机场道面沥青加铺决策方法研究

冷广武

（新疆机场（集团）有限责任公司，乌鲁木齐 830016）

1 引言

由于沥青加铺可在不停航的条件下进行，对机场运营的影响最小，是目前国内民航机场（特别是单跑道机场）道面改造或者性能提升的主要方式。由于不同机场的航空交通量、道面性能、气候环境等差异较大，如何科学确定沥青加铺范围、结构形式等，是跑道大修改造工程的重点与难点。

本文依托乌鲁木齐机场道面大修工程，从技术与管理层面提供了一种道面沥青加铺的决策方法[1]。选择加铺层结构类型时，需要根据加铺目的、旧道面的实际使用情况、加铺工程的时机以及施工条件，采用科学的计算方法分析不同的加铺形式、加铺厚度和旧道面处治方案，进行最终的比选。

2 乌鲁木齐机场道面性状评价

2.1 道面表观损坏状况

根据调查与评价报告，乌鲁木齐道面表观损坏总体情况如下：（1）道面共有10 种典型损坏，包括龟裂、不规则裂缝、纵横向裂缝、反射裂缝、松散老化、集料磨光、沉陷、隆起、补丁、轮辙等；（2）裂缝类病害是主导损坏，影响面积达到5 552.9 m2；（3）从损坏区域分布来看，跑道病害发生频次最高；（4）沥青道面结构性病害达到总损坏量的45%。从损坏类型、数量及程度来看，损坏对于机场安全运行具有显著不利影响。

2.2 结构性能评价

道面等级号（PCN）按照刚性道面计算，取起飞架次最多的B737-800 作为评价机型。在考虑层间完全连续、沥青混合料性能处于良好状态条件下，各区域的道面强度等级最小为PCN 69 R/B/W/T，可满足B747-400 和B777-300 等大型飞机无限制运行要求。从结构适应性厚度计算结果分析，现有道面结构承载能力能够满足未来交通量的使用要求。

道面实际使用过程中，局部区域层间接触状态可能存在不良接触，且混合料路用性能会随着荷载和环境的影响逐步衰减。为进一步描述层间接触状态及材料性能对道面结构受力状态的影响，以B777-300 为例，采用三维有限元软件对复合道面结构响应变化规律进行仿真模拟，如图1 所示。

图1 道面结构三维有限元仿真模型

仿真模拟结果表明，当层间结合系数取0.5 时，道面PCN值下降明显，最低为跑道中段（PCN 54 R/B/W/T），最大区域也仅为PCN 65 R/B/W/T。此时跑道及联络道不满足B777、B747等大型飞机的起降要求。同时，当道面加铺层混合料材料性能显著衰减时，复合道面当量厚度减小，不仅会影响结构承载能力，还会带来外来物（FOD）等安全风险问题。

2.3 沥青混合料材料路用性能

对沥青面层全厚度取芯40 个，通过对芯样进行测试，分析道面材料路用性能。试验结果表明，乌鲁木齐机场部分区域沥青道面路用性能存在层厚偏小（变形）、沥青含量偏低、级配偏细、抗水损能力差、下面层抗松散能力偏弱等问题。

2.4 道面功能性能

沥青道面面层渗水测试结果等表明，不论原道面还是修补道面，道面渗水系数均低于50 mL/min，沥青道面抗渗性能较好。此外，构造深度法及摩阻系数测试法的测试结果表明，机场沥青道面抗滑性能处于较佳状态。

3 机场沥青道面病害成因研判

结合道面性能评价状况和机场实际气候荷载状况，分析病害的主要影响因素：（1）机场沥青道面损坏量偏多，与繁忙荷载作用有直接关系，起降架次总量已接近单跑道运行极限；（2）乌鲁木齐机场高温、极寒气候条件对机场道面不利。

繁重荷载、不利气候条件对沥青道面结构有不利影响，但设计考虑充分、施工严格控制，沥青混凝土加铺工程质量仍能有效保证，并实现道面长久、安全使用。依据检测结果、结合前述机理及一般成因总结，对乌鲁木齐机场现有沥青道面结构使用性能下降、病害较多的主要原因分析如下。

3.1 原沥青道面设计对加铺道面混合料性能考虑不足

机场原沥青道面设计对于机场荷载、气候区域划分等考虑并不充分，因此，对混合料性能指标要求偏低，甚至未做明确规定，导致国内早期加铺的机场沥青道面结构普遍存在早期损坏较多的现象[2]。

3.2 部分区域道面结构强度储备不足

部分区域道面结构强度储备处于临界状态。例如，跑道RA2 区域道面PCN（道面等级号）计算值仅为57，其承载能力对B747、B777 等大机型适应性较差。此外，2012 年加铺考虑新机场即将建成，定位于功能性加铺，对于结构承载能力储备也未做进一步考虑。因此，结构承载能力储备不足也是机场沥青道面结构病害发生的重要原因。

3.3 局部区域混合料性能衰减

芯样试验结果表明，乌鲁木齐机场沥青道面上下面层粗集料含量均偏少，部分区域的级配也与设计级配差异较大，轮辙的产生与此直接相关。此外，集料磨光、松散老化等病害也与混合料原材料的性能不佳有关。

4 沥青道面加铺维修规模分析

目前，乌鲁木齐机场沥青道面在表观、结构和混合料性能方面均存在一定的问题，因此，需要对现有道面进行维护，有局部维修和大修整治两种方案。鉴于乌鲁木齐机场道面实际情况和运行特点，推荐采用全面大修整治的方案，理由如下：（1）沥青道面损坏类型安全风险高，且有进一步发展趋势。沥青道面裂缝等结构性损坏接近总量的50%，轮辙、隆起病害比例高、程度重，这些病害发展到一定程度都伴有松散、沉陷等次生病害[3,4]。（2）目前维修总量大，投入高，维护管理难度大。2012 年加铺后，维修总量超过50 000 m2，累计维修投入超过4 000 万元，而且机场航班密集、停航时间短，施工组织难度大，投入机械、人员数量多，机场相关部门管理要求高、难度大，违背安全、长效的管理理念。（3）沥青混凝土适合大面积施工，局部修复混合料质量控制困难，耐久性有待进一步验证。（4）现有检测手段难以全面判定结构薄弱区域，确定局部维修具体区域技术难度大。（5）机场航空交通量接近单跑道容量极限，可供施工时间逐年减少，道面维修成本逐年提高，运行和施工的安全风险进一步增大。

总之，采用局部维修的方案，机场管理部门维保压力极大、维护费用高，且存在极大的安全风险，因此，为实现乌鲁木齐机场沥青道面“长治久安”，应采用大修整治的方案对现有道面结构进行全面整治。

5 沥青道面加铺结构组合比选

由于乌鲁木齐机场为单跑道运行，改造方案应满足不停航施工的要求，因此，加铺结果组合形式可以选择以下3 种：既有沥青道面结构完全铣刨重铺、保留既有沥青道面结构直接加铺，以及既有沥青道面上面层铣刨加铺。其中，由于现有沥青道面结构下面层性能偏弱，水泥-沥青层间结合衰减对道面整体性能影响大，实施效果难以保证，因此，不建议采用既有沥青道面上面层铣刨加铺方案。而对于铣刨重铺和直接加铺，须重点考虑以下3 方面的问题。

5.1 原道面修复与层间处治

铣刨重铺是在原水泥道面上重新加铺沥青层。根据加铺前道面检测报告，原水泥道面层底支承劣化情况明显，且可能进一步发展。因此，铣刨后，需对原水泥混凝土结构进行有效的维修与处治。在有限的不停航施工条件下进行原水泥道面修复及层间处治，难度高、效率低、效果差。而在现有道面上直接加铺，原有沥青道面损坏区域修复可结合加铺工程采用同一种沥青混凝土材料及工艺，且相对水泥道面而言，修复及层间处治相对容易，具有时间和效果上的优势。

5.2 施工效率与安全风险

直接加铺比铣刨加铺少了铣刨工序，且处理原道面施工时间短，相比直接加铺方式施工效率更高。此外，由于采用不停航施工，工序越多，施工时间越长，施工安全风险就更高。

5.3 加铺层数

通过计算可知，考虑层间和材料性能的衰减，对于完全铣刨而言，加铺3 层沥青混凝土，即使考虑层间部分连续（层间结合系数取0.5，按最小加铺厚度18 cm 计），道面承载能力（各区域PCN 最小值为PCN 69 R/B/W/T）仍可以满足现有机型的正常运行。如采用两层组合，道面性能或层间结合有下降就会限制部分机型运行。因此，推荐采用3 层加铺。而对于直接加铺而言，加铺两层就可以满足不利条件下道面结构承载能力的要求（各区域PCN 最小值为PCN 75R/B/W/T）。

同时，为验证方案，对直接加铺1 层的结构形式也进行了计算验证（以跑道为例），见表1。可见，直接加铺1 层与完全铣刨加铺两层的情况一致，不能满足层间衰减及材料性能衰减条件下机场的正常运行要求。

表1 既有道面结构加铺1 层沥青混凝土PCN强度通报（层间衰减）

5.4 加铺结构组合形式综合评价

依据上述分析，对上述加铺结构组合进行综合评价，结果见表2。按照综合评价优劣，考虑类似组合形式在国内机场已有成功应用案例（虹桥机场等），建议采用保留既有道面结构直接加铺两层的结构组合形式。

表2 加铺结构组合综合评价

6 结论与建议

依托乌鲁木齐机场沥青道面加铺工程，本文通过道面性能客观评价和道面原因科学分析，系统、全面地掌握道面现状及特点，结合国内已有经验，准确计算道面结构组合，按照综合评价优劣，推荐了乌鲁木齐机场道面沥青加铺的合理方案。该决策方法可供国内同类型机场借鉴与应用。