某大型繁忙机场跑道大修工程设计分析

谭悦（上海虹桥国际机场公司，上海　200335）



某大型繁忙机场跑道大修工程设计分析

谭悦
（上海虹桥国际机场公司，上海200335）

摘要：以虹桥机场东跑道大修工程为例，阐述了大修方案提出的技术依据和基础条件，介绍了方案设计中应重点考虑的关键因素，论证了所拟方案的技术合理性，最终形成完整的大修技术方案，为类似工程方案设计提供了参考。

关键词：机场，跑道，道面基础，方案设计，沥青面层

0　引言

随着我国民航运输量的飞速增长，大型、超大型机场越来越多。由于既有道面的不断老化，很多机场跑道需要大修来恢复道面性能。鉴于我国国情，大部分新建机场采用水泥混凝土道面，所以大修一般采用“白+黑”形式。而加铺后的黑色道面使用年限一般为10年左右，到年限后还要再次大修。这是一个不断循环的过程。越是繁忙机场，这种需求就越是急迫。以虹桥机场东跑道为例，已于2011年完成了第4次加铺工程。

虹桥机场东跑道始建于20世纪20年代，为水泥混凝土道面结构。后历经多次改建和大修，目前已成为典型的复合道面结构，其中沥青加铺层厚达28 cm。自2005年第三次加铺改造以来，该跑道一直承担了大量的航班起降运行任务。经过5年的运行使用，现有道面损坏日趋严重，裂缝长度和范围在加速扩展，各类突发性损坏事件也呈逐年攀升趋势。为有效确保运行安全，必须及时对东跑道进行全面大修。

本文以跑道大修工程为背景，分析一个大型繁忙机场大修改造的前期评估、方案设计和组织管理等，为其他类似案例提供技术支持和借鉴。

1　既有跑道评价分析

1.1道面基础条件

道面基础为面层结构提供均匀、稳定的支撑。根据道面历年评估和钻芯取样的测试结果，当前虹桥机场东跑道基础主要存在以下三方面问题：

1）基础局部脱空。

东跑道建设初期采用20 cm～25 cm块石基础，但1987年地勘和1995年地质雷达探测结果均表明块石层厚度达到32 cm～56 cm，这说明块石嵌入土基现象非常严重，块石基础已无法作为独立的结构层承担上部荷载。

2）基础均匀性差。

自2005年加铺后，机场方对跑道逐年进行HWD弯沉测试，其结果如表1所示。

表1　东跑道历年HWD弯沉测试结果

从表1中可以看出，在历次检测中跑道弯沉的变异性较大，如在2009年10月测试的数据中，D0点弯沉值最小为104 μm，最大为366 μm，是前者的3.5倍。在面层结构相同的情况下，这反映出了跑道基础强度的不均匀。

3）基础强度偏低。

以2009年10月跑道实测弯沉的平均值进行反算，获得基础强度约为50 MN/m3。基础强度属于“低强度”等级［1］。若进一步考虑到弯沉测试结果的变异性（变异系数高达20%），有理由推断，东跑道部分区域的基础强度将不足50 MN/m3。因此可以认为当前跑道机场整体强度不足。

综上所述，目前跑道基础的强度和均匀性不足，需要对基础进行补强加固。考虑到跑道不停航运行的需要，注浆加固成为其最佳方案。

1.2面层状况分析

1）旧水泥混凝土板状况评价。

跑道自2005年加铺后历次HWD弯沉测试的结果如图1所示。从图1中可以看出，道面弯沉值增长并不显著，特别是加载点以外的弯沉，历次测试中表现为等额差值。这主要是受测试荷载、气温等环境因素的影响。由此可以推测既有道面结构整体性能稳定，混凝土板块的承载能力未发生显著衰减。

图1　历年道面弯沉测试结果

根据上述分析，可以认为既有混凝土板块性能稳定，是构成道面整体承载能力的一个重要组成部分，但是考虑到其超龄服役和单双层板的实际情况，在结构补强设计中，为保守起见将其作为既有道面基层考虑。

2）沥青混凝土加铺层状况评价。

为探明既有道面沥青混凝土加铺层的结构状况和混合料性能，在跑道范围内共钻取15个芯样。根据芯样外观和混合料分层状况，可以获得以下主要结论：

a.芯样整体性较好，没有出现整体松散的芯样。

b.芯样沥青面层分三层结构，相应的混合料类型自上而下分别为SMA-16，AC-16和AC-20（见表2），其中SMA-16为2005年铺设，而AC-16和AC-20则为1991年首次加铺层。

表2　东跑道沥青面层结构组合　mm

利用所取芯样对沥青混合料进行性能测试，并将测试结果与设计规范要求进行对比［2］，以评定道面混合料的技术性能，结果如表3所示。

表3　道面沥青混合料性能测试结果

从上述结果可以看出，上面层SMA-16混合料的各项性能基本处于可控状态，但材料级配发生较大偏差，粗集料含量减少，空隙率增大，并已经接近渗水、松散的边缘。而中、下面层AC混合料性能衰减十分显著，水稳定性、抗松散能力等均无法满足规范要求，并且其集料级配已严重偏离设计规范范围。

2　方案形成与设计

2.1方案形成

虹桥机场现有运行航班量已大大超过单跑道容量，若关闭东跑道实施大修工程，将对机场和航空公司运行造成巨大压力和深远影响。因此，本次跑道大修方案只能选择可在不停航条件下组织实施的方案。

经专家组织讨论，最终认为中厚层加铺方案最为合适，即对现有道面直接加铺12 cm厚沥青混凝土。

2.2方案论证

根据所拟订的大修方案，分别从沥青道面车辙和疲劳开裂两方面，对其结构合理性进行论证分析：

1）道面车辙预估。

跑道再次加铺后，沥青层总厚度将达到35 cm～40 cm，因此道面在设计年限内的车辙预估与控制就成为本次方案设计中需要重点论证的因素之一。

在论证分析中，以B747-400和B777-300ER两种机型作为荷载条件，采用文献［4］［5］的方法分别对加铺后沥青面层的温度分布和车辙进行预估，结果如表4所示。

从预估结果可以看出，在设计使用寿命10年内，加铺后沥青道面最大车辙为5.27 mm，满足道面平整度的要求［1］。

2）道面疲劳开裂控制。

在分析中，仍采用B747-400和B777-300ER两种机型作为荷载条件，计算沥青面层中可能出现的最大弯拉应力，结果如表5所示。

表4　沥青面层车辙预估　mm

表5　沥青面层最大拉应力

采用我国《公路沥青路面设计规范》中的方法计算沥青面层不同使用时间的容许拉应力［6］，结果如表6所示。

表6　沥青面层容许拉应力

从上述计算结果可以判定，在既有交通荷载水平下，沥青加铺层的使用寿命能达到15年以上，远远高于其设计寿命。

2.3方案设计

根据上述结构合理性论证，同时结合既有跑道基础状况和注浆试验成果，最终拟订以下大修设计方案：

1）基础注浆。

对跑道道面45 m宽范围内以及跑道东侧各联络道接坡段的块石基础进行注浆加固处理，基础注浆面积为182 495 m2。

2）沥青混凝土加铺层。

道面：加铺结构采用1 cm厚同步橡胶沥青碎石封层+不等厚度AC-20改性沥青混凝土+满铺玻纤格栅+5 cm厚复合改性SMA-13沥青混凝土。

3　结语

由于虹桥机场东跑道的典型性和代表性，本文以虹桥机场东跑道大修工程为案例，分析了大型繁忙机场跑道大修工程从前期道面性能评估，到后期改造方案选择及判断分析，可为我国其他机场类似工程提供借鉴和参考。

参考文献：

［1］MH/T 5024—2009，民用机场道面评价管理技术规范［S］.

［2］MH 5010—1999，民用机场沥青混凝土道面设计规范［S］.

［3］MH 5001—2013，民用机场飞行区技术标准［S］.

［4］孙立军，秦健.沥青路面温度场的预估模型［J］.同济大学学报（自然科学版），2006，34（4）：480-483.

［5］AASHTO，Guide for design of new and rehabilitated pavement structures［S］.

［6］JIG D50—2006，公路沥青路面设计规范［S］.

Analysis on large-scale maintenance engineering of the busy airport runway

Tan Yue
（Shanghai Hongqiao International Airport Company，Shanghai 200335，China）

Abstract：Taking Hongqiao airport runway maintenance engineering as an example，the paper describes the maintenance scheme technology basis and foundation conditions，introduces major design factors，discusses the rationality of the technological scheme，and finally puts forward maintenance technology scheme，which has provided some guidance for similar engineering scheme design.

Key words：airport，runway，pavement foundation，scheme design，asphalt layer

中图分类号：U416

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）06-0126-02

收稿日期：2015-12-16

作者简介：谭悦（1984-），男，博士，工程师