浅谈机场跑道道面性能变化规律

张 涛

（太原国际机场有限责任公司,山西 太原 030051）

0 引言

机场运行期间应特别关注跑道道面性能，定期开展道面检测及评估工作，分析道面性能变化情况，及时做出养护维修决策，以延长跑道使用寿命、保障飞机运行安全。该文依托华北地区某机场，基于10年4次的检测结果，分析跑道道面损坏状况、平整度和结构性能变化规律，结果可为机场跑道道面养护维修决策提供参考。

1 道面结构概况

由于不同道面结构对飞机荷载及环境影响的承受作用是不相同的；同时，不同时期修建的道面使用性能必然会存在差异。因此，在分析道面性能变化规律时，应以道面结构与修建时间为依据划分为不同区段分别进行分析。

2 道面损坏状况变化规律分析

跑道道面损坏状况采用道面状况指数PCI进行评价，PCI值越小，道面损坏越严重，道面状况越差，反之，道面状况越好[1]。根据美国ASTM D5340标准，道面损坏状况分为7个等级（极好：PCI≥85；很好：70≤PCI＜85；好：55≤PCI＜70；中：40≤PCI＜55；差：25≤PCI＜40；很差：10≤PCI＜25；失效：PCI＜10），国内道面损坏调查发现，PCI＜40的情况基本没有，主要原因是道面PCI值接近40之前，绝大多数机场都已经采取了工程措施进行整修。因此，规范将损坏等级评定标准中PCI＜40时的三个损坏等级合并成为一个等级，其他评定等级标准沿用。

跑道各区段道面PCI值随检测时间的变化情况如图1所示。由图1可知，跑道各区段道面PCI值在2011—2016年期间出现明显下降；其中500～2 700 m（道面板减薄区段）及2 700～3 200 m（主降端接地带区域）区段道面PCI值下降最快，下降幅度大于20%，而0～500 m区段PCI值虽下降最慢，但其下降幅度也达到7.36%；虽然2011年检测完成后对跑道部分区域进行了基础注浆处治，但道面状况并未得到显著改善。结合跑道修建时间，基本可判定此时跑道道面状况已进入加速衰减期。

图1 跑道各区段道面PCI值随时间变化图

2011—2016年期间，500～2 700 m区段道面PCI值衰减速度快的原因在于该区段为道面板减薄区段，相比于其他区段，该区段道面结构的承载能力相对较低，所以在飞机荷载作用下病害的发展速度相对较快；同时，该区段与多个快速出口滑行道相交，受到飞机荷载的频繁剪切作用，进一步加速病害发展，现场调查也表明快速出口滑行道与跑道相交道口的道面频发病害。2011—2016年期间，2 700～3 200 m区段道面PCI值衰减速度快的原因在于该区段为跑道主降端接地带区域，受到飞机荷载频繁冲击作用，结合现场调查发现该区段道面损坏频发，所以加速了PCI值衰减。

2016年检测后对各区段道面损坏严重区域进行了道面损坏修复，故各区段道面PCI值在2016—2019年期间略有升高。由于管理部门在2019年检测后对道面损坏的修复及2020年对部分区域的基础注浆处治使得跑道各区段道面PCI值在2019—2021年期间大幅提升，最大提升幅度可达18.53%。可以发现，道面损坏虽已进入加速期，但定期的损坏修复能够改善道面状况的加速衰减情况。

综上所述，跑道经约15年的使用，道面状况已进入加速衰减期，应及时采取修复措施；另外，跑道中部道面板减薄区域与主降端接地带区域的道面状况衰减速度更快，应着重关注。

3 道面平整度变化规律分析

跑道道面平整度采用国际平整度指数IRI进行评价，当IRI值越大时，道面平整度越差，反之，道面平整度越好。国际平整度指数（IRI）可通过激光平整度仪自动测试并计算，平整度等级分为4个等级（优：IRI＜2.5；良：2.5≤IRI＜3.5；中：3.5≤IRI＜4.3；次：≥4.3）。跑道各区段IRI值随检测时间变化情况如图2所示。

图2 跑道各区段道面IRI值随时间变化图

由图2可以发现，跑道各区段道面平整度在2011—2016年期间出现大幅衰减，其中3 200～3 600 m区段衰减最严重，IRI值增大幅度高达47.37%，2 700～3 200 m区段次之，IRI值增大幅度为22.42%，其余两个区段平整度下降程度相对较轻，但IRI值增大幅度也达到7.97%与9.46%。结合跑道修建时间，基本可判定此时跑道道面平整度已进入加速衰减期。

由于2 700～3 200 m区段及3 200～3 600 m区段的部分区域为跑道主降端接地带区域，频繁承受飞机荷载冲击作用，所以平整度衰减速度较快；同时，两区段道面不是同一期修建，道面结构上也存在差异，飞机荷载作用于道面时，旧道面与延长段道面的变形情况不一致，经受荷载循环作用后，在旧道面段与延长段交界处（3 200 m）道面板间出现横向错台，进而导致道面平整度下降。

同时，2016年时道面平整度整体较差，2 700～3 200 m区段道面的IRI值已大于3.5，所以管理部门在2016—2019年期间对道面进行性能修复，使各区段道面平整度均有所改善，特别是对旧道面段与延长段交界处道面板错台处治使得3 200～3 600 m区段道面平整度大幅提升，IRI值降低15.18%。另外，2020年实施的基础注浆处治工程，提升了跑道道面整体的结构性能，避免了影响道面平整度的结构性损坏发生；因此，在2019—2021年期间道面平整度未出现明显下降。基于此，可以发现，道面平整度虽已进入加速衰减期，但定期的性能修复能够使平整度保持在一个较为平稳的状态。

综上所述，跑道经约15年的使用，道面平整度已进入加速衰减期，应及时采取修复措施；另外，跑道接地带区域及旧道面段与延长段交界区域道面的平整度衰减速度更快，应着重关注。

4 道面结构性能变化规律分析

道面结构性能采用重锤式弯沉仪进行无损弯沉测试，采用冲击劲度模量（ISM）、道面板接缝传荷系数（LTE）、道面板底脱空率进行评价[2]。重型落锤式弯沉测试设备（HWD）进行的弯沉测试可用于反演道基和道面各结构层模量，以及进行水泥混凝土道面脱空判定，以重型落锤式弯沉仪（HWD）为代表的弯沉测试具有原位测试、速度快、不破坏道面结构等优点，是世界各国道面结构性能测试最主要的方法。由于机场道面厚度较大，弯沉测试应采用重型落锤，以确保道面结构能够得到充分的响应量。HWD通过落锤对道面的冲击作用来模拟飞机对道面的施荷过程，同时，通过分布于距荷载中心不同距离的传感器记录道面在受荷作用下的弯沉响应，最后经计算与反演可得出道面冲击劲度模量（ISM）、道基和道面各结构层模量等指标来评价道面及其基础的强度和结构性能。ISM值能够反映道面对飞机运行的支撑作用，即道面承载能力，ISM值越大，道面承载能力越强；LTE和道面板底脱空率能够反映道面结构的整体性状况。

4.1 道面承载能力变化情况

通过对跑道道面弯沉测试数据分析，得到各区段道面的ISM均值如表1所示。通过对比表1中四个区段道面ISM均值可以发现，跑道延长段道面承载能力最强，跑道中部道面板减薄区段（500～2 700 m）道面承载能力最弱，其余两个区段道面承载能力介于二者之间。上述结论与道面结构及修建时间相符合，进一步验证了该文以道面结构与修建时间为依据划分为不同区段进行道面性能变化规律分析的正确性。

表1 跑道各区段道面ISM均值统计表/（kN/mm）

根据表1统计结果获得不同区段道面ISM均值随检测时间变化情况如图3所示。由于2011年检测完成后对跑道部分区域实施基础注浆处治工程，使得2011—2016年期间旧道面ISM均值基本保持不变；然而，相比之下延长段道面由于未进行基础注浆处治，其道面承载能力下降明显，ISM均值降低3.41%。在2016—2019年期间，道面承载能力整体上出现明显下降，其中延长段道面ISM均值降低幅度最大，为9.16%；中部道面板减薄区段ISM均值下降4.91%，其余两区段ISM均值下降幅度约为2%。2020年对跑道道面结构性严重不足区域实施的基础注浆处治工程，导致跑道各区段道面承载能力在2019—2021年期间均有不同程度提升。

图3 跑道各区段道面ISM均值随时间变化图

4.2 道面结构状况变化情况

4.2.1 道面板底脱空状况

跑道各区段道面板底脱空率如表2所示。由表2统计结果发现，2011年跑道道面板底出现大面积明显脱空，其中500～2 700 m区段（道面板减薄区段）脱空状况最为严重，脱空率大于40%，道面整体结构状况较差[3]。正是基于此，管理部门在2011年检测完成后随即对脱空区域进行了基础注浆处治，解决了道面板底脱空问题，所以2016年检测时未发现道面板底脱空的出现。

表2 跑道各区段道面板底脱空率统计表 /%

但随后在2016—2019年期间道面板底脱空开始迅速发展，其中0～500 m及500～2 700 m区段脱空率仅3年的发展已经大于20%，说明此时道面结构性能已经进入加速衰减期[4]。因此，管理部门于2020年对道面板底脱空区域进行基础注浆处治，所以2021年检测时道面结构状况整体较好；但可以发现延长段道面板底脱空发展速度开始逐渐加快，2年时间脱空率已经达到3.33%。

4.2.2 道面板接缝传荷能力

2011年旧道面段道面板接缝传荷能力较差，其中500～2 700 m区段（道面板减薄区段）及2 700～3 200 m区段的LTE均值均小于0.8。经基础注浆处治后，旧道面段道面板接缝传荷能力恢复，2016年时的LTE均值均大于0.9。但在2016—2019年期间道面板接缝传荷能力迅速下降，其中500～2 700 m区段的LTE均值下降幅度最大，为13.64%。2020年的基础注浆处治工程使道面板接缝传荷能力在2019—2021年期间基本未发生变化。

基于4.2.1及4.2.2分析结果表明，跑道中部道面板减薄区段道面相较于其他区段更容易发生结构性能衰退；同时，结合跑道修建时间可以得到，跑道在使用20年左右的时间后道面结构性能开始进入加速衰减期，此时应加大道面检测频次，及时修复道面结构性能[5]。

5 结语

该文基于机场跑道10年4次道面检测结果，分析了跑道道面损坏状况、平整度及其结构性能的变化情况，获得如下结论：

（1）跑道经约15年的使用，道面状况与平整度进入加速衰减期，经约20年的使用，道面结构性能进入加速衰减期。

（2）跑道中部道面板减薄区域与主降端接地带区域的道面状况衰减速度更快；跑道主降端接地带区域及旧道面段与延长段交界区域的道面平整度衰减速度更快；跑道中部道面板减薄区域道面更容易发生结构性能衰退。

（3）跑道道面性能进入加速衰减期后，应加大道面检测频次，及时修复道面性能。