冷廣武
(新疆機(jī)場(chǎng)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,烏魯木齊 830016)
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。
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。
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。
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小(變形)、瀝青含量偏低、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。
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)。
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。
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]。
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。
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)。
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(mén)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(mén)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。
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。
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)。
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。
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。可見(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)
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)
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。