高高原機(jī)場(chǎng)蓋被的關(guān)鍵問題分析

冉格思

摘 要：機(jī)場(chǎng)道面蓋被是提高跑道承載能力和安全性能、延長(zhǎng)道面使用壽命的有效方法。本文以西部某機(jī)場(chǎng)第二次蓋被為例，從舊道面處理、隔離層設(shè)計(jì)、接縫設(shè)計(jì)3個(gè)方面提出優(yōu)化高高原機(jī)場(chǎng)道面蓋被工藝的思路，以期為西部高高原機(jī)場(chǎng)蓋被修復(fù)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：高高原機(jī)場(chǎng);蓋被;隔離層;凍融循環(huán)

中圖分類號(hào)：U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）19-0075-03

Abstract： Airport Pavement cover is an effective method to improve runway bearing capacity and safety performance and prolong pavement service life. Taking the second cover of an airport in the West as an example， this paper put forward the idea of optimizing the pavement cover process of high plateau airport from three aspects： old pavement treatment， isolation layer design and joint design， in order to provide reference for the repair of high plateau airport cover in the West.

Keywords： higher plateau airport;overlay;isolation layer;freeze thaw cycle

近年來(lái)，我國(guó)航空業(yè)快速發(fā)展，對(duì)航空基礎(chǔ)設(shè)施保障能力提出了更高的要求。因此，對(duì)我國(guó)早期建設(shè)的機(jī)場(chǎng)進(jìn)行適應(yīng)性改造和改擴(kuò)建顯得日益重要。機(jī)場(chǎng)道面蓋被是提高跑道承載能力和安全性能、延長(zhǎng)道面使用壽命的有效方法。有的機(jī)場(chǎng)在改擴(kuò)建過(guò)程中曾進(jìn)行多次蓋被，尤其是西部高原地區(qū)的機(jī)場(chǎng)。海拔在2 438 m及以上的機(jī)場(chǎng)被稱為高高原機(jī)場(chǎng)。高高原機(jī)場(chǎng)海拔高、空氣密度和大氣壓力小，氣候復(fù)雜多變，極端氣候明顯。冰雪低溫天氣、強(qiáng)紫外線輻射天氣加劇了機(jī)場(chǎng)道面熱脹冷縮、凍融循環(huán)，極易造成機(jī)場(chǎng)道面老化、破損。高高原機(jī)場(chǎng)跑道通常也較長(zhǎng)，我國(guó)高高原機(jī)場(chǎng)跑道平均長(zhǎng)度超過(guò)3 200 m[1]，進(jìn)一步加大了高高原機(jī)場(chǎng)道面問題的復(fù)雜性。

本文以西部某機(jī)場(chǎng)第二次蓋被為例，分別從舊道面、隔離層、凍融循環(huán)3個(gè)方面研究機(jī)場(chǎng)道面蓋被的關(guān)鍵問題，提出了高高原機(jī)場(chǎng)道面蓋被的優(yōu)化思路。該機(jī)場(chǎng)始建于20世紀(jì)70年代，在20世紀(jì)90年代對(duì)跑道進(jìn)行首次蓋被，現(xiàn)對(duì)跑道進(jìn)行第二次蓋被，并計(jì)劃對(duì)滑行道進(jìn)行首次蓋被。由于在高原地區(qū)水泥混凝土的耐久性、耐高溫性能皆優(yōu)于瀝青混凝土，因此本次采用水泥混凝土蓋被。

1 高高原機(jī)場(chǎng)蓋被的三大關(guān)鍵問題

1.1 舊道面對(duì)蓋被的影響

能否對(duì)舊道面進(jìn)行蓋被修復(fù)，取決于舊道面的損壞狀況。美國(guó)陸軍工程團(tuán)提出道面狀況指數(shù)（Pavement Condition Index，PCI）作為道面損壞狀況的評(píng)價(jià)指標(biāo)。美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA）在此基礎(chǔ)上提出將道面結(jié)構(gòu)狀況指數(shù)（Science Citation Index，SCI）作為道面結(jié)構(gòu)性損壞的評(píng)價(jià)指標(biāo)。按照美國(guó)ASTM D5304的標(biāo)準(zhǔn)，[PCI]>70則道面狀況為好，[PCI]<40則道面狀況為差。國(guó)內(nèi)機(jī)場(chǎng)道面[PCI]<40的情況很少，因?yàn)闄C(jī)場(chǎng)會(huì)不斷采取工程措施進(jìn)行修補(bǔ)。若機(jī)場(chǎng)道面[SCI]<80，則道面可能出現(xiàn)了嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性損壞，通常不能直接對(duì)其蓋被，否則舊道面的破損情況將危害新蓋被道面，嚴(yán)重影響新道面的耐久性能和使用年限。

在高原地區(qū)，冰雪冷凍、強(qiáng)紫外線輻射天氣對(duì)機(jī)場(chǎng)道面的破壞能力極強(qiáng)，同時(shí)高高原機(jī)場(chǎng)的道面維護(hù)能力有限，道面經(jīng)常出現(xiàn)裂縫、起皮剝落、接縫破碎等情況。跑道、滑行道的道肩損壞狀況一般比道面嚴(yán)重，這與道肩結(jié)構(gòu)層比較薄、靠近土質(zhì)區(qū)有關(guān)。對(duì)于多次蓋被的道面，其使用年限通常已經(jīng)超過(guò)結(jié)構(gòu)層的設(shè)計(jì)年限，材料性能衰減嚴(yán)重。因此，高高原機(jī)場(chǎng)蓋被前應(yīng)重視舊道面狀況的檢測(cè)和評(píng)價(jià)，充分利用現(xiàn)有的科技手段和方法對(duì)舊道面破損情況進(jìn)行摸底。

1.2 隔離層對(duì)蓋被的影響

機(jī)場(chǎng)道面蓋被分為直接式蓋被、結(jié)合式蓋被和隔離式蓋被，它們的差別在于新舊道面材料的選擇。直接式蓋被一般針對(duì)道面狀況良好的舊道面，施工簡(jiǎn)單，但容易造成舊道面反射裂縫破壞新道面的問題。結(jié)合式蓋被通常在新舊道面之間設(shè)置黏結(jié)劑，使新舊道面黏結(jié)為一個(gè)整體。隔離式蓋被是指在新舊道面之間設(shè)置隔離層，以減小舊道面反射裂縫對(duì)新道面的破壞，有效釋放新舊道面之間的應(yīng)力，并達(dá)到隔離防水的效果。隔離層的設(shè)計(jì)厚度會(huì)影響新舊道面之間的傳荷作用和荷載效果;隔離層的材料選擇會(huì)影響新舊道面的隔離效果。

高高原機(jī)場(chǎng)晝夜溫差大，冬季通常有冰雪覆蓋，凍融循環(huán)問題突出。為減小舊道面反射裂縫對(duì)新道面的破壞，減少新舊道面之間的水分滲透，進(jìn)而破壞結(jié)構(gòu)層，新舊道面之間最好設(shè)置隔離層。

1.3 熱脹冷縮與凍融循環(huán)問題

熱脹冷縮與凍融循環(huán)是高高原機(jī)場(chǎng)難以避免的難題。高原地區(qū)適合施工的時(shí)間較短，本機(jī)場(chǎng)適合施工的時(shí)間僅有5月至10月，并且晝夜溫差較大，能達(dá)到20 ℃。蓋被跑道跳槽分倉(cāng)打板，一倉(cāng)面板長(zhǎng)約120 m、寬45 m。按照水泥混凝土膨脹公式[ΔL=?·ΔT·L]粗略估算（混凝土熱膨脹系數(shù)[?]取8×10-6/℃，溫差[ΔT]為20 ℃，面板長(zhǎng)度[L]為120 m），一塊面板縱向可縮脹2 cm，4 000 m跑道可累計(jì)縮脹67 cm。

本機(jī)場(chǎng)冬天凍土深度可達(dá)2 m，凍融循環(huán)對(duì)道面結(jié)構(gòu)層也是一場(chǎng)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。機(jī)場(chǎng)降雨或冰雪融化后的水分沿道面縫隙滲透進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)層，夜間溫度過(guò)低，混凝土飽水便會(huì)冷凍成冰，水分體積膨脹約9%，造成混凝土孔壁脹大而產(chǎn)生拉應(yīng)力。白天，太陽(yáng)輻射大，溫度迅速升高，冰又逐漸融化，但孔壁產(chǎn)生的塑性形變不能恢復(fù)到原來(lái)的大小，如此周而復(fù)始，使得裂縫不斷擴(kuò)散和連接，從而破壞混凝土結(jié)構(gòu)。若舊道面超過(guò)了設(shè)計(jì)年限，嚴(yán)重老化，凍融循環(huán)將加劇其材料性能大幅衰減，從而產(chǎn)生道面脫空和沉陷病害，危害飛行安全。因此，高高原機(jī)場(chǎng)蓋被應(yīng)重視熱脹冷縮與凍融循環(huán)問題，在蓋被設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，注重排水引導(dǎo)和接縫質(zhì)量控制。

2 高高原機(jī)場(chǎng)道面蓋被優(yōu)化思路

2.1 科學(xué)利用和處理舊道面

本機(jī)場(chǎng)于20世紀(jì)70年代建的跑道結(jié)構(gòu)層為夯實(shí)土基+30 cm砂礫石基層+22 cm水泥混凝土面層，20世紀(jì)90年代直接蓋被22 cm水泥混凝土道面板。20世紀(jì)70年代建的滑行道結(jié)構(gòu)層為夯實(shí)土基+18 cm三渣粉煤灰基層+28 cm水泥混凝土面層，其中面層為六角形面板。通過(guò)對(duì)該機(jī)場(chǎng)的跑道、滑行道進(jìn)行檢測(cè)可知，功能性損壞表現(xiàn)為道面起皮剝落、耐久性裂縫、接縫破碎、補(bǔ)?。ㄒ讯螕p壞），跑道道肩出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性脹裂損壞，滑行道出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)、唧泥等結(jié)構(gòu)性損壞。原蓋被跑道[PCI]均值為56，復(fù)合道面等級(jí)號(hào)（Pavement Classification Number，PCN）為PCN26/R/B/X/T，道面水泥混凝土取芯樣抗彎拉強(qiáng)度均值為4.89 MPa，抗彎拉彈性模量均值為33 889 MPa。滑行道[PCI]均值為76，PCN為PCN42/R/B/X/T，道面水泥混凝土取芯樣抗彎拉強(qiáng)度均值為6.4 MPa，抗彎拉彈性模量均值為41 057 MPa。原蓋被跑道道面[PCI]值分布如圖1所示。

根據(jù)跑道道面狀況檢測(cè)情況，結(jié)合跑道新舊道面組合結(jié)構(gòu)層分析，原蓋被層修補(bǔ)處理后還可以利用，將22 cm水泥混凝土蓋被層視為水泥穩(wěn)定碎石基層，將原跑道22 cm水泥混凝土面層視為底基層，將原30 cm砂礫石基層視為墊層。滑行道雖然道面狀況較好，但六角形面板之間的接縫唧泥、錯(cuò)臺(tái)等結(jié)構(gòu)性損壞較多。倘若按照目前通用的矩形板分倉(cāng)尺寸對(duì)其蓋被，則新蓋被矩形面板與原六角形板無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)縫;若按照原六角形板接縫對(duì)齊的方式進(jìn)行蓋被，施工工藝極其復(fù)雜。為保證道面質(zhì)量，提高施工效率，本次滑行道改造取消了原蓋被計(jì)劃，不再利用滑行道舊道面，而是拆除六角形板后重新澆筑滑行道。因此，舊道面能否利用，應(yīng)進(jìn)行舊道面破損狀況分析和新舊道面組合結(jié)構(gòu)層適應(yīng)性分析。

舊道面處理工作煩瑣且標(biāo)準(zhǔn)模糊，處理前應(yīng)規(guī)定好處理標(biāo)準(zhǔn)和操作方法，并在施工過(guò)程中形成學(xué)習(xí)和經(jīng)驗(yàn)曲線，提高施工效率。針對(duì)原蓋被跑道不同部位的病害情況，采取不同的舊道面處理方法。對(duì)于斷裂、碎裂面板，鑿除損壞板，做好基礎(chǔ)整修，然后進(jìn)行換板處理。對(duì)于道面邊角碎裂的損壞板進(jìn)行全深度補(bǔ)塊維修，按照損壞面積大小確定修補(bǔ)范圍，修補(bǔ)的邊長(zhǎng)應(yīng)大于1 m。同時(shí)，為加強(qiáng)補(bǔ)塊水泥混凝土的強(qiáng)度，銑刨的損壞部分在澆筑水泥混凝土之前應(yīng)加一層鋼絲網(wǎng)。對(duì)于表面剝落的面板，施工中先將剝落處破損混凝土清除干凈，再用水泥砂漿將凹陷處填平，使舊道面保持平整，當(dāng)強(qiáng)度達(dá)到要求時(shí)再進(jìn)行蓋被施工。對(duì)于老化、破損的道面接縫，需要清除原接縫，重新灌縫。對(duì)于非擴(kuò)展性裂縫，當(dāng)裂縫的深度未超過(guò)板厚的2/3時(shí)，可直接采用壓注灌漿法、擴(kuò)縫灌漿法修補(bǔ)，并加覆一層改性油氈。破損舊道面處理實(shí)景如圖2所示。

2.2 根據(jù)蓋被機(jī)場(chǎng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)隔離層

由于難以完全掌握高高原機(jī)場(chǎng)舊道面的破損情況，只能有限地處理舊道面。為防止舊道面反射裂縫對(duì)新蓋被道面的影響，分散新舊道面之間的應(yīng)力，加強(qiáng)新舊道面之間的防水、隔離作用，建議高高原機(jī)場(chǎng)采用隔離式蓋被。隔離層材料應(yīng)具有較好的穩(wěn)定性和勁度系數(shù)，如土工布、土工膜、細(xì)粒式瀝青混凝土，不能選用砂礫或碎石等松散材料。隔離層較薄時(shí)，傳荷效果較好，飛機(jī)荷載由蓋被層經(jīng)隔離層傳到舊道面;隔離層較厚時(shí)，飛機(jī)荷載主要由蓋被層承擔(dān)[2-5]。隔離層的材料選擇和厚度設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)舊道面狀況和當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)等因素綜合考慮。高高原機(jī)場(chǎng)的隔離層需要達(dá)到隔離防水、分散應(yīng)力、傳接荷載以及使新舊道面理想結(jié)合的目的。

根據(jù)本機(jī)場(chǎng)舊道面的檢測(cè)評(píng)定情況，結(jié)合機(jī)型、運(yùn)行次數(shù)、材料特性等因素，采用美國(guó)工程兵團(tuán)的半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行初步計(jì)算后，特別考慮該地區(qū)溫差大的特點(diǎn)，綜合確定跑道蓋被層厚度為28 cm。本次蓋被層厚度較厚，將主要承擔(dān)荷載、發(fā)揮耐磨等作用。因此，新舊道面之間的隔離層十分重要。本機(jī)場(chǎng)隔離層除了滿足規(guī)范而采用土工布隔離外，還總結(jié)了多個(gè)類似的高高原機(jī)場(chǎng)蓋被經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，研究了諸多關(guān)于隔離式蓋被的文獻(xiàn)，最終確定新舊道面之間的隔離層自下而上為“粘層油+土工布+瀝青砂漿”，總厚度控制在3 cm以內(nèi)。

2.3 深化分塊與接縫設(shè)計(jì)

要處理好高高原機(jī)場(chǎng)熱脹冷縮與凍融循環(huán)問題，除了選擇合適的施工時(shí)機(jī)、注意水泥混凝土澆筑期間的灑水降溫與保溫措施外，還應(yīng)從設(shè)計(jì)上深化道面分塊與接縫設(shè)計(jì)，嚴(yán)格把控接縫質(zhì)量。對(duì)道面進(jìn)行分塊有利于減小水泥混凝土因尺寸過(guò)大而產(chǎn)生的翹曲應(yīng)力和收縮應(yīng)力，從而防止不規(guī)則裂縫病害，同時(shí)方便施工。

蓋被分塊設(shè)計(jì)之前，應(yīng)先認(rèn)真整理舊道面接縫破損程度和分布情況。根據(jù)道面檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，本機(jī)場(chǎng)接縫破損較多，進(jìn)而產(chǎn)生起皮剝落和掉角的問題。嵌縫料損壞亦較多，進(jìn)而影響防水性能，產(chǎn)生滲水現(xiàn)象。這些病害產(chǎn)生的主要原因是高高原機(jī)場(chǎng)高強(qiáng)度太陽(yáng)輻射與冰雪天氣的輪回破壞。經(jīng)驗(yàn)表明，高高原機(jī)場(chǎng)不宜設(shè)置過(guò)多脹縫，同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制接縫質(zhì)量。蓋被層的所有接縫應(yīng)與舊道面接縫位置一致，并對(duì)齊。脹縫應(yīng)貫通設(shè)置，且接縫板厚度應(yīng)與舊道面一致。若新舊道面的接縫錯(cuò)開，澆筑的新道面在未達(dá)到完全強(qiáng)度的過(guò)程中，由于板的自重以及舊道面的摩阻力，將阻礙新道面的自由伸縮，新道面容易在舊板縫處被拉斷。同時(shí)，在處理舊道面時(shí)，應(yīng)將舊道面破損的接縫和接縫內(nèi)失效的填縫料及雜物清洗干凈后重新灌縫。

3 結(jié)論

高高原機(jī)場(chǎng)由于特殊的地理環(huán)境和極端的氣候環(huán)境，道面極易損壞。道面蓋被是較為有效的修復(fù)方法。為了有效提高蓋被道面的使用性能和耐久性，須借鑒和吸取類似機(jī)場(chǎng)蓋被的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，處理好機(jī)場(chǎng)蓋被的關(guān)鍵技術(shù)問題，并從舊道面利用與處理、隔離層設(shè)計(jì)、接縫設(shè)計(jì)等方面優(yōu)化和改進(jìn)機(jī)場(chǎng)蓋被實(shí)施方法。首先，重視舊道面處理，將瑣碎的舊道面處理工作總結(jié)優(yōu)化成一套清晰高效的工藝流程，形成學(xué)習(xí)和經(jīng)驗(yàn)曲線效應(yīng)。其次，根據(jù)蓋被機(jī)場(chǎng)的具體情況，采用合理的隔離材料設(shè)計(jì)隔離層厚度，達(dá)到既減小舊道面潛在病害對(duì)新蓋被層的影響，又加強(qiáng)新舊道面的結(jié)合，共同發(fā)揮整體強(qiáng)度作用的目的。最后，深化分塊和接縫設(shè)計(jì)，梳理舊道面接縫破碎和分布情況，盡量保證新舊道面接縫位置對(duì)齊，減少不必要的脹縫設(shè)置，精細(xì)處理接縫位置，提高道面的防水防滲能力，減少高高原機(jī)場(chǎng)的凍融破壞。

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