机场水泥混凝土跑道道面整板更换快速修复技术研究

李 正

(重庆江北国际机场扩建指挥部，重庆 401120)

0 引 言

国内民航运输机场跑道多为水泥混凝土刚性道面，在受到飞机荷载作用和外界环境影响下，会出现掉边掉角、纵横裂缝、断板、错台、沉陷、爆坑等病害。严重的结构病害会降低道面承载能力，影响正常使用。国内中小型机场以单跑道运行模式为主，大型机场为多跑道运行，但起降繁忙。若出现严重结构病害，均不具备条件长时间关闭跑道进行维修。利用每天航班结束后短暂几个小时或者临时调整跑道运行模式腾挪出几个小时进行不停航施工，对出现严重结构性病害的道面板块进行整板更换快速修复，保障跑道和机场正常运行，是行之有效的措施。本文以重庆江北国际机场第二跑道整板更换快速修复施工为例，开展研究。

1 工程概况

重庆江北国际机场拥有3条跑道，飞行区等级为4F级，2019年旅客吞吐量达到4 479万人次。随着吞吐量快速增长，飞机荷载加重及使用频次增加，第二跑道中段出现断板(一条贯穿裂缝)和碎板(两条及以上裂缝并交叉)，影响到跑道的正常使用。

1.1 道面状况检测

为准确掌握第二跑道情况，进行现场调查和检测。

1.1.1 道面状况调查

第二跑道长度为3 600 m，宽度为45 m，发现距南端900～1 800 m区段存在道面损坏迹象。跑道结构损坏状况指数SCI均值为84。[1]该区域有5个单元SCI值低于70，6个单元PCI值低于70，共发现15块断板、5块碎板。

1.1.2 结构性检测

使用弯沉仪检测道面结构承载能力。测试结果显示，距南端 1 500 m 处弯沉仪落锤时该区域道面板整体出现下沉，道面冲击劲度模量ISM值最低，承载能力明显降低。[1]以距跑道南端1 500 m 处为中心，1 000～1 900 m 区段道面ISM值成“V”字形分布。道面部分测点传荷系数小于32%，脱空系数大于3，显示丧失部分传荷能力，存在脱空。

1.1.3 结构层位测试

通过雷达探测对结构性损坏区域道面结构层进行分析。雷达图像显示距第二跑道南端600～1 800 m区段部分基层内同相轴错断不连续；面层与基层存在间隙。3D雷达测试分析，第二跑道轻轨穿越区域(距南端1 300～1 700 m)局部面层与基层接触面脱空且出现不均匀沉降，基层局部出现裂缝。

1.1.4 道面强度试验

现场取8组跑道水泥混凝土芯进行劈裂试验。结果显示，芯样抗弯拉强度均值为 6.16 MPa，在95%保证率下的代表值为5.50 MPa；弯拉弹性模量均值为4.02×104MPa，在95%保证率下的代表值为 3.75×104MPa。试验显示混凝土强度尚好。

1.2 原因分析

道面断板和碎板分布在跑道中线两侧第一、第二幅板块位置。对第二跑道建设前水文地质资料追溯调查，发现距南端900～2 500 m 段原地形、地貌主要为水库和池塘。距南端1 400～1 800 m段原地貌完全为水库覆盖区，原地基土基极不均匀，地基处理主要是采用块碎石换填和强夯压实。距南端1 500 m处附近有地铁10号线下穿，地铁修建易对地基稳定性造成扰动。上述因素可能导致地基不均匀变形沉降，不均匀沉降进一步引起道面脱空。同时该区域为跑道接地带，频繁承受飞机着陆时对道面的冲击荷载作用，而道面板脱空导致板底支撑不足，最终导致道面板出现结构性损坏。[2]

1.3 主要面临的问题

(1)不能长时间关闭跑道组织施工。重庆机场第一、第二跑道为一组近距离跑道，位于东、西两个航站区之间，分别用于起飞和降落。每天航班超过900架次，若长时间关闭跑道进行施工，将严重影响机场运行。

(2)地基不均匀变形沉降，引起道面脱空，进一步加快道面结构损坏。

(3)出现断板和碎板的道面板块，不能满足飞机安全运行要求，急需进行处理。

2 处理破损道面板块思路

利用每天航班结束后到次日机场开放前几个小时或者临时调整跑道运行模式腾挪出几个小时进行不停航施工，对出现严重结构性病害的道面板块进行整板更换快速修复，是比较合适的选择。[3]针对存在地基的不均匀沉降、基层与面层之间脱空，采用注浆方式进行填充和加固。道面面板破损或者强度不够，进行整体拆除，选取合适的材料进行现浇快硬性混凝土换板。控制在7 h之内完成坏板拆除、新板浇筑及养护、实现适航开放。

3 注浆施工

为解决道面板底脱空，用注浆法对坏板和相邻板块的基础加固处理。注浆填充道面与基层间脱空空隙，使道面板底支撑条件及道面结构受力条件得到改善。注浆可填充基础内部空隙，增加密实度，提高土基顶部土体的强度和模量，封闭地下水向道面结构层渗透的通道，使结构层的强度得到有效保护。[4]

3.1 注浆技术参数

(1)依据浆液有效扩散半径和混凝土道面板块形状和尺寸布置注浆孔。浆液有效扩散半径一般为 1.5 m。为使道面板受力均匀，保证处理效果，注浆孔布置如图1所示。第二跑道区域道面结构层为40 cm水泥混凝土、36 cm水泥稳定碎石基层。注浆钻孔穿透基层深入土基中 10 cm，钻孔深度为86 cm。剖面示意图如图2所示。为提高充填饱和度，注浆按照先外围后内部、跳孔间隔方式进行。

图1 注浆孔布置图(单位：m)

图2 注浆剖面示意图(单位：m)

(2)现场试验确定浆液配比、浆液初凝时间、浆液扩散半径、单孔注浆量、注浆压力、注浆流量等技术参数。浆液选用水泥浆，配比为水∶水泥∶外掺剂=0.6∶1∶0.02，水泥为标号42.5 普通硅酸盐水泥，外掺剂型号为 SY2，作用是减水和快凝。浆液初凝时间为2～2.5 h，7 d结石抗压强度不小于8 MPa。道面钻孔选用φ60 mm钻头，钻至设计深度后吹孔，时间不少于10 s，吹孔完成后注浆。注浆完成后，用 C40 细石混凝土进行封孔，防止浆液外溢。

3.2 单孔注浆量控制

(1)按预估量控制。道面板底和基层脱空按2 cm，基础的孔隙率按 20%，土基土石混合体(按30 cm厚计)孔隙率按18%，脱空充填率按80%考虑。板块尺寸为4.5 m×5 m，估算单孔注浆量为260 L。施工时，外围注浆按2倍单孔注浆量控制，内部单孔注浆量以道面抬升量为控制指标。

(2)注浆过程中主要控制注浆压力、板面抬升量、注浆流量三个技术指标。注浆压力为参考指标，一般取0.3～0.5 MPa，不超过1.0 MPa。道面抬升量为主要控制指标，采用电子水准仪监测抬升量，控制在5 mm范围内。注浆流量取7～12 L/min，不大于15 L/min。道面板周边出现大量溢浆则停止注浆，用注浆流量自动采集设备处理。

3.3 注浆效果检验

严格控制统计注浆量、钻孔取芯、HWD弯沉测试三项指标。对注浆过程中流量和实际单孔注浆量进行统计分析，实际注浆量应达到或接近平均注浆量。注浆完成1个月后对注浆加固的结构层进行钻孔取芯检测，检测浆液充填、密实及浆液凝结情况，直观判断注浆效果。要求芯样基本完整，空隙充填率不低于 80%。HWD弯沉测试，每块板检测1组，每组测试荷载选择在板边中点、板块中心及板角3个点，板边、板角脱空情况的判定指标采用“板边/板中”和“板角/板中”弯沉的比值，注浆区域总脱空低于15%视为合格。

4 整体换板施工情况

整板更换形式有现浇水泥混凝土道面板和预制装配式混凝土道面板。预制装配式混凝土板由后场提前预制，现场吊装安装，底面接触面不能同基层进行完全接触，在温度变形和荷载作用下，板块容易移动，同原有周边道面板块之间容易形成起拱、错台等病害。现浇水泥混凝土道面板在浇筑过程中，混合料成流塑状态，通过机械施工振捣，与基层充分接触，后期荷载在面层和基层之间可均匀传递，有利于延长道面使用寿命。此次更换的道面板集中在飞机滑跑和接地的运行区域，持续受荷载作用，综合考虑采用现浇水泥混凝土道面板。[5]

4.1 材料选型

为满足江北机场运行要求，整板更换快速修复施工须在短时间内完成破损道面板块拆除、新板浇筑及养护并到达适航条件。选用快硬早强水泥混凝土在开放交通时(施工完成3 h以内)抗折强度不小于3.5 MPa，抗压强度不小于30 MPa，材料耐久性好，干缩小，能有效防止干缩裂缝的产生。[6]经市场调查，初步筛选出3种材料作为备选材料。试验分析这3种材料的抗压及抗折强度、初凝及终凝时间、施工性能等技术参数，性能对比见表1。

表1 道面修补材料性能对比表

经多方沟通协调，江北机场第二跑道每天可用于整板更换施工时间不超过7 h。道面板块破拆清运需2 h，混合料拌和及浇筑需1 h，养护需3 h。设计要求机场开放交通时抗折强度不小于3.5 MPa，抗压强度不小于30 MPa。故以3 h抗折强度不小于3.5 MPa，3 h抗压强度不小于30 MPa，作为评价快干水泥材料是否满足设计要求的判别标准。材料1的3 h抗折强度为3.3 MPa，不符合要求。材料2抗压强度增长较快，材料3抗折强度增长较快。机场水泥混凝土刚性道面破坏主要是受弯拉应力影响。弯拉强度即抗折强度是刚性道面设计的重要指标。抗折强度增长较快的材料3的性能和快速修复效果优于材料2。材料3凝结时间比材料2稍长，能够给现场拌和及浇筑施工提供更多操作时间，更利于现场施工。[7，8]

综合对比，最终选择材料3作为第二跑道快速换板选用材料。所选快速修补材料主要成分以硫铝酸盐水泥为基础结合剂，以高强度材料(石英砂)作为主骨料，辅以高分子胶粉、高效减水剂、早强剂、膨胀剂、防离析等物质。[9，10]

4.2 施工控制

整板更换快速修复的道面板块位于飞机起降运行直接荷载作用区域，施工质量决定工程能否成功及使用寿命。整板更换快速修复施工同常规水泥混凝土跑道道面施工存在较大区别，对施工各环节均须严格管控。

4.2.1 施工工艺流程

整板更换快速修复技术的施工工艺流程为：切割拟维修板块→混凝土破拆→基础处理→放置钢筋网片→混凝土搅拌、浇筑成型→收面拉毛→板块接缝切割→道面刻槽→清缝、灌缝。

4.2.2 道面破拆

为避免影响周边正常板块，破拆前对破损板块进行全深度切缝，切缝位置距离板边不小于20 cm。对于断裂缝较少的板块，可在板中位置增加切缝。为提高破拆效率，优先使用破碎锤对分割完成待更换的板块进行全厚度破拆。破拆顺序从中间向四周展开，板边位置配合人工采用风镐进行凿除。道面拆除时注意保留企口完整性，尽量保留已有拉杆及传力杆，保证浇筑后结构整体性。

4.2.3 基层处理

块清除后及时对基层进行清扫。清理干净后，对原有道面及基层用水充分湿润，并均匀涂刷一层聚合物类界面剂。基层视情况进行处理：

(1)基层完整，表面板结，无松散颗粒。不做处理，将基层表面清扫干净后，铺设隔离土工布浇筑道面混凝土。

(2)上基层松散，不板结，下基层完好。加深开挖深度5～8 cm，铺设隔离土工布隔离或者将松散上基层全部挖除，换填水泥稳定碎石。

(3)上基层松散，不板结，有唧泥，下基层松散并开裂。上下基层全部挖除，换填水泥稳定碎石。

(4)上基层松散，不板结，有唧泥，下基层松散并开裂，土基湿软，有地下水。上下基层全部挖除并超挖设置30 cm厚级配碎石滤水层，采用水泥稳定碎石换填，同时在道面板中设置一层钢筋网片和传力杆假缝。

4.2.4 混合料拌和与浇筑

快干水泥凝结非常快，须快速完成混合料拌和、浇筑、抹面、拉毛等全部工序。为提高各作业环节效率、节约时间，采用一体式混合料拌和车。一体式拌和车比分体式拌和机以及人工拌和的效率更高，时间更短，质量更好，能有效减少原材料和混合料跑冒撒漏，有效控制跑道外来物(foreign object debris，FOD)。混合料直接出料至道槽区，浇筑温度不低于10 ℃。用浇筑容器缓慢、匀速浇筑密实，及时振捣，避免空鼓现象。浇筑结束后，快速抹平道面并拉毛。

4.2.5 养生和开放

混凝土浇筑完成后，大量水化热会在短时间内集中释放。为避免新浇筑混凝土表面出现裂纹和起皮，用喷雾器持续洒水养生，直至强度达到开放条件为止。养生时间考虑为3 h左右。为确保新浇筑混凝土强度能够承受飞机荷载，开航前使用混凝土强度回弹仪进行强度测试。根据结构强度要求和预留试件强度试验结果决定是否结束养生并开放跑道。

4.2.6 切缝、刻槽和灌缝

为缩短跑道占用时间，提前开放修复好的道面板块，可在次日关闭时间段进行接缝切割，恢复板块原有伸缩状态。为提高道面抗滑能力，恢复摩擦系数，切缝后进行刻槽。用填缝料及时填充板缝，缝内胶液填满，略低于道面呈“U”形。

4.2.7 注意事项

(1)整板更换快速修复为民航机场不停航施工，安全要求高，须严格执行民航局不停航施工相关要求。施工前开展危大工程安全论证，分析风险，制定预案。施工过程中，做好隔离措施，避免危害航空器运行。

(2)大型机场安保措施严格，进出飞行区控制区的人员、机械、材料须经过严格安全检查。同机场运行保障人员共用安检通道，耗时较长。为有效利用施工时间，所有施工人员、设备、材料须在施工区域关闭前完成安全检查，在隔离区内规定地方进行等候准备。建议有条件机场可设置施工专用通道。

(3)确保施工设备正常运转，每日开工前对设备进行运转测试。对关键设备(一体式拌和车、运渣车辆)进行备份。考虑设备一旦故障不能自行，现场配备1台拖挂车做应急处置用。

(4)细化施工各个环节时间。通过试验段，掌握施工各环节所需时间。完成一块整板破拆、现场清理、助航灯具线缆配管和基础加固、拌和浇筑、抹面、养生全部流程，施工时间需要约300 h。提前制定时间计划表，按照分钟控制。施工过程中按照计划时间进行现场管控，确保每一个施工环节时间可控，不影响跑道开放使用。

(5)雨季施工时，须做好气象资料的收集与整理，做好预防工作。保证现场排水通畅，结合道面纵横坡度，利用周边排水设施，尽快排走，避免雨水冲刷新浇筑道面，造成质量问题。

5 结束语

重庆江北国际机场第二跑道整板更换快速修复的道面板块自2020年9月投用以来运行正常。整板更换快速修复有效解决了跑道道面板块结构性损坏，机场不能长时间关闭进行维修的问题。通过几小时进行不停航施工，及时恢复机场跑道适航性能。结合机场运行情况，选择合适材料和流畅的组织施工是整板更换快速修复得以成功完成的关键环节。整板更换为保障机场跑道适航运行而采取的应急处置方式，所处理的道面板块多处在薄弱区域，所换板块在使用上的耐久性还需通过运行时间来验证。