機場瀝青混凝土道面病害監(jiān)測及不停航施工養(yǎng)護流程*

于浩晨，馬云祥，艾爾西·吾斯曼，王鼎山，楊立靖

（中國民航大學交通科學與工程學院，天津 300300）

瀝青混凝土跑道常見的類型有半剛性基層路面和復合型路面（剛性基層瀝青路面）。采用水泥、石灰等無機結(jié)合料穩(wěn)定碎石，對級配集料作穩(wěn)定處理后作為基層；瀝青作為面層。這種路面結(jié)構(gòu)兼具剛性路面和柔性路面的優(yōu)點。但由于路面本身的特性，瀝青面層收縮而產(chǎn)生的裂縫難以避免，混凝土基層中雨水不易下滲，水損害也會發(fā)生。其次，由于我國機場運輸量大，飛機起降頻繁，跑道負荷重，跑道頻繁使用使路面易發(fā)生車轍、塑流、蠕變等病害。跑道路面發(fā)生病害，易造成飛機起降過程顛簸，降低舒適度，同時跑道上的碎石等病害產(chǎn)物一旦卷入發(fā)動機，將嚴重威脅飛行器的安全。因此，為了保證飛機起降的安全穩(wěn)定，必須對受損路面及時進行維護處理。

1 瀝青混凝土跑道的病害及監(jiān)測手段

1.1 裂縫和斷裂

（1）橫向裂縫。橫向裂縫是指沿路面方向出現(xiàn)的裂縫。機場瀝青跑道產(chǎn)生橫向裂縫的原因主要有三點：一是基層和面層不同性質(zhì)材料的收縮情況不同，剛性、半剛性基層材料的收縮率高于瀝青面層，使面層底部緊鄰基層面板橫縫處的瀝青發(fā)生開裂；二是冬季溫度降低引起瀝青面層變硬收縮，當瀝青面層的拉應力超過抗拉強度時，會出現(xiàn)自上而下的裂縫；三是在舊水泥混凝土路面上鋪筑瀝青面層的復合式路面，通常在混凝土的接縫處，會在瀝青面層上產(chǎn)生橫裂縫。

（2）疲勞斷裂或龜裂。龜裂是由于飛機荷載疲勞應力作用頻繁，使路面形成方向不定的裂縫，裂縫相互交錯，將面層破壞為數(shù)個多邊形小塊組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。龜裂多從基層面板交接處開始發(fā)育，是飛機荷載頻繁作用的結(jié)果，也與飛機荷載過重使路面承受的應力增大有關(guān)。

1.2 水破壞

機場跑道的水破壞是由地面積水引起的。瀝青面層的透水性比混凝土基層高，雨水透過面層后不易繼續(xù)下滲，導致路面積水的滯留。當積水滯留在面層和基層的交界處時，在飛機荷載和溫度變化的協(xié)同作用下，面層和基層交接處的瀝青從集料表面漸漸發(fā)生分離剝落，粘結(jié)性下降，產(chǎn)生坑洞、裂痕，一旦裂痕出現(xiàn)，路面積水將更易滲入，如此往復，形成惡性循環(huán)。

1.3 車轍、塑流和蠕變

車轍、塑流和蠕變是指瀝青面層由于承受了過重的飛機荷載或者飛機荷載次數(shù)過多而產(chǎn)生了不可逆的塑性變形。其中，車轍是飛機輪胎壓力向下作用在路面上，使路面在與輪胎接觸的地方向下凹陷變形。而塑流是指跑道在飛機降落的過程中應對飛機降落帶來的沖擊力，使得車轍兩側(cè)還易形成向上隆起的變形。車輪軸載并不是一個固定的常量，而是圍繞一個值上下波動，應力的不均勻使瀝青面層產(chǎn)生了不均勻變形，飛機在滑行中發(fā)生上下顛簸，應力變化更加無序。如此循環(huán)，跑道產(chǎn)生波浪形變形，也就是蠕變。

1.4 磨損和剝落

由于道面使用時間過長、飛機荷載作用次數(shù)過多，輪胎接觸區(qū)域的瀝青面層厚度減薄，不利于飛機的平穩(wěn)運行。當飛機荷載過大時，瀝青面層和剛性、半剛性基層之間的粘結(jié)層作用減弱，面層可能會發(fā)生剝落，導致路面結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，路面平整度下降，使飛機在滑行的過程中發(fā)生顛簸，當剝落的瀝青碎塊被吸入發(fā)動機或螺旋風扇中時，甚至會對飛行器的結(jié)構(gòu)造成破壞，影響飛行安全。

1.5 監(jiān)測手段

在以上四大類病害發(fā)生的過程中，跑道路面的應力和溫度狀態(tài)均會發(fā)生相應的變化。為了監(jiān)控跑道工作狀態(tài)，收集工作信息，可以在道面的內(nèi)部或者兩側(cè)位置布置感知原件和信息傳輸介質(zhì)，例如分布式光纖和其他傳感器。光纖和各類傳感器相互配合，精確收集跑道內(nèi)部空間各個點的應力狀態(tài)信息和溫度變化信息，建立起天氣、氣溫、飛機荷載、速度等與跑道內(nèi)部應力、溫度的相關(guān)關(guān)系，實時監(jiān)控分析跑道的狀態(tài)，并監(jiān)控道面脫空的不連續(xù)病害和塑性形變的發(fā)生。在這個監(jiān)測系統(tǒng)中，紅外熱成像儀監(jiān)測并記錄瀝青道面的溫度；水膜厚度傳感器感知跑道表面的水膜厚度，評價抗滑風險；應力傳感器監(jiān)測跑道道面的應力應變情況；激光輪跡儀對跑道輪轍深淺變化進行監(jiān)測。多種傳感器相互配合協(xié)作構(gòu)成了智能道面監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對跑道的智能化監(jiān)測。

（1）溫度監(jiān)測。使用紅外熱成像儀對道面溫度進行監(jiān)測。將監(jiān)測探頭布設在跑道的兩側(cè)，收集攜帶溫度信息的光信號，利用紅外熱成像技術(shù)，通過光纜將收集到的攜帶溫度信息的光信號轉(zhuǎn)變成電信號輸入到計算機中并處理為直觀的彩色圖像信息。溫度監(jiān)測要重點監(jiān)測飛機輪跡區(qū)域瀝青面層的溫度變化，飛機輪跡區(qū)域受飛機尾部噴氣和輪胎摩擦等因素的影響，溫度往往會急速升高，該部位的瀝青受熱會發(fā)生軟化、強度下降。通過分析輪跡區(qū)域的溫度與道面變形之間的關(guān)系，監(jiān)測機場跑道車轍、塑流和蠕變等塑性變形發(fā)生的程度和可能性。

（2）水膜厚度監(jiān)測。使用水膜厚度傳感器精確監(jiān)測跑道積水厚度，包括硬件和軟件兩大部分。監(jiān)測的具體方式是將水膜厚度傳感器嵌入跑道中，傳感器可以向路面發(fā)射微波并接受由路面反射回傳感器的微波，傳感器將微波信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過光纖將信號傳輸入計算機中，軟件通過分析入射微波信號和反射微波信號之間的相位和幅值的變化，計算出路面水膜的厚度。再根據(jù)跑道摩擦系數(shù)、跑道狀態(tài)（干濕冰雪潮）以及水膜（或冰雪覆蓋層）的厚度，給出七個跑道狀況等級，判斷跑道的抗滑安全性能和抗滑失效風險。水膜監(jiān)測傳感器原件結(jié)構(gòu)精密復雜，溫度過高或過低均會導致傳感器出現(xiàn)較大的誤差；元件受力過大將直接導致其失效或破壞。因此，水膜厚度傳感器需要安置在合適的位置，以避免傳感器的損壞。

（3）應力監(jiān)測。將光纖埋置在跑道中或跑道兩側(cè)，當飛機在跑道上滑行時，跑道應力應變將影響到附近埋置的光纖，光纖受應力發(fā)生形變，導致內(nèi)部通過的信號發(fā)生變化，將變化后的信號輸入計算機進行處理，即可分析得到跑道對應位置處的應力和應變。通過監(jiān)測道面內(nèi)部各點的應力狀況，可以判斷跑道發(fā)生脫空的程度、斷裂和裂縫的發(fā)育程度，判斷跑道是否處于正常工作狀態(tài)，是否需要實施維護。

（4）輪轍監(jiān)測。輪轍監(jiān)測需要用到激光輪跡儀，一種非接觸式掃描儀。掃描探頭向路面發(fā)射和接收激光，計算機根據(jù)激光信息繪制出跑道表面的凹凸情況。據(jù)此不僅可以判斷出飛機起降滑行時輪胎對路面造成的輪轍塑性變形情況，還可以分析出路面的磨損程度。

（5）跑道外來物監(jiān)測。跑道外來物（FOD）是指可能損傷航空器的本不屬于正常跑道結(jié)構(gòu)的外來物體。斷裂、裂縫以及水破壞等病害會使跑道產(chǎn)生脫離道面的混凝土塊、瀝青塊以及石子等物體。因此，F(xiàn)OD 監(jiān)測也是機場瀝青道面病害監(jiān)測的一個重要組成部分。機場FOD 監(jiān)測常用的探測器類型是雷達探測器。

FOD 探測器根據(jù)安裝方式可以分為塔架式和邊燈式兩種，其中塔架式距離跑道中線較近，需要滿足飛行區(qū)側(cè)凈空的要求，可以安裝的點位少；邊燈式主要安裝在跑道的邊燈附近，受干擾少，但后期維護工作量較大。探測器的選擇需要結(jié)合機場的實際情況。

（6）智能監(jiān)測系統(tǒng)傳感器分布。構(gòu)建機場道面智能監(jiān)測系統(tǒng)時，要求傳感器位置分布要合理，協(xié)調(diào)配合。道面?zhèn)鞲衅魅鐖D1 所示：水膜傳感器放置在跑道道面上靠兩側(cè)的位置。紅外熱成像儀、激光輪跡儀、FOD 雷達環(huán)測器分布在跑道外的兩側(cè)。橫向光纖和縱向光纖埋置在剛性混凝土基層的橫縫、縱縫處，上面層、中面層、下面層和基層各埋入一支溫度計，基層的靠上部埋入一支濕度計。

圖1 跑道各類傳感器分布圖

2 跑道不停航施工維護流程

在有限的時間內(nèi)完成道面的整修和維護，即刻投入使用，不影響航班的正常運行是跑道不停航施工亟待解決的問題。要從前期準備階段、施工階段、施工后養(yǎng)護階段這三個階段，合理安排、規(guī)劃，才能保證不停航施工正常有序地進行。

2.1 前期準備階段

做好不停航施工項目規(guī)劃書，規(guī)劃好不停航施工的工序以及過程中可能出現(xiàn)的各種突發(fā)情況。（1）選擇利于施工順利進行的溫度和天氣適宜的時間段，了解當天最后跑道使用時間以及第二天通航時間，保證不停航施工的順利進行以及新鋪路面的正常養(yǎng)護。（2）明確需要更新的路面區(qū)域和深度，框定出施工作業(yè)的最終范圍，作為計算所用材料種類和數(shù)量的依據(jù)，防止出現(xiàn)材料不足或剩余過多的情況發(fā)生。（3）合理規(guī)劃機械和工作人員，安排各種機械合適的入場時間，保證施工不間斷。（4）開辟專屬的施工臨時通道以及臨時進出口，保證施工機械和施工工人出入不影響飛行區(qū)其他區(qū)域的正常運作，縮短進、出場的時間。（5）規(guī)劃合理的進場、離場路線，確保施工過程中不出現(xiàn)亂流和擾流影響施工進度，保證機械、人員的有序施工、流動。（6）預先準備好所需要的熱拌瀝青混合料、地面標識涂料等施工用材料，以便縮短施工時間，保證工人和機械可以直接入場施工。（7）成立專門的不停航施工責任組，監(jiān)督施工過程中的各個流程。保證各項措施按規(guī)劃有序進行，將施工責任落實具體。

2.2 施工階段

做好前期準備后，便進入施工階段。施工流程具體如下：（1）拆除或保護好需要維修的路面區(qū)域內(nèi)全部的助航設施和監(jiān)測傳感器，確保其不受損壞。（2）銑刨機進場，用銑刨機銑刨作業(yè)區(qū)域，銑刨充分，要求病害部分全部被清除。（3）清掃銑刨區(qū)域，保證基層或面層的裸露部分沒有碎塊或者塵屑。均勻撒布透層瀝青，增加新舊路面的粘結(jié)性，保證新鋪瀝青面層與舊有道路結(jié)構(gòu)粘合充分。（4）攤鋪熱拌瀝青材料混合料，使用瀝青混合料攤鋪機，在攤鋪帶寬度上均勻地攤鋪瀝青，隨后由振搗板搗實，并由攤平板整平。整平后，碾壓瀝青混合料，碾壓過程分為初壓、復壓和終壓三個階段。為了保證維修區(qū)域和跑道的其他區(qū)域銜接流暢，需要在接縫處多次碾壓，轉(zhuǎn)角處需要人工進行攤鋪和碾壓，避免出現(xiàn)空隙。（5）將卸除的各類助航設施和監(jiān)測傳感器歸位，監(jiān)測其是否能夠正常運行，并用涂料在新建路面上標出道面標志。

2.3 施工后養(yǎng)護階段

由于不停航施工后的跑道需要即刻投入使用，短時間內(nèi)的養(yǎng)護不足以使新鋪面層達到長期正常使用所需要的強度和剛度。在新鋪瀝青面層中，靠近下部基層的瀝青率先達到預期的使用性能要求，而上部的瀝青需要更長的時間進行養(yǎng)護。此時，飛行器的起降將會導致新鋪瀝青面層上部發(fā)生相對嚴重的變形。

在這種情況下，需要反復多天進行不停航施工，每次施工需要銑刨除前一天強度剛度未能達到要求的瀝青面層結(jié)構(gòu)，重新清掃、攤鋪、壓實，養(yǎng)護一段時間后供以飛機起降，直至面層瀝青全部達到滿足長期使用的性能要求，才可以停止施工。這種施工方案是在中國機場建設過程中獨立摸索總結(jié)出的一種全新方法，雖然成本高昂耗時長，但是與我國機場運行現(xiàn)狀相協(xié)調(diào)，既保證了航班的正常運行，又不會造成航班的堆積和延誤。

3 結(jié)束語

我國早年的混凝土跑道經(jīng)過長時間使用，已經(jīng)不能滿足日漸繁重的飛機起降要求，將跑道改造為半剛性道面己經(jīng)成為舊路面改造最主要的手段之一。隨著我國民航事業(yè)的不斷發(fā)展，瀝青混凝土跑道必然成為大型機場使用的主流跑道，以不影響航班正常為出發(fā)點的不停航施工已經(jīng)成為機場運行、擴建中的必然步驟。在未來，我國維護更新機場道面受損區(qū)域，還是要使用到目前已有的技術(shù)，在現(xiàn)有流程的基礎(chǔ)上進行改造和升級，因此對其進行總結(jié)是有必要的。