機場道面瀝青加鋪決策方法研究

冷廣武

（新疆機場（集團）有限責任公司，烏魯木齊 830016）

1 引言

由于瀝青加鋪可在不停航的條件下進行，對機場運營的影響最小，是目前國內(nèi)民航機場（特別是單跑道機場）道面改造或者性能提升的主要方式。由于不同機場的航空交通量、道面性能、氣候環(huán)境等差異較大，如何科學確定瀝青加鋪范圍、結(jié)構形式等，是跑道大修改造工程的重點與難點。

本文依托烏魯木齊機場道面大修工程，從技術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)構類型時，需要根據(jù)加鋪目的、舊道面的實際使用情況、加鋪工程的時機以及施工條件，采用科學的計算方法分析不同的加鋪形式、加鋪厚度和舊道面處治方案，進行最終的比選。

2 烏魯木齊機場道面性狀評價

2.1 道面表觀損壞狀況

根據(jù)調(diào)查與評價報告，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、補丁、輪轍等；（2）裂縫類病害是主導損壞，影響面積達到5 552.9 m2；（3）從損壞區(qū)域分布來看，跑道病害發(fā)生頻次最高；（4）瀝青道面結(jié)構性病害達到總損壞量的45%。從損壞類型、數(shù)量及程度來看，損壞對于機場安全運行具有顯著不利影響。

2.2 結(jié)構性能評價

道面等級號（PCN）按照剛性道面計算，取起飛架次最多的B737-800 作為評價機型。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)域的道面強度等級最小為PCN 69 R/B/W/T，可滿足B747-400 和B777-300 等大型飛機無限制運行要求。從結(jié)構適應性厚度計算結(jié)果分析，現(xiàn)有道面結(jié)構承載能力能夠滿足未來交通量的使用要求。

道面實際使用過程中，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隨著荷載和環(huán)境的影響逐步衰減。為進一步描述層間接觸狀態(tài)及材料性能對道面結(jié)構受力狀態(tài)的影響，以B777-300 為例，采用三維有限元軟件對復合道面結(jié)構響應變化規(guī)律進行仿真模擬，如圖1 所示。

圖1 道面結(jié)構三維有限元仿真模型

仿真模擬結(jié)果表明，當層間結(jié)合系數(shù)取0.5 時，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。此時跑道及聯(lián)絡道不滿足B777、B747等大型飛機的起降要求。同時，當?shù)烂婕愉亴踊旌狭喜牧闲阅茱@著衰減時，復合道面當量厚度減小，不僅會影響結(jié)構承載能力，還會帶來外來物（FOD）等安全風險問題。

2.3 瀝青混合料材料路用性能

對瀝青面層全厚度取芯40 個，通過對芯樣進行測試，分析道面材料路用性能。試驗結(jié)果表明，烏魯木齊機場部分區(qū)域瀝青道面路用性能存在層厚偏小（變形）、瀝青含量偏低、級配偏細、抗水損能力差、下面層抗松散能力偏弱等問題。

2.4 道面功能性能

瀝青道面面層滲水測試結(jié)果等表明，不論原道面還是修補道面，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，構造深度法及摩阻系數(shù)測試法的測試結(jié)果表明，機場瀝青道面抗滑性能處于較佳狀態(tài)。

3 機場瀝青道面病害成因研判

結(jié)合道面性能評價狀況和機場實際氣候荷載狀況，分析病害的主要影響因素：（1）機場瀝青道面損壞量偏多，與繁忙荷載作用有直接關系，起降架次總量已接近單跑道運行極限；（2）烏魯木齊機場高溫、極寒氣候條件對機場道面不利。

繁重荷載、不利氣候條件對瀝青道面結(jié)構有不利影響，但設計考慮充分、施工嚴格控制，瀝青混凝土加鋪工程質(zhì)量仍能有效保證，并實現(xiàn)道面長久、安全使用。依據(jù)檢測結(jié)果、結(jié)合前述機理及一般成因總結(jié)，對烏魯木齊機場現(xiàn)有瀝青道面結(jié)構使用性能下降、病害較多的主要原因分析如下。

3.1 原瀝青道面設計對加鋪道面混合料性能考慮不足

機場原瀝青道面設計對于機場荷載、氣候區(qū)域劃分等考慮并不充分，因此，對混合料性能指標要求偏低，甚至未做明確規(guī)定，導致國內(nèi)早期加鋪的機場瀝青道面結(jié)構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)構強度儲備不足

部分區(qū)域道面結(jié)構強度儲備處于臨界狀態(tài)。例如，跑道RA2 區(qū)域道面PCN（道面等級號）計算值僅為57，其承載能力對B747、B777 等大機型適應性較差。此外，2012 年加鋪考慮新機場即將建成，定位于功能性加鋪，對于結(jié)構承載能力儲備也未做進一步考慮。因此，結(jié)構承載能力儲備不足也是機場瀝青道面結(jié)構病害發(fā)生的重要原因。

3.3 局部區(qū)域混合料性能衰減

芯樣試驗結(jié)果表明，烏魯木齊機場瀝青道面上下面層粗集料含量均偏少，部分區(qū)域的級配也與設計級配差異較大，輪轍的產(chǎn)生與此直接相關。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。

4 瀝青道面加鋪維修規(guī)模分析

目前，烏魯木齊機場瀝青道面在表觀、結(jié)構和混合料性能方面均存在一定的問題，因此，需要對現(xiàn)有道面進行維護，有局部維修和大修整治兩種方案。鑒于烏魯木齊機場道面實際情況和運行特點，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險高，且有進一步發(fā)展趨勢。瀝青道面裂縫等結(jié)構性損壞接近總量的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，維護管理難度大。2012 年加鋪后，維修總量超過50 000 m2，累計維修投入超過4 000 萬元，而且機場航班密集、停航時間短，施工組織難度大，投入機械、人員數(shù)量多，機場相關部門管理要求高、難度大，違背安全、長效的管理理念。（3）瀝青混凝土適合大面積施工，局部修復混合料質(zhì)量控制困難，耐久性有待進一步驗證。（4）現(xiàn)有檢測手段難以全面判定結(jié)構薄弱區(qū)域，確定局部維修具體區(qū)域技術難度大。（5）機場航空交通量接近單跑道容量極限，可供施工時間逐年減少，道面維修成本逐年提高，運行和施工的安全風險進一步增大。

總之，采用局部維修的方案，機場管理部門維保壓力極大、維護費用高，且存在極大的安全風險，因此，為實現(xiàn)烏魯木齊機場瀝青道面“長治久安”，應采用大修整治的方案對現(xiàn)有道面結(jié)構進行全面整治。

5 瀝青道面加鋪結(jié)構組合比選

由于烏魯木齊機場為單跑道運行，改造方案應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)構完全銑刨重鋪、保留既有瀝青道面結(jié)構直接加鋪，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)構下面層性能偏弱，水泥-瀝青層間結(jié)合衰減對道面整體性能影響大，實施效果難以保證，因此，不建議采用既有瀝青道面上面層銑刨加鋪方案。而對于銑刨重鋪和直接加鋪，須重點考慮以下3 方面的問題。

5.1 原道面修復與層間處治

銑刨重鋪是在原水泥道面上重新加鋪瀝青層。根據(jù)加鋪前道面檢測報告，原水泥道面層底支承劣化情況明顯，且可能進一步發(fā)展。因此，銑刨后，需對原水泥混凝土結(jié)構進行有效的維修與處治。在有限的不停航施工條件下進行原水泥道面修復及層間處治，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，且相對水泥道面而言，修復及層間處治相對容易，具有時間和效果上的優(yōu)勢。

5.2 施工效率與安全風險

直接加鋪比銑刨加鋪少了銑刨工序，且處理原道面施工時間短，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，施工時間越長，施工安全風險就更高。

5.3 加鋪層數(shù)

通過計算可知，考慮層間和材料性能的衰減，對于完全銑刨而言，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），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)有機型的正常運行。如采用兩層組合，道面性能或?qū)娱g結(jié)合有下降就會限制部分機型運行。因此，推薦采用3 層加鋪。而對于直接加鋪而言，加鋪兩層就可以滿足不利條件下道面結(jié)構承載能力的要求（各區(qū)域PCN 最小值為PCN 75R/B/W/T）。

同時，為驗證方案，對直接加鋪1 層的結(jié)構形式也進行了計算驗證（以跑道為例），見表1。可見，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場的正常運行要求。

表1 既有道面結(jié)構加鋪1 層瀝青混凝土PCN強度通報（層間衰減）

5.4 加鋪結(jié)構組合形式綜合評價

依據(jù)上述分析，對上述加鋪結(jié)構組合進行綜合評價，結(jié)果見表2。按照綜合評價優(yōu)劣，考慮類似組合形式在國內(nèi)機場已有成功應用案例（虹橋機場等），建議采用保留既有道面結(jié)構直接加鋪兩層的結(jié)構組合形式。

表2 加鋪結(jié)構組合綜合評價

6 結(jié)論與建議

依托烏魯木齊機場瀝青道面加鋪工程，本文通過道面性能客觀評價和道面原因科學分析，系統(tǒng)、全面地掌握道面現(xiàn)狀及特點，結(jié)合國內(nèi)已有經(jīng)驗，準確計算道面結(jié)構組合，按照綜合評價優(yōu)劣，推薦了烏魯木齊機場道面瀝青加鋪的合理方案。該決策方法可供國內(nèi)同類型機場借鑒與應用。