山区高填方机场不均匀沉降对沥青道面影响及处置方法

刘人玮

中设设计集团北京民航设计研究院有限公司 北京 101312

机场高填方工程指最大填方边坡高度(坡顶至坡脚高差)大于等于20m的机场边坡。近年来，西北、西南、华北地区陆续建设了一批最大填方高度在80m以上的机场，积累了一定的建设经验和教训。山区机场跑道通常跨越复杂的地形地质单元，形成的高填方和高边坡具有挖填交替、方量巨大、填料类型众多、性质复杂的特点。跑道运行后，一方面在飞机荷载长期作用下，在道基一定深度范围内产生附加动应力，引起填料或原道基颗粒间错动、滑移乃至破碎，产生的塑性形变或体变将会不断累积，最终导致道面出现病害，对飞机运行安全产生不利影响。

1 工程概况

1.1 机场概况

西北某山区高填方机场位于黄土丘陵地区，梁、峁及冲沟纵横交错，滑坡、洞穴分布，土层成因多样，沉积年代和环境各异，场址区域为坡耕地、林地、四荒地和未利用土地，场地地形起伏较大。于2009年动工建设，2013年建设完工。机场布置在山梁上，梁体自然宽度在120m左右，长度约3.2km，场地中间被2条较大冲沟所分割。跑道道面采用沥青混凝土修建，长2600米、宽45米，其道面结构如表1所示。

机场建设中，共搬12座山，填22条沟，该机场既有高陡自然斜坡又有人工填筑高边坡，相对高差148m，最大填方厚度达81.4m；填方量约1.9×107m3，挖方量约3.2×107m3。地基土为Q4黄土坡积物、Q3马兰黄土和Q2离石黄土，遇水具有湿陷性、蠕变等特性，填料与地基土差异大，沟谷纵坡降约7.1%，原地形冲沟发育，两侧坡度为40°～80°。

表1 机场沥青混凝土道面结构表

1.2 道面裂缝及沉陷病害状况

此机场地质条件复杂，跑道的地基沉降监测时间较短，机场管理方在运行压力较大的情况下，投入了大量精力对飞行区道面的情况进行监测巡查。2016年跑道日常巡查中发现：跑道南端400m～600m区域出现了贯通式裂缝，裂缝基本沿此区域填、挖方交界面开裂发展，对机场正常运行产生了较大安全隐患。为了查明跑道沉降区域的道面状况，为之后的处治工程提供数据及技术支持，机场于2016年对此区域进行了道面检测评价。

图1跑道沉降区域卫星图(黄线为裂缝位置走向)

图2 跑道病害区裂缝

2 跑道沉陷区道面检测及沉陷成因分析

2.1 道面检测结果

本次主要通过重锤式弯沉仪检测、道面探地雷达测试、面波仪测试这三种无损检测手段对该区域道面的结构性能做出检测及评价。

（1）道面弯沉检测

测定弯沉是对道面进行结构性评价的一种方法。落（重）锤式弯沉仪(HWD)是国际上民用机场、公路、市政道路等工程领域应用最为广泛的无损检测设备，能通过测定道面弯沉以评价道面及基础的强度。HWD通过落锤对道面的冲击作用模拟飞机对道面的施荷过程。并通过分布于距荷载中心不同距离的传感器，记录道面在荷载作用下的弯沉响应，从而评价道面及基础的强度和结构状况。

本次弯沉测试区域为跑道南端300m～700m区域，测线测点布置情况如表2所示。另外，测试过程中对测线上裂缝两侧进行了测点加密。

表2 弯沉测线布置表

图3 弯沉测试结果

弯沉检测结果如图3所示。面承载能力低于东侧道面。出现裂缝的道面处，承载能力出现了明显的下降。说明道面裂缝对其临近道面的承载能力影响是十分显著的。

（2）探地雷达测试

利用探地雷达测试道面结构层的厚度是现今国内外用于结构层分析、评测的一种无损检测方法。由于雷达测厚具有较好的检测精度，且其测试速度远远超过传统方法，符合民航机场不停航检测的要求。探地雷达通过发射天线向道面发射脉冲信号，此脉冲在地下传播过程中遇到不同电性介质界面时产生反射和折射，接收天线接收反射信号后将其转化为数字信息传送到雷达主机进行处理，由入射到反射的时间间隔和波在介质中的传播速度，便可计算出不同结构层的厚度，并进行病害分析。本次雷达测试方案测线同弯沉测线一致，便于进行结合分析。雷达测试结果同弯沉的分析比对见图4。

图4 雷达图谱分析示意图

雷达测试结果表明，跑道病害区道面孔隙主要出现在面层与基层交界处，且基本集中于跑道道面承载能力薄弱区域，同时，承载能力薄弱区土基、基层基本存在开裂，土基和基层开裂会破坏结构层的连续性，可能引起结构层的不均匀沉降，进而造成面层与基层出现脱空现象。跑道中心线两侧轮迹带区域内土基存在开裂现象。

（3）面波仪测试

多道瞬态面波法是利用瑞利面波在地下地层传播过程中，其振幅随深度衰减，能量基本限制在一个波长范围内，某一面波波长的一半即为地层深度(半波长解释法)。即同一波长的面波的传播特性反映地质条件在水平方向的变化情况，不同波长的面波的传播特性反映不同深度的地质情况。在地面通过锤击、落重或炸药震源，产生一定频率范围的瑞利面波，再通过振幅谱分析和相位谱分析。

本次面波仪测试对两个方面进行，一方面是探查裂缝深度，另一方面是探查裂缝两端土体密实度。本次裂缝深度探测测点与土体密实度测点布置情况如图5及图6所示。

图5 裂缝深度探测测点布置图

图6 土体密实度测线布置图

本次探测位置裂缝发育深度均大于2.5米，同时，结合裂缝测点位置与土方计算图，可以发现裂缝深度大于5.0m的填方区域，填方厚度差大于5.0m，其中LF9点，最大填方厚度差为15.0m，最小填方厚度差为1.0m，该点推测裂缝发育深度5.45m。综合上述分析，填方厚度的差异大小是影响跑道裂缝发育情况的因素之一。

测试结果表明，跑道四条纵向弯沉测线的道面承载力所呈现的趋势基本一致，均存在一定程度的波动，U型裂缝西侧范围内道

图7 PX1剖面与PX2剖面对照

从裂缝两侧土体的Vr值可以知：沿填挖边线发育的裂缝两侧土体Vr值有较大变化，5m以上测线PX1与测线PX2的Vr值变化较为明显，由此可见填挖边线附近发育的裂缝，两侧土体密实度差别较大。

2.2 沉陷成因分析

弯沉测试结果表明，填方区域内道面承载能力较挖方区低，同时裂缝周围道面承载能力明显低于周边道面。雷达测试结果表明，跑道沥青道面与基层见存在空隙，基本集中U型裂缝西侧的填方区域内，同时，裂缝区域土基、基层基本存在开裂。面波仪测试结果表明，填方厚度的差异大小是影响跑道裂缝发育情况的因素之一，填挖方土体密度存在明显差异。

综上所述，基本可以推定跑道病害区的形成机理。即跑道U型裂缝内基础为填方区，最大填高31m，原地面自重2-3级湿陷性。填方区与挖方区土体密度存在差异，沉降速率也有所不同，这种不均匀沉降在道面建成使用后的第3年显现出来。由于填方区的沉降速率高于挖方区，故在填挖交界区域土体内由于界面剪力而产生了裂缝，而此区域位于飞机着陆区，裂缝在飞机荷载的不断冲击作用下自下而上发展，最终穿过碾压混凝土基层到达了道面表面，形成了道面病害区裂缝与沉降并存的破坏形式。

3 沉陷区病害处治方案

基于以上道面检测结果，防止道面进一步出现结构性损坏，应对跑道沉陷病害区进行处治，处治思路为：（1）及时对跑道病害区距其西侧边线向东0 ～ 15m范围（非轮迹带）内的裂缝两侧区域进行高聚物注浆处治，增强道面承载能力，然后对上述区域道面进行铣刨重铺改造，消除道面结构层孔隙。（2）对于跑道病害区内西侧边线向东15 ～ 21m范围内裂缝两侧道面进行注浆处治，增加其道面的承载能力。

3.1 道面基础注浆

3.1.1 注浆孔位布设及钻孔深度

根据注浆孔的布置原则标记注浆孔位置，沿裂缝两侧距离0.3m处分别布置注浆孔，注浆孔间隔为1m。钻孔位置应避开跑道灯具所在位置。本次注浆钻孔深度需达到基层底部与土基顶面交界处，根据道面结构，注浆钻孔深度不得小于58cm。按照设计的钻孔深度，利用冲击钻在标注的注浆孔位置钻孔至设计深度，钻孔时应注意避开预埋电缆或地下管线。要求钻孔垂直，孔位误差不大于0.05m，钻孔深度不得小于设计深度。

3.1.2 注浆工艺流程

（1）钻孔。钻孔过程中应采取适当措施防止灰尘扩散，同时保持道面清洁，不对道面造成污染。注浆孔直径为1.6cm，钻孔深至基层底部与土基顶面交界处，钻孔时应注意避开预埋电缆或地下管线。

（2）下注浆管。根据试验段获取的数据及现场实际情况，使用切割工具截取一定长度的PVC注浆管，要求PVC注浆管长度不小于60cm，将注浆管通过注浆孔下入。注浆管采用高质量PVC管，管壁厚度不小于1mm。

（3）安装注射帽。将注射帽凹型边缘使用专用工具清理干净，以便与注射枪良好连接；将清理好的注浆帽安装至PVC注浆管上端口；注浆管帽与注浆管应紧密结合，不能松动，否则更换注浆帽。

（4）注浆。按照设计要求进行注浆，使用夹具把注射枪与注浆嘴固定牢靠，配比仪按照配比通过输料管道把高聚物预聚体A/B材料输送到注射枪口，两种预聚体在注射枪口混合，通过注浆管输送到结构孔隙中。两种材料迅速发生化学反应后，体积膨胀固化，达到消除脱空、加固结构层松散区或软弱区的作用。

（5）注浆后检测。注浆完成15 ～ 20分钟后，宜采用重锤式弯沉仪（HWD）进行注浆后检测，分析注浆处治效果。如满足设计要求，则完成注浆；否则，应进行补注并直至符合设计要求为止。

（6）封孔。为防止雨水通过注浆孔进入道面结构层侵蚀破坏道面且保持道面的整体形象，使用道面密封胶对钻孔进行封孔处理。使用密封胶时需对其加热，且温度控制在160 ～ 210℃之间。灌注密封胶时要使密封胶齐平或略低于道面表面，高出道面表面的密封胶需使用工具进行整平。

（7）清扫。使用铁刷等对注浆孔及其周围道面污染区域进行清理；然后使用笤帚对施工作业区进行清扫，并使用吹风机进行清理；使用湿抹布对排除泥水处进行清理；最后处理道面污染区域。

3.2 沥青道面铣刨重铺

3.2.1 重铺沥青材料总体性能要求

针对机场的气候特点，道面重铺的沥青混合料应满足以下性能要求：高温抗车辙性能，即抵抗流动变形的能力；水稳定性，即抵抗沥青混合料受水浸蚀逐渐产生沥青膜剥离、掉粒、松散、坑槽而破坏的能力；耐疲劳性能，即抵抗道面反复荷载作用下破坏的能力；抗滑性能，为飞机起降及安全滑行提供足够的摩擦系数；舒适性能，主要指平整度。

3.2.2 重铺沥青混凝土结构设计

沥青混凝土道面采用三层分层摊铺，施工次序为：（1）铺筑2cm厚改性沥青石屑应力吸收层，待铺筑完毕后喷洒粘层油；（2）摊铺6cm厚AC-20沥青混凝土下面层，待下面层全部摊铺完毕后喷洒粘层油；（3）摊铺6cm厚AC-20 SBS改性沥青混凝土中面层，待中面层全部摊铺完毕后喷洒粘层油；（4）摊铺5cm厚SMA-13 SBS改性沥青混凝土上面层。重铺区域内沥青道面纵、横坡度保持和原设计一致。沥青混凝土道面重铺施工完毕后，按原跑道道面标志标线进行恢复。

4 结语

本文通过对西北部某山区高填方机场沥青混凝土道面沉陷裂缝病害检测，分析其形成原因并探讨了可行的修复方案，得到如下结论：

（1）跑道填方区的道面承载能力弱于挖方区，裂缝周边道面承载能力明显偏弱。

（2）填挖方交界面处的不均匀沉降导致土体开裂，反应在道面上，形成了目前跑道沉陷裂缝区的病害。

（3）采用基础注浆与部分区域沥青铣刨重铺结合的方式是处治此种病害的一个有效探索。