由彎沉和雷達測試數據綜合分析可得，2014年該機場跑道1號測線脫空率為9.2%，2號測線為8.5%，2018年1號測線為89.2%，2號測線為51.2%，脫空率平均增長70.2%。可見，該機場2018年的跑道脫空情況堪憂，存在嚴重的安全隱患。本文就該機場的實際情況，從以下幾個方面進行原因分析。

3 脫空發展影響因素分析

對機場道面脫空產生影響的因素包括降水、凍融、排水、跑道使用時間、道面板自身結構、生物因素等等[8-10]。該機場場區屬北暖溫帶季風氣候區，具有大陸性氣候特征，冬天氣候溫差不大，跑道凍融的情況極少出現；各機場的道面板結構基本相同，只有使用時間上的差別；該機場驅蟲驅鳥相關處理措施也較為完善。所以，排除以上所提到的因素，本文將從降水、排水、跑道使用時間、跑道荷載作用等方面來探討該機場脫空發展的影響因素。

3.1 降水作用

為了量化降水與脫空率之間的關系，本文選取了全國范圍內飛行區等級一致，客貨吞吐量增長率相近，跑道使用時間相近，排水系統均正常工作且出現跑道脫空情況的機場，將其跑道道面脫空率與該機場所在城市降雨量進行對比及數據擬合。數據擬合結果如圖5所示，其中，脫空率由當年檢測得出，降水量為檢測當年與前5年該城市降水量的平均值。

數據擬合情況如圖5所示，擬合因子R=0.712 8，較好地反映了數據的變化趨勢。由圖5可以看出，隨著降雨量的增大，跑道的脫空率也在隨之上升，這是由于降水會導致雨水堆積在道面上，若排水不及時或排水系統不完善，雨水滯留，浸泡道面，就會降低道面的強度；水滲透進地面，會導致地下水位的升高，且道面板底在飽水條件下，隨著飛機荷載的反復作用，會帶走更多的地下顆粒和碎石，導致地下更大的空洞。其次，由圖5還可以看出，隨著降雨量的增多，降雨對于跑道脫空的影響也越來越小，分析其可能原因是降雨量大的機場會有相應更加完善的排水設施和防治措施，來保障道面的強度。

為進一步量化降水因素對道面脫空帶來的影響，本文依據擬合出的公式，將降水量以200 mm為間隔帶入計算，觀察脫空率的變化，計算結果得，降水量每增長200 mm，脫空率平均增長8.16%。該城市降水量情況如表1所示。

表1 該城市近年降水量情況

從表1中數據可得，2018年降水量比2014年上升249.6 mm，依據上述關系，該降水量的變化會導致脫空率上升10.2%。可見，相比于之前計算所得的平均增長率70.2%，降水所導致的脫空率增長只占有一小部分的比重。

3.2 跑道使用年限

一般認為，跑道的脫空率會隨使用時間的增加而增加。本文選取國內若干機場，這些機場飛行區等級一致，機場所處地區的干濕條件基本相同，排除其他可能因素造成的影響，將其跑道使用時間和脫空率放入圖像中進行分析，并擬合數據，如圖6所示。

擬合方式及結果如表2所示。

表2 跑道使用時間與脫空率數據擬合結果

由圖6可以看出，雖然脫空率與時間關系的散點有一定離散性，但整體趨勢較為明顯，即隨著跑道使用時間的增長，道面脫空率會顯著增加。本文采用線性擬合、二項式擬合及指數擬合三種方法對數據進行處理。從圖中趨勢以及表中的擬合因子可以看出，二項式擬合和指數擬合的效果較好，即道面在使用前期脫空率增長較快，后期逐漸趨于穩定；且跑道使用時間每增加1年，脫空率會相應增加2.4%左右。因此，該機場在2014年—2018年這5年間，受跑道使用時間影響下的脫空發展應為12%左右。

當然，本文選取的機場雖然飛行區等級一致，干濕條件基本保持類似，但不同機場之間一定有所差異，再加上地理位置帶來的影響，所得結果一定有些偏差。所以，要想進一步排除其余因素對上述擬合的干擾，應進行偏相關分析，來消除其他變量間關聯性的傳遞效應。

3.3 跑道荷載作用

關于跑道荷載作用，本文將從“起降架次”入手，探尋其與脫空率之間的關系。同上述研究方法類似，本文選取飛行區等級一致，干濕條件基本相同的若干機場，但由于跑道荷載作用和道面使用年限會共同影響脫空率的發展，所以本文又將上述機場中道面使用年限相近的機場篩選出來進行對比分析。擬合結果如圖7所示。

本文依次對數據進行線性及多項式擬合，結果如表3所示。從表3可以看出，三項式擬合能更好地反映數據的變化規律。由此可見，脫空率與起降架次之間并沒有明顯的正相關關系，但相對于起降架次在6萬次～14萬次左右的機場，更貼合實際的情況是起降架次的增多會對道面的質量產生影響，且國內大部分機場的起降架次也是在此范圍之內。因此，該范圍內的量化情況還是有意義的。

表3 跑道荷載與脫空率數據擬合結果

就三項式擬合結果分析，機場的起降架次每增加1萬次，對應的脫空率會平均上升5.16%。本文所研究的機場起降架次是由2014年的8.35萬次上升至2018年的12.68萬次，由上述分析結果可知，由于起降架次導致的脫空率發展大約為22.3%。

由上述分析結果可得，雖然降水因素、跑道使用時間以及跑道荷載作用會對脫空率的發展產生一定影響，但不能導致該機場有70.2%的大幅度發展，因此還有影響系數更大的因素待發現和研究。據調查，該機場的排水系統存在堵塞，曾多次出現跑道被積水浸泡的現象，因此，本文將進一步從排水因素來研究其對于該機場道面脫空發展的影響。

3.4 排水作用

一般認為，機場道面的脫空率與水的浸泡因素有關。如果雨水長期浸泡，道面基礎底部的細顆粒會隨水流失，導致脫空；另外，跑道底部有積水的情況下，當有荷載作用時，會發生唧泥等現象加速脫空問題的發展。所以，在上述對降水因素分析之后，還需要對該機場的排水效率進行研究。

對于排水效率的研究，引進“截流倍數”這一概念。截流倍數是指合流制排水系統在降雨時截流的雨水量與旱流污水量之比值。旱流污水量是指排水系統晴天時的污水量。若截流倍數較小，說明在降水并不多的情況下，地下徑流還是較大，排水系統就有待改善；若截流倍數較大，說明在降水較多的情況下，地下徑流卻較小，說明排水系統良好。我國的《室外排水設計規范》中規定，截流倍數采用1.0～5.0，在工程實踐當中，我國大多數城市一般采用截流倍數n=1.5～4.0[11-13]。

計算該城市的平均降雨強度，運用以下公式：

其中，q為降雨強度；P為降雨的重現期；t為降雨的時長。A1,C,b,n均為地區性參數，根據統計方法進行計算確定。重現期P根據《民用機場排水設計規范》，空側設計暴雨重現期通用機場為1年～3年。

依據暴雨強度計算公式，得出平均降水強度為152.911 L/s,將其轉換單位，得到降水強度5.50 mm/h。圖8表示截流倍數與降雨強度和降雨量之間的關系。由圖可以得出在降雨強度為5.50 mm/h時對應的截流倍數為3.93，并且超過該截流倍數的降雨量大致約為670 mm。

再來比對2014年—2018年的降雨量，得出在2018年的736 mm和2017年713.7 mm都超出了該截流倍數下最大的降水強度，2016年的668.9 mm也很接近，這就說明機場的排水系統已不足以滿足該降水量下的要求，就會使雨水滯留在跑道上，浸泡道面，降低跑道的強度；過多的雨水也會滲透進跑道內部，使地下水位升高，等天氣放晴或溫度上升，地下水位又會隨著水的蒸發而下降，地下水位的起伏便會不斷地帶走碎石和泥沙，造成道面脫空。

由上述分析可知，排水作用在該機場的脫空率發展問題中也占有一定的比重。只不過，國內外幾乎沒有由于排水問題導致機場道面脫空發展的案例，因此，本文對于截流倍數的研究做出一點改進，提出“設計截流倍數”和“實際截流倍數”的概念。

“設計截流倍數”是指建筑師在設計排水系統時希望其達到的截流倍數；“實際截流倍數”是指由于材料誤差、施工條件等因素導致的實際應用中的真實截流倍數。以本文機場為例，n設應為按照暴雨強度公式計算出的降水強度所對應的截流倍數，即n設=3.93；n真應為超過該設計要求的降水量所對應的截流倍數，即2016年—2018年平均降水量706.2 mm所對應的截流倍數，從圖8可得n真=3.51。

兩者的差值導致了排水系統超負荷工作，積水排出不及時，從而導致道面被浸泡，強度下降，加速了脫空問題的發展。根據之前的討論，該機場5年內跑道道面平均脫空70.2%，其中降水因素占比10.2%，跑道使用時間占比12%，再加上其余各種非重要的影響因素，令其總共占比5%，由于該機場的特殊性，剩下的43%均是由排水因素所導致。而n設與n真的差值0.42是導致這一占比的主要原因，因此可得，n真比n設每減少0.1，會導致道面脫空率上升10.2%。

綜上所述，排水作用對于機場道面的影響較大，且任何排水系統都會存在n設與n真之間的差值，即由于排水不暢導致的脫空發展問題廣泛存在于各大機場，希望加以重視。

4 結論

本文就2014年和2018年對國內某機場道面檢測結果進行了脫空成因分析，通過數據對比及擬合，確定出導致脫空的具體原因及其對脫空程度的量化影響。總結如下：

1)降水會對道面板的強度造成影響，降水量較大或起伏明顯都有可能引起道面板脫空，一般來說，降水量每上升200 mm，脫空率會增長大約8.16%；但降水量進一步的增大對跑道的影響會逐漸減小，因為機場會有相應的措施設備；

2)排水也會對脫空產生影響，但排水對道面強度的影響目前國內外的研究還不夠完善，本文提出了利用“設計截流倍數”和“真實截流倍數”來反映排水效率，研究得，n真比n設每減少0.1，會導致道面脫空率大約上升10.2%，這個思路可以為之后對機場排水的研究提供參考；

3)通常認為道面脫空會隨著道面使用時間增加而增加，本文經過數據擬合之后發現多項式函數或指數函數更符合兩者之間的發展關系，即道面在使用前期脫空率增長較快，后期逐漸趨于穩定；且跑道使用時間每增加1年，脫空率會相應增加大約為2.4%；

4)脫空率與起降架次之間并沒有明顯的正相關關系，但對于起降架次位于6萬次～14萬次的機場而言，起降架次每增加1萬次，對應的脫空率發展大約為22.3%；

5)本文所研究的脫空發展因素并不完全，還有諸如生物因素、化學因素、道面板本身材料結構等等方面都會對道面脫空產生影響；另外本文只針對某一機場進行分析，缺乏大數據，只是為之后機場分析道面板脫空提供思路，還需進一步驗證和完善。徑流系數只針對該機場，樣本少，未掌握，有參考價值但有局限性，數據不足。