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、氣候環境等差異較大，如何科學確定瀝青加鋪范圍、結構形式等，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]。選擇加鋪層結構類型時，需要根據加鋪目的、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

根據調查與評價報告，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）從損壞區域分布來看，跑道病害發生頻次最高；（4）瀝青道面結構性病害達到總損壞量的45%。從損壞類型、數量及程度來看，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、瀝青混合料性能處于良好狀態條件下，各區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。從結構適應性厚度計算結果分析，現有道面結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，局部區域層間接觸狀態可能存在不良接觸，且混合料路用性能會隨著荷載和環境的影響逐步衰減。為進一步描述層間接觸狀態及材料性能對道面結構受力狀態的影響，以B777-300 為例，采用三維有限元軟件對復合道面結構響應變化規律進行仿真模擬，如圖1 所示。

圖1 道面結構三維有限元仿真模型

仿真模擬結果表明，當層間結合系數取0.5 時，道面PCN值下降明顯，最低為跑道中段（PCN 54 R/B/W/T），最大區域也僅為PCN 65 R/B/W/T。此時跑道及聯絡道不滿足B777、B747等大型飛機的起降要求。同時，當道面加鋪層混合料材料性能顯著衰減時，復合道面當量厚度減小，不僅會影響結構承載能力，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。試驗結果表明，烏魯木齊機場部分區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果等表明，不論原道面還是修補道面，道面滲水系數均低于50 mL/min，瀝青道面抗滲性能較好。此外，構造深度法及摩阻系數測試法的測試結果表明，機場瀝青道面抗滑性能處于較佳狀態。

3 機場瀝青道面病害成因研判

結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量仍能有效保證，并實現道面長久、安全使用。依據檢測結果、結合前述機理及一般成因總結，對烏魯木齊機場現有瀝青道面結構使用性能下降、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，甚至未做明確規定，導致國內早期加鋪的機場瀝青道面結構普遍存在早期損壞較多的現象[2]。

3.2 部分區域道面結構強度儲備不足

部分區域道面結構強度儲備處于臨界狀態。例如，跑道RA2 區域道面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，對于結構承載能力儲備也未做進一步考慮。因此，結構承載能力儲備不足也是機場瀝青道面結構病害發生的重要原因。

3.3 局部區域混合料性能衰減

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

目前，烏魯木齊機場瀝青道面在表觀、結構和混合料性能方面均存在一定的問題，因此，需要對現有道面進行維護，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，且有進一步發展趨勢。瀝青道面裂縫等結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，局部修復混合料質量控制困難，耐久性有待進一步驗證。（4）現有檢測手段難以全面判定結構薄弱區域，確定局部維修具體區域技術難度大。（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有道面結構進行全面整治。

5 瀝青道面加鋪結構組合比選

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，加鋪結果組合形式可以選擇以下3 種：既有瀝青道面結構完全銑刨重鋪、保留既有瀝青道面結構直接加鋪，以及既有瀝青道面上面層銑刨加鋪。其中，由于現有瀝青道面結構下面層性能偏弱，水泥-瀝青層間結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，且可能進一步發展。因此，銑刨后，需對原水泥混凝土結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。而在現有道面上直接加鋪，原有瀝青道面損壞區域修復可結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

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（層間結合系數取0.5，按最小加鋪厚度18 cm 計），道面承載能力（各區域PCN 最小值為PCN 69 R/B/W/T）仍可以滿足現有機型的正常運行。如采用兩層組合，道面性能或層間結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構承載能力的要求（各區域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 既有道面結構加鋪1 層瀝青混凝土PCN強度通報（層間衰減）

5.4 加鋪結構組合形式綜合評價

依據上述分析，對上述加鋪結構組合進行綜合評價，結果見表2。按照綜合評價優劣，考慮類似組合形式在國內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構直接加鋪兩層的結構組合形式。

表2 加鋪結構組合綜合評價

6 結論與建議

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、全面地掌握道面現狀及特點，結合國內已有經驗，準確計算道面結構組合，按照綜合評價優劣，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同類型機場借鑒與應用。