山區(qū)高填方機(jī)場不均勻沉降對瀝青道面影響及處置方法

劉人瑋

中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)北京民航設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 101312

機(jī)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(jī)場邊坡。近年來，西北、西南、華北地區(qū)陸續(xù)建設(shè)了一批最大填方高度在80m以上的機(jī)場，積累了一定的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。山區(qū)機(jī)場跑道通?？缭綇?fù)雜的地形地質(zhì)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(zhì)復(fù)雜的特點(diǎn)。跑道運(yùn)行后，一方面在飛機(jī)荷載長期作用下，在道基一定深度范圍內(nèi)產(chǎn)生附加動(dòng)應(yīng)力，引起填料或原道基顆粒間錯(cuò)動(dòng)、滑移乃至破碎，產(chǎn)生的塑性形變或體變將會(huì)不斷累積，最終導(dǎo)致道面出現(xiàn)病害，對飛機(jī)運(yùn)行安全產(chǎn)生不利影響。

1 工程概況

1.1 機(jī)場概況

西北某山區(qū)高填方機(jī)場位于黃土丘陵地區(qū)，梁、峁及沖溝縱橫交錯(cuò)，滑坡、洞穴分布，土層成因多樣，沉積年代和環(huán)境各異，場址區(qū)域?yàn)槠赂?、林地、四荒地和未利用土地，場地地形起伏較大。于2009年動(dòng)工建設(shè)，2013年建設(shè)完工。機(jī)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(jié)構(gòu)如表1所示。

機(jī)場建設(shè)中，共搬12座山，填22條溝，該機(jī)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(dá)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(fā)育，兩側(cè)坡度為40°～80°。

表1 機(jī)場瀝青混凝土道面結(jié)構(gòu)表

1.2 道面裂縫及沉陷病害狀況

此機(jī)場地質(zhì)條件復(fù)雜，跑道的地基沉降監(jiān)測時(shí)間較短，機(jī)場管理方在運(yùn)行壓力較大的情況下，投入了大量精力對飛行區(qū)道面的情況進(jìn)行監(jiān)測巡查。2016年跑道日常巡查中發(fā)現(xiàn)：跑道南端400m～600m區(qū)域出現(xiàn)了貫通式裂縫，裂縫基本沿此區(qū)域填、挖方交界面開裂發(fā)展，對機(jī)場正常運(yùn)行產(chǎn)生了較大安全隱患。為了查明跑道沉降區(qū)域的道面狀況，為之后的處治工程提供數(shù)據(jù)及技術(shù)支持，機(jī)場于2016年對此區(qū)域進(jìn)行了道面檢測評價(jià)。

圖1跑道沉降區(qū)域衛(wèi)星圖(黃線為裂縫位置走向)

圖2 跑道病害區(qū)裂縫

2 跑道沉陷區(qū)道面檢測及沉陷成因分析

2.1 道面檢測結(jié)果

本次主要通過重錘式彎沉儀檢測、道面探地雷達(dá)測試、面波儀測試這三種無損檢測手段對該區(qū)域道面的結(jié)構(gòu)性能做出檢測及評價(jià)。

（1）道面彎沉檢測

測定彎沉是對道面進(jìn)行結(jié)構(gòu)性評價(jià)的一種方法。落（重）錘式彎沉儀(HWD)是國際上民用機(jī)場、公路、市政道路等工程領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的無損檢測設(shè)備，能通過測定道面彎沉以評價(jià)道面及基礎(chǔ)的強(qiáng)度。HWD通過落錘對道面的沖擊作用模擬飛機(jī)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(yīng)，從而評價(jià)道面及基礎(chǔ)的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)狀況。

本次彎沉測試區(qū)域?yàn)榕艿滥隙?00m～700m區(qū)域，測線測點(diǎn)布置情況如表2所示。另外，測試過程中對測線上裂縫兩側(cè)進(jìn)行了測點(diǎn)加密。

表2 彎沉測線布置表

圖3 彎沉測試結(jié)果

彎沉檢測結(jié)果如圖3所示。面承載能力低于東側(cè)道面。出現(xiàn)裂縫的道面處，承載能力出現(xiàn)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(dá)測試

利用探地雷達(dá)測試道面結(jié)構(gòu)層的厚度是現(xiàn)今國內(nèi)外用于結(jié)構(gòu)層分析、評測的一種無損檢測方法。由于雷達(dá)測厚具有較好的檢測精度，且其測試速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)方法，符合民航機(jī)場不停航檢測的要求。探地雷達(dá)通過發(fā)射天線向道面發(fā)射脈沖信號(hào)，此脈沖在地下傳播過程中遇到不同電性介質(zhì)界面時(shí)產(chǎn)生反射和折射，接收天線接收反射信號(hào)后將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息傳送到雷達(dá)主機(jī)進(jìn)行處理，由入射到反射的時(shí)間間隔和波在介質(zhì)中的傳播速度，便可計(jì)算出不同結(jié)構(gòu)層的厚度，并進(jìn)行病害分析。本次雷達(dá)測試方案測線同彎沉測線一致，便于進(jìn)行結(jié)合分析。雷達(dá)測試結(jié)果同彎沉的分析比對見圖4。

圖4 雷達(dá)圖譜分析示意圖

雷達(dá)測試結(jié)果表明，跑道病害區(qū)道面孔隙主要出現(xiàn)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(qū)域，同時(shí)，承載能力薄弱區(qū)土基、基層基本存在開裂，土基和基層開裂會(huì)破壞結(jié)構(gòu)層的連續(xù)性，可能引起結(jié)構(gòu)層的不均勻沉降，進(jìn)而造成面層與基層出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。跑道中心線兩側(cè)輪跡帶區(qū)域內(nèi)土基存在開裂現(xiàn)象。

（3）面波儀測試

多道瞬態(tài)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(gè)波長范圍內(nèi)，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(zhì)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(zhì)情況。在地面通過錘擊、落重或炸藥震源，產(chǎn)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(gè)方面進(jìn)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(shí)度。本次裂縫深度探測測點(diǎn)與土體密實(shí)度測點(diǎn)布置情況如圖5及圖6所示。

圖5 裂縫深度探測測點(diǎn)布置圖

圖6 土體密實(shí)度測線布置圖

本次探測位置裂縫發(fā)育深度均大于2.5米，同時(shí)，結(jié)合裂縫測點(diǎn)位置與土方計(jì)算圖，可以發(fā)現(xiàn)裂縫深度大于5.0m的填方區(qū)域，填方厚度差大于5.0m，其中LF9點(diǎn)，最大填方厚度差為15.0m，最小填方厚度差為1.0m，該點(diǎn)推測裂縫發(fā)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(fā)育情況的因素之一。

測試結(jié)果表明，跑道四條縱向彎沉測線的道面承載力所呈現(xiàn)的趨勢基本一致，均存在一定程度的波動(dòng)，U型裂縫西側(cè)范圍內(nèi)道

圖7 PX1剖面與PX2剖面對照

從裂縫兩側(cè)土體的Vr值可以知：沿填挖邊線發(fā)育的裂縫兩側(cè)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(fā)育的裂縫，兩側(cè)土體密實(shí)度差別較大。

2.2 沉陷成因分析

彎沉測試結(jié)果表明，填方區(qū)域內(nèi)道面承載能力較挖方區(qū)低，同時(shí)裂縫周圍道面承載能力明顯低于周邊道面。雷達(dá)測試結(jié)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(cè)的填方區(qū)域內(nèi)，同時(shí)，裂縫區(qū)域土基、基層基本存在開裂。面波儀測試結(jié)果表明，填方厚度的差異大小是影響跑道裂縫發(fā)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(qū)的形成機(jī)理。即跑道U型裂縫內(nèi)基礎(chǔ)為填方區(qū)，最大填高31m，原地面自重2-3級濕陷性。填方區(qū)與挖方區(qū)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(xiàn)出來。由于填方區(qū)的沉降速率高于挖方區(qū)，故在填挖交界區(qū)域土體內(nèi)由于界面剪力而產(chǎn)生了裂縫，而此區(qū)域位于飛機(jī)著陸區(qū)，裂縫在飛機(jī)荷載的不斷沖擊作用下自下而上發(fā)展，最終穿過碾壓混凝土基層到達(dá)了道面表面，形成了道面病害區(qū)裂縫與沉降并存的破壞形式。

3 沉陷區(qū)病害處治方案

基于以上道面檢測結(jié)果，防止道面進(jìn)一步出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損壞，應(yīng)對跑道沉陷病害區(qū)進(jìn)行處治，處治思路為：（1）及時(shí)對跑道病害區(qū)距其西側(cè)邊線向東0 ～ 15m范圍（非輪跡帶）內(nèi)的裂縫兩側(cè)區(qū)域進(jìn)行高聚物注漿處治，增強(qiáng)道面承載能力，然后對上述區(qū)域道面進(jìn)行銑刨重鋪改造，消除道面結(jié)構(gòu)層孔隙。（2）對于跑道病害區(qū)內(nèi)西側(cè)邊線向東15 ～ 21m范圍內(nèi)裂縫兩側(cè)道面進(jìn)行注漿處治，增加其道面的承載能力。

3.1 道面基礎(chǔ)注漿

3.1.1 注漿孔位布設(shè)及鉆孔深度

根據(jù)注漿孔的布置原則標(biāo)記注漿孔位置，沿裂縫兩側(cè)距離0.3m處分別布置注漿孔，注漿孔間隔為1m。鉆孔位置應(yīng)避開跑道燈具所在位置。本次注漿鉆孔深度需達(dá)到基層底部與土基頂面交界處，根據(jù)道面結(jié)構(gòu)，注漿鉆孔深度不得小于58cm。按照設(shè)計(jì)的鉆孔深度，利用沖擊鉆在標(biāo)注的注漿孔位置鉆孔至設(shè)計(jì)深度，鉆孔時(shí)應(yīng)注意避開預(yù)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(shè)計(jì)深度。

3.1.2 注漿工藝流程

（1）鉆孔。鉆孔過程中應(yīng)采取適當(dāng)措施防止灰塵擴(kuò)散，同時(shí)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(shí)應(yīng)注意避開預(yù)埋電纜或地下管線。

（2）下注漿管。根據(jù)試驗(yàn)段獲取的數(shù)據(jù)及現(xiàn)場實(shí)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(zhì)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(yīng)緊密結(jié)合，不能松動(dòng)，否則更換注漿帽。

（4）注漿。按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)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(yù)聚體A/B材料輸送到注射槍口，兩種預(yù)聚體在注射槍口混合，通過注漿管輸送到結(jié)構(gòu)孔隙中。兩種材料迅速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，體積膨脹固化，達(dá)到消除脫空、加固結(jié)構(gòu)層松散區(qū)或軟弱區(qū)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(jìn)行注漿后檢測，分析注漿處治效果。如滿足設(shè)計(jì)要求，則完成注漿；否則，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)注并直至符合設(shè)計(jì)要求為止。

（6）封孔。為防止雨水通過注漿孔進(jìn)入道面結(jié)構(gòu)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(jìn)行封孔處理。使用密封膠時(shí)需對其加熱，且溫度控制在160 ～ 210℃之間。灌注密封膠時(shí)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(jìn)行整平。

（7）清掃。使用鐵刷等對注漿孔及其周圍道面污染區(qū)域進(jìn)行清理；然后使用笤帚對施工作業(yè)區(qū)進(jìn)行清掃，并使用吹風(fēng)機(jī)進(jìn)行清理；使用濕抹布對排除泥水處進(jìn)行清理；最后處理道面污染區(qū)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(jī)場的氣候特點(diǎn)，道面重鋪的瀝青混合料應(yīng)滿足以下性能要求：高溫抗車轍性能，即抵抗流動(dòng)變形的能力；水穩(wěn)定性，即抵抗瀝青混合料受水浸蝕逐漸產(chǎn)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(fù)荷載作用下破壞的能力；抗滑性能，為飛機(jī)起降及安全滑行提供足夠的摩擦系數(shù)；舒適性能，主要指平整度。

3.2.2 重鋪瀝青混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

瀝青混凝土道面采用三層分層攤鋪，施工次序?yàn)椋海?）鋪筑2cm厚改性瀝青石屑應(yīng)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(qū)域內(nèi)瀝青道面縱、橫坡度保持和原設(shè)計(jì)一致。瀝青混凝土道面重鋪施工完畢后，按原跑道道面標(biāo)志標(biāo)線進(jìn)行恢復(fù)。

4 結(jié)語

本文通過對西北部某山區(qū)高填方機(jī)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(fù)方案，得到如下結(jié)論：

（1）跑道填方區(qū)的道面承載能力弱于挖方區(qū)，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(dǎo)致土體開裂，反應(yīng)在道面上，形成了目前跑道沉陷裂縫區(qū)的病害。

（3）采用基礎(chǔ)注漿與部分區(qū)域?yàn)r青銑刨重鋪結(jié)合的方式是處治此種病害的一個(gè)有效探索。