淺談機(jī)場跑道道面性能變化規(guī)律

張 濤

（太原國際機(jī)場有限責(zé)任公司,山西 太原 030051）

0 引言

機(jī)場運行期間應(yīng)特別關(guān)注跑道道面性能，定期開展道面檢測及評估工作，分析道面性能變化情況，及時做出養(yǎng)護(hù)維修決策，以延長跑道使用壽命、保障飛機(jī)運行安全。該文依托華北地區(qū)某機(jī)場，基于10年4次的檢測結(jié)果，分析跑道道面損壞狀況、平整度和結(jié)構(gòu)性能變化規(guī)律，結(jié)果可為機(jī)場跑道道面養(yǎng)護(hù)維修決策提供參考。

1 道面結(jié)構(gòu)概況

由于不同道面結(jié)構(gòu)對飛機(jī)荷載及環(huán)境影響的承受作用是不相同的；同時，不同時期修建的道面使用性能必然會存在差異。因此，在分析道面性能變化規(guī)律時，應(yīng)以道面結(jié)構(gòu)與修建時間為依據(jù)劃分為不同區(qū)段分別進(jìn)行分析。

2 道面損壞狀況變化規(guī)律分析

跑道道面損壞狀況采用道面狀況指數(shù)PCI進(jìn)行評價，PCI值越小，道面損壞越嚴(yán)重，道面狀況越差，反之，道面狀況越好[1]。根據(jù)美國ASTM D5340標(biāo)準(zhǔn)，道面損壞狀況分為7個等級（極好：PCI≥85；很好：70≤PCI＜85；好：55≤PCI＜70；中：40≤PCI＜55；差：25≤PCI＜40；很差：10≤PCI＜25；失效：PCI＜10），國內(nèi)道面損壞調(diào)查發(fā)現(xiàn)，PCI＜40的情況基本沒有，主要原因是道面PCI值接近40之前，絕大多數(shù)機(jī)場都已經(jīng)采取了工程措施進(jìn)行整修。因此，規(guī)范將損壞等級評定標(biāo)準(zhǔn)中PCI＜40時的三個損壞等級合并成為一個等級，其他評定等級標(biāo)準(zhǔn)沿用。

跑道各區(qū)段道面PCI值隨檢測時間的變化情況如圖1所示。由圖1可知，跑道各區(qū)段道面PCI值在2011—2016年期間出現(xiàn)明顯下降；其中500～2 700 m（道面板減薄區(qū)段）及2 700～3 200 m（主降端接地帶區(qū)域）區(qū)段道面PCI值下降最快，下降幅度大于20%，而0～500 m區(qū)段PCI值雖下降最慢，但其下降幅度也達(dá)到7.36%；雖然2011年檢測完成后對跑道部分區(qū)域進(jìn)行了基礎(chǔ)注漿處治，但道面狀況并未得到顯著改善。結(jié)合跑道修建時間，基本可判定此時跑道道面狀況已進(jìn)入加速衰減期。

圖1 跑道各區(qū)段道面PCI值隨時間變化圖

2011—2016年期間，500～2 700 m區(qū)段道面PCI值衰減速度快的原因在于該區(qū)段為道面板減薄區(qū)段，相比于其他區(qū)段，該區(qū)段道面結(jié)構(gòu)的承載能力相對較低，所以在飛機(jī)荷載作用下病害的發(fā)展速度相對較快；同時，該區(qū)段與多個快速出口滑行道相交，受到飛機(jī)荷載的頻繁剪切作用，進(jìn)一步加速病害發(fā)展，現(xiàn)場調(diào)查也表明快速出口滑行道與跑道相交道口的道面頻發(fā)病害。2011—2016年期間，2 700～3 200 m區(qū)段道面PCI值衰減速度快的原因在于該區(qū)段為跑道主降端接地帶區(qū)域，受到飛機(jī)荷載頻繁沖擊作用，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)該區(qū)段道面損壞頻發(fā)，所以加速了PCI值衰減。

2016年檢測后對各區(qū)段道面損壞嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行了道面損壞修復(fù)，故各區(qū)段道面PCI值在2016—2019年期間略有升高。由于管理部門在2019年檢測后對道面損壞的修復(fù)及2020年對部分區(qū)域的基礎(chǔ)注漿處治使得跑道各區(qū)段道面PCI值在2019—2021年期間大幅提升，最大提升幅度可達(dá)18.53%?？梢园l(fā)現(xiàn)，道面損壞雖已進(jìn)入加速期，但定期的損壞修復(fù)能夠改善道面狀況的加速衰減情況。

綜上所述，跑道經(jīng)約15年的使用，道面狀況已進(jìn)入加速衰減期，應(yīng)及時采取修復(fù)措施；另外，跑道中部道面板減薄區(qū)域與主降端接地帶區(qū)域的道面狀況衰減速度更快，應(yīng)著重關(guān)注。

3 道面平整度變化規(guī)律分析

跑道道面平整度采用國際平整度指數(shù)IRI進(jìn)行評價，當(dāng)IRI值越大時，道面平整度越差，反之，道面平整度越好。國際平整度指數(shù)（IRI）可通過激光平整度儀自動測試并計算，平整度等級分為4個等級（優(yōu)：IRI＜2.5；良：2.5≤IRI＜3.5；中：3.5≤IRI＜4.3；次：≥4.3）。跑道各區(qū)段IRI值隨檢測時間變化情況如圖2所示。

圖2 跑道各區(qū)段道面IRI值隨時間變化圖

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，跑道各區(qū)段道面平整度在2011—2016年期間出現(xiàn)大幅衰減，其中3 200～3 600 m區(qū)段衰減最嚴(yán)重，IRI值增大幅度高達(dá)47.37%，2 700～3 200 m區(qū)段次之，IRI值增大幅度為22.42%，其余兩個區(qū)段平整度下降程度相對較輕，但I(xiàn)RI值增大幅度也達(dá)到7.97%與9.46%。結(jié)合跑道修建時間，基本可判定此時跑道道面平整度已進(jìn)入加速衰減期。

由于2 700～3 200 m區(qū)段及3 200～3 600 m區(qū)段的部分區(qū)域為跑道主降端接地帶區(qū)域，頻繁承受飛機(jī)荷載沖擊作用，所以平整度衰減速度較快；同時，兩區(qū)段道面不是同一期修建，道面結(jié)構(gòu)上也存在差異，飛機(jī)荷載作用于道面時，舊道面與延長段道面的變形情況不一致，經(jīng)受荷載循環(huán)作用后，在舊道面段與延長段交界處（3 200 m）道面板間出現(xiàn)橫向錯臺，進(jìn)而導(dǎo)致道面平整度下降。

同時，2016年時道面平整度整體較差，2 700～3 200 m區(qū)段道面的IRI值已大于3.5，所以管理部門在2016—2019年期間對道面進(jìn)行性能修復(fù)，使各區(qū)段道面平整度均有所改善，特別是對舊道面段與延長段交界處道面板錯臺處治使得3 200～3 600 m區(qū)段道面平整度大幅提升，IRI值降低15.18%。另外，2020年實施的基礎(chǔ)注漿處治工程，提升了跑道道面整體的結(jié)構(gòu)性能，避免了影響道面平整度的結(jié)構(gòu)性損壞發(fā)生；因此，在2019—2021年期間道面平整度未出現(xiàn)明顯下降。基于此，可以發(fā)現(xiàn)，道面平整度雖已進(jìn)入加速衰減期，但定期的性能修復(fù)能夠使平整度保持在一個較為平穩(wěn)的狀態(tài)。

綜上所述，跑道經(jīng)約15年的使用，道面平整度已進(jìn)入加速衰減期，應(yīng)及時采取修復(fù)措施；另外，跑道接地帶區(qū)域及舊道面段與延長段交界區(qū)域道面的平整度衰減速度更快，應(yīng)著重關(guān)注。

4 道面結(jié)構(gòu)性能變化規(guī)律分析

道面結(jié)構(gòu)性能采用重錘式彎沉儀進(jìn)行無損彎沉測試，采用沖擊勁度模量（ISM）、道面板接縫傳荷系數(shù)（LTE）、道面板底脫空率進(jìn)行評價[2]。重型落錘式彎沉測試設(shè)備（HWD）進(jìn)行的彎沉測試可用于反演道基和道面各結(jié)構(gòu)層模量，以及進(jìn)行水泥混凝土道面脫空判定，以重型落錘式彎沉儀（HWD）為代表的彎沉測試具有原位測試、速度快、不破壞道面結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，是世界各國道面結(jié)構(gòu)性能測試最主要的方法。由于機(jī)場道面厚度較大，彎沉測試應(yīng)采用重型落錘，以確保道面結(jié)構(gòu)能夠得到充分的響應(yīng)量。HWD通過落錘對道面的沖擊作用來模擬飛機(jī)對道面的施荷過程，同時，通過分布于距荷載中心不同距離的傳感器記錄道面在受荷作用下的彎沉響應(yīng)，最后經(jīng)計算與反演可得出道面沖擊勁度模量（ISM）、道基和道面各結(jié)構(gòu)層模量等指標(biāo)來評價道面及其基礎(chǔ)的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)性能。ISM值能夠反映道面對飛機(jī)運行的支撐作用，即道面承載能力，ISM值越大，道面承載能力越強(qiáng)；LTE和道面板底脫空率能夠反映道面結(jié)構(gòu)的整體性狀況。

4.1 道面承載能力變化情況

通過對跑道道面彎沉測試數(shù)據(jù)分析，得到各區(qū)段道面的ISM均值如表1所示。通過對比表1中四個區(qū)段道面ISM均值可以發(fā)現(xiàn)，跑道延長段道面承載能力最強(qiáng)，跑道中部道面板減薄區(qū)段（500～2 700 m）道面承載能力最弱，其余兩個區(qū)段道面承載能力介于二者之間。上述結(jié)論與道面結(jié)構(gòu)及修建時間相符合，進(jìn)一步驗證了該文以道面結(jié)構(gòu)與修建時間為依據(jù)劃分為不同區(qū)段進(jìn)行道面性能變化規(guī)律分析的正確性。

表1 跑道各區(qū)段道面ISM均值統(tǒng)計表/（kN/mm）

根據(jù)表1統(tǒng)計結(jié)果獲得不同區(qū)段道面ISM均值隨檢測時間變化情況如圖3所示。由于2011年檢測完成后對跑道部分區(qū)域?qū)嵤┗A(chǔ)注漿處治工程，使得2011—2016年期間舊道面ISM均值基本保持不變；然而，相比之下延長段道面由于未進(jìn)行基礎(chǔ)注漿處治，其道面承載能力下降明顯，ISM均值降低3.41%。在2016—2019年期間，道面承載能力整體上出現(xiàn)明顯下降，其中延長段道面ISM均值降低幅度最大，為9.16%；中部道面板減薄區(qū)段ISM均值下降4.91%，其余兩區(qū)段ISM均值下降幅度約為2%。2020年對跑道道面結(jié)構(gòu)性嚴(yán)重不足區(qū)域?qū)嵤┑幕A(chǔ)注漿處治工程，導(dǎo)致跑道各區(qū)段道面承載能力在2019—2021年期間均有不同程度提升。

圖3 跑道各區(qū)段道面ISM均值隨時間變化圖

4.2 道面結(jié)構(gòu)狀況變化情況

4.2.1 道面板底脫空狀況

跑道各區(qū)段道面板底脫空率如表2所示。由表2統(tǒng)計結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2011年跑道道面板底出現(xiàn)大面積明顯脫空，其中500～2 700 m區(qū)段（道面板減薄區(qū)段）脫空狀況最為嚴(yán)重，脫空率大于40%，道面整體結(jié)構(gòu)狀況較差[3]。正是基于此，管理部門在2011年檢測完成后隨即對脫空區(qū)域進(jìn)行了基礎(chǔ)注漿處治，解決了道面板底脫空問題，所以2016年檢測時未發(fā)現(xiàn)道面板底脫空的出現(xiàn)。

表2 跑道各區(qū)段道面板底脫空率統(tǒng)計表 /%

但隨后在2016—2019年期間道面板底脫空開始迅速發(fā)展，其中0～500 m及500～2 700 m區(qū)段脫空率僅3年的發(fā)展已經(jīng)大于20%，說明此時道面結(jié)構(gòu)性能已經(jīng)進(jìn)入加速衰減期[4]。因此，管理部門于2020年對道面板底脫空區(qū)域進(jìn)行基礎(chǔ)注漿處治，所以2021年檢測時道面結(jié)構(gòu)狀況整體較好；但可以發(fā)現(xiàn)延長段道面板底脫空發(fā)展速度開始逐漸加快，2年時間脫空率已經(jīng)達(dá)到3.33%。

4.2.2 道面板接縫傳荷能力

2011年舊道面段道面板接縫傳荷能力較差，其中500～2 700 m區(qū)段（道面板減薄區(qū)段）及2 700～3 200 m區(qū)段的LTE均值均小于0.8。經(jīng)基礎(chǔ)注漿處治后，舊道面段道面板接縫傳荷能力恢復(fù)，2016年時的LTE均值均大于0.9。但在2016—2019年期間道面板接縫傳荷能力迅速下降，其中500～2 700 m區(qū)段的LTE均值下降幅度最大，為13.64%。2020年的基礎(chǔ)注漿處治工程使道面板接縫傳荷能力在2019—2021年期間基本未發(fā)生變化。

基于4.2.1及4.2.2分析結(jié)果表明，跑道中部道面板減薄區(qū)段道面相較于其他區(qū)段更容易發(fā)生結(jié)構(gòu)性能衰退；同時，結(jié)合跑道修建時間可以得到，跑道在使用20年左右的時間后道面結(jié)構(gòu)性能開始進(jìn)入加速衰減期，此時應(yīng)加大道面檢測頻次，及時修復(fù)道面結(jié)構(gòu)性能[5]。

5 結(jié)語

該文基于機(jī)場跑道10年4次道面檢測結(jié)果，分析了跑道道面損壞狀況、平整度及其結(jié)構(gòu)性能的變化情況，獲得如下結(jié)論：

（1）跑道經(jīng)約15年的使用，道面狀況與平整度進(jìn)入加速衰減期，經(jīng)約20年的使用，道面結(jié)構(gòu)性能進(jìn)入加速衰減期。

（2）跑道中部道面板減薄區(qū)域與主降端接地帶區(qū)域的道面狀況衰減速度更快；跑道主降端接地帶區(qū)域及舊道面段與延長段交界區(qū)域的道面平整度衰減速度更快；跑道中部道面板減薄區(qū)域道面更容易發(fā)生結(jié)構(gòu)性能衰退。

（3）跑道道面性能進(jìn)入加速衰減期后，應(yīng)加大道面檢測頻次，及時修復(fù)道面性能。