高高原机场盖被的关键问题分析

冉格思

摘 要：机场道面盖被是提高跑道承载能力和安全性能、延长道面使用寿命的有效方法。本文以西部某机场第二次盖被为例，从旧道面处理、隔离层设计、接缝设计3个方面提出优化高高原机场道面盖被工艺的思路，以期为西部高高原机场盖被修复提供借鉴。

关键词：高高原机场;盖被;隔离层;冻融循环

中图分类号：U416.1 文献标识码：A 文章编号：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

近年来，我国航空业快速发展，对航空基础设施保障能力提出了更高的要求。因此，对我国早期建设的机场进行适应性改造和改扩建显得日益重要。机场道面盖被是提高跑道承载能力和安全性能、延长道面使用寿命的有效方法。有的机场在改扩建过程中曾进行多次盖被，尤其是西部高原地区的机场。海拔在2 438 m及以上的机场被称为高高原机场。高高原机场海拔高、空气密度和大气压力小，气候复杂多变，极端气候明显。冰雪低温天气、强紫外线辐射天气加剧了机场道面热胀冷缩、冻融循环，极易造成机场道面老化、破损。高高原机场跑道通常也较长，我国高高原机场跑道平均长度超过3 200 m[1]，进一步加大了高高原机场道面问题的复杂性。

本文以西部某机场第二次盖被为例，分别从旧道面、隔离层、冻融循环3个方面研究机场道面盖被的关键问题，提出了高高原机场道面盖被的优化思路。该机场始建于20世纪70年代，在20世纪90年代对跑道进行首次盖被，现对跑道进行第二次盖被，并计划对滑行道进行首次盖被。由于在高原地区水泥混凝土的耐久性、耐高温性能皆优于沥青混凝土，因此本次采用水泥混凝土盖被。

1 高高原机場盖被的三大关键问题

1.1 旧道面对盖被的影响

能否对旧道面进行盖被修复，取决于旧道面的损坏状况。美国陆军工程团提出道面状况指数（Pavement Condition Index，PCI）作为道面损坏状况的评价指标。美国联邦航空管理局（Federal Aviation Administration，FAA）在此基础上提出将道面结构状况指数（Science Citation Index，SCI）作为道面结构性损坏的评价指标。按照美国ASTM D5304的标准，[PCI]>70则道面状况为好，[PCI]<40则道面状况为差。国内机场道面[PCI]<40的情况很少，因为机场会不断采取工程措施进行修补。若机场道面[SCI]<80，则道面可能出现了严重的结构性损坏，通常不能直接对其盖被，否则旧道面的破损情况将危害新盖被道面，严重影响新道面的耐久性能和使用年限。

在高原地区，冰雪冷冻、强紫外线辐射天气对机场道面的破坏能力极强，同时高高原机场的道面维护能力有限，道面经常出现裂缝、起皮剥落、接缝破碎等情况。跑道、滑行道的道肩损坏状况一般比道面严重，这与道肩结构层比较薄、靠近土质区有关。对于多次盖被的道面，其使用年限通常已经超过结构层的设计年限，材料性能衰减严重。因此，高高原机场盖被前应重视旧道面状况的检测和评价，充分利用现有的科技手段和方法对旧道面破损情况进行摸底。

1.2 隔离层对盖被的影响

机场道面盖被分为直接式盖被、结合式盖被和隔离式盖被，它们的差别在于新旧道面材料的选择。直接式盖被一般针对道面状况良好的旧道面，施工简单，但容易造成旧道面反射裂缝破坏新道面的问题。结合式盖被通常在新旧道面之间设置黏结剂，使新旧道面黏结为一个整体。隔离式盖被是指在新旧道面之间设置隔离层，以减小旧道面反射裂缝对新道面的破坏，有效释放新旧道面之间的应力，并达到隔离防水的效果。隔离层的设计厚度会影响新旧道面之间的传荷作用和荷载效果;隔离层的材料选择会影响新旧道面的隔离效果。

高高原机场昼夜温差大，冬季通常有冰雪覆盖，冻融循环问题突出。为减小旧道面反射裂缝对新道面的破坏，减少新旧道面之间的水分渗透，进而破坏结构层，新旧道面之间最好设置隔离层。

1.3 热胀冷缩与冻融循环问题

热胀冷缩与冻融循环是高高原机场难以避免的难题。高原地区适合施工的时间较短，本机场适合施工的时间仅有5月至10月，并且昼夜温差较大，能达到20 ℃。盖被跑道跳槽分仓打板，一仓面板长约120 m、宽45 m。按照水泥混凝土膨胀公式[ΔL=∂·ΔT·L]粗略估算（混凝土热膨胀系数[∂]取8×10-6/℃，温差[ΔT]为20 ℃，面板长度[L]为120 m），一块面板纵向可缩胀2 cm，4 000 m跑道可累计缩胀67 cm。

本机场冬天冻土深度可达2 m，冻融循环对道面结构层也是一场严峻的考验。机场降雨或冰雪融化后的水分沿道面缝隙渗透进入混凝土结构层，夜间温度过低，混凝土饱水便会冷冻成冰，水分体积膨胀约9%，造成混凝土孔壁胀大而产生拉应力。白天，太阳辐射大，温度迅速升高，冰又逐渐融化，但孔壁产生的塑性形变不能恢复到原来的大小，如此周而复始，使得裂缝不断扩散和连接，从而破坏混凝土结构。若旧道面超过了设计年限，严重老化，冻融循环将加剧其材料性能大幅衰减，从而产生道面脱空和沉陷病害，危害飞行安全。因此，高高原机场盖被应重视热胀冷缩与冻融循环问题，在盖被设计和施工过程中，注重排水引导和接缝质量控制。

2 高高原机场道面盖被优化思路

2.1 科学利用和处理旧道面

本机场于20世纪70年代建的跑道结构层为夯实土基+30 cm砂砾石基层+22 cm水泥混凝土面层，20世纪90年代直接盖被22 cm水泥混凝土道面板。20世纪70年代建的滑行道结构层为夯实土基+18 cm三渣粉煤灰基层+28 cm水泥混凝土面层，其中面层为六角形面板。通过对该机场的跑道、滑行道进行检测可知，功能性损坏表现为道面起皮剥落、耐久性裂缝、接缝破碎、补丁（已二次损坏），跑道道肩出现结构性胀裂损坏，滑行道出现错台、唧泥等结构性损坏。原盖被跑道[PCI]均值为56，复合道面等级号（Pavement Classification Number，PCN）为PCN26/R/B/X/T，道面水泥混凝土取芯样抗弯拉强度均值为4.89 MPa，抗弯拉弹性模量均值为33 889 MPa。滑行道[PCI]均值为76，PCN为PCN42/R/B/X/T，道面水泥混凝土取芯样抗弯拉强度均值为6.4 MPa，抗弯拉弹性模量均值为41 057 MPa。原盖被跑道道面[PCI]值分布如图1所示。

根据跑道道面状况检测情况，结合跑道新旧道面组合结构层分析，原盖被层修补处理后还可以利用，将22 cm水泥混凝土盖被层视为水泥稳定碎石基层，将原跑道22 cm水泥混凝土面层视为底基层，将原30 cm砂砾石基层视为垫层。滑行道虽然道面状况较好，但六角形面板之间的接缝唧泥、错台等结构性损坏较多。倘若按照目前通用的矩形板分仓尺寸对其盖被，则新盖被矩形面板与原六角形板无法实现对缝;若按照原六角形板接缝对齐的方式进行盖被，施工工艺极其复杂。为保证道面质量，提高施工效率，本次滑行道改造取消了原盖被计划，不再利用滑行道旧道面，而是拆除六角形板后重新浇筑滑行道。因此，旧道面能否利用，应进行旧道面破损状况分析和新旧道面组合结构层适应性分析。

旧道面处理工作烦琐且标准模糊，处理前应规定好处理标准和操作方法，并在施工过程中形成学习和经验曲线，提高施工效率。针对原盖被跑道不同部位的病害情况，采取不同的旧道面处理方法。对于断裂、碎裂面板，凿除损坏板，做好基础整修，然后进行换板处理。对于道面边角碎裂的损坏板进行全深度补块维修，按照损坏面积大小确定修补范围，修补的边长应大于1 m。同时，为加强补块水泥混凝土的强度，铣刨的损坏部分在浇筑水泥混凝土之前应加一层钢丝网。对于表面剥落的面板，施工中先将剥落处破损混凝土清除干净，再用水泥砂浆将凹陷处填平，使旧道面保持平整，当强度达到要求时再进行盖被施工。对于老化、破损的道面接缝，需要清除原接缝，重新灌缝。对于非扩展性裂缝，当裂缝的深度未超过板厚的2/3时，可直接采用压注灌浆法、扩缝灌浆法修补，并加覆一层改性油毡。破损旧道面处理实景如图2所示。

2.2 根据盖被机场特点设计隔离层

由于难以完全掌握高高原机场旧道面的破损情况，只能有限地处理旧道面。为防止旧道面反射裂缝对新盖被道面的影响，分散新旧道面之间的应力，加强新旧道面之间的防水、隔离作用，建议高高原机场采用隔离式盖被。隔离层材料应具有较好的稳定性和劲度系数，如土工布、土工膜、细粒式沥青混凝土，不能选用砂砾或碎石等松散材料。隔离层较薄时，传荷效果较好，飞机荷载由盖被层经隔离层传到旧道面;隔离层较厚时，飞机荷载主要由盖被层承担[2-5]。隔离层的材料选择和厚度设计应根据旧道面状况和当地气候特点等因素综合考虑。高高原机场的隔离层需要达到隔离防水、分散应力、传接荷载以及使新旧道面理想结合的目的。

根据本机场旧道面的检测评定情况，结合机型、运行次数、材料特性等因素，采用美国工程兵团的半经验公式进行初步计算后，特别考虑该地区温差大的特点，综合确定跑道盖被层厚度为28 cm。本次盖被层厚度较厚，将主要承担荷载、发挥耐磨等作用。因此，新旧道面之间的隔离层十分重要。本机场隔离层除了满足规范而采用土工布隔离外，还总结了多个类似的高高原机场盖被经验教训，研究了诸多关于隔离式盖被的文献，最终确定新旧道面之间的隔离层自下而上为“粘层油+土工布+沥青砂浆”，总厚度控制在3 cm以内。

2.3 深化分块与接缝设计

要处理好高高原机场热胀冷缩与冻融循环问题，除了选择合适的施工时机、注意水泥混凝土浇筑期间的洒水降温与保温措施外，还应从设计上深化道面分块与接缝设计，严格把控接缝质量。对道面进行分块有利于减小水泥混凝土因尺寸过大而产生的翘曲应力和收缩应力，从而防止不规则裂缝病害，同时方便施工。

盖被分块设计之前，应先认真整理旧道面接缝破损程度和分布情况。根据道面检测发现，本机场接缝破损较多，进而产生起皮剥落和掉角的问题。嵌缝料损坏亦较多，进而影响防水性能，产生渗水现象。这些病害产生的主要原因是高高原机场高强度太阳辐射与冰雪天气的轮回破坏。经验表明，高高原机场不宜设置过多胀缝，同时应严格控制接缝质量。盖被层的所有接缝应与旧道面接缝位置一致，并对齐。胀缝应贯通设置，且接缝板厚度应与旧道面一致。若新旧道面的接缝错开，浇筑的新道面在未达到完全强度的过程中，由于板的自重以及旧道面的摩阻力，将阻碍新道面的自由伸缩，新道面容易在旧板缝处被拉断。同时，在处理旧道面时，应将旧道面破损的接缝和接缝内失效的填缝料及杂物清洗干净后重新灌缝。

3 结论

高高原机场由于特殊的地理环境和极端的气候环境，道面极易损坏。道面盖被是较为有效的修复方法。为了有效提高盖被道面的使用性能和耐久性，须借鉴和吸取类似机场盖被的经验教训，处理好机场盖被的关键技术问题，并从旧道面利用与处理、隔离层设计、接缝设计等方面优化和改进机场盖被实施方法。首先，重视旧道面处理，将琐碎的旧道面处理工作总结优化成一套清晰高效的工艺流程，形成学习和经验曲线效应。其次，根据盖被机场的具体情况，采用合理的隔离材料设计隔离层厚度，达到既减小旧道面潜在病害对新盖被层的影响，又加强新旧道面的结合，共同发挥整体强度作用的目的。最后，深化分块和接缝设计，梳理旧道面接缝破碎和分布情况，尽量保证新旧道面接缝位置对齐，减少不必要的胀缝设置，精细处理接缝位置，提高道面的防水防渗能力，减少高高原机场的冻融破坏。

参考文献：

[1]杨材，钱志坚.浅析高高原机场发展的挑战和对策：以泸沽湖机场为例[J].民航管理，2019（8）：26-30.

[2]梁濟丰，吕磊，季凯，等.水泥混凝土隔离式盖被道面板动力学试验研究[J].混凝土与水泥制品，2014（12）：47-50.

[3]李媛，智海运，潘炳义，等.旧机场道面盖被构造形式分析[C]//第十二届全国结构工程学术会议论文集第Ⅲ册.北京：清华大学出版社，2003：4.

[4]中国民用航空局.民用机场水泥混凝土道面设计规范：MH/T 5004—2010[S/OL].（2010-01-11）[2021-05-20].https：//www.doc88.com/p-2631208974971.html？r=1.

[5]中国民用航空局.民用机场水泥混凝土面层施工技术规范：MH 5006—2015[S/OL].（2015-10-12）[2021-05-20].http：//www.doc88.com/p-0834846156089.html.

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