于浩晨，馬云祥，艾爾西·吾斯曼，王鼎山，楊立靖

（中國民航大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300300）

瀝青混凝土跑道常見的類型有半剛性基層路面和復(fù)合型路面（剛性基層瀝青路面）。采用水泥、石灰等無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定碎石，對級配集料作穩(wěn)定處理后作為基層；瀝青作為面層。這種路面結(jié)構(gòu)兼具剛性路面和柔性路面的優(yōu)點(diǎn)。但由于路面本身的特性，瀝青面層收縮而產(chǎn)生的裂縫難以避免，混凝土基層中雨水不易下滲，水損害也會(huì)發(fā)生。其次，由于我國機(jī)場運(yùn)輸量大，飛機(jī)起降頻繁，跑道負(fù)荷重，跑道頻繁使用使路面易發(fā)生車轍、塑流、蠕變等病害。跑道路面發(fā)生病害，易造成飛機(jī)起降過程顛簸，降低舒適度，同時(shí)跑道上的碎石等病害產(chǎn)物一旦卷入發(fā)動(dòng)機(jī)，將嚴(yán)重威脅飛行器的安全。因此，為了保證飛機(jī)起降的安全穩(wěn)定，必須對受損路面及時(shí)進(jìn)行維護(hù)處理。

1 瀝青混凝土跑道的病害及監(jiān)測手段

1.1 裂縫和斷裂

（1）橫向裂縫。橫向裂縫是指沿路面方向出現(xiàn)的裂縫。機(jī)場瀝青跑道產(chǎn)生橫向裂縫的原因主要有三點(diǎn)：一是基層和面層不同性質(zhì)材料的收縮情況不同，剛性、半剛性基層材料的收縮率高于瀝青面層，使面層底部緊鄰基層面板橫縫處的瀝青發(fā)生開裂；二是冬季溫度降低引起瀝青面層變硬收縮，當(dāng)瀝青面層的拉應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)自上而下的裂縫；三是在舊水泥混凝土路面上鋪筑瀝青面層的復(fù)合式路面，通常在混凝土的接縫處，會(huì)在瀝青面層上產(chǎn)生橫裂縫。

（2）疲勞斷裂或龜裂。龜裂是由于飛機(jī)荷載疲勞應(yīng)力作用頻繁，使路面形成方向不定的裂縫，裂縫相互交錯(cuò)，將面層破壞為數(shù)個(gè)多邊形小塊組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。龜裂多從基層面板交接處開始發(fā)育，是飛機(jī)荷載頻繁作用的結(jié)果，也與飛機(jī)荷載過重使路面承受的應(yīng)力增大有關(guān)。

1.2 水破壞

機(jī)場跑道的水破壞是由地面積水引起的。瀝青面層的透水性比混凝土基層高，雨水透過面層后不易繼續(xù)下滲，導(dǎo)致路面積水的滯留。當(dāng)積水滯留在面層和基層的交界處時(shí)，在飛機(jī)荷載和溫度變化的協(xié)同作用下，面層和基層交接處的瀝青從集料表面漸漸發(fā)生分離剝落，粘結(jié)性下降，產(chǎn)生坑洞、裂痕，一旦裂痕出現(xiàn)，路面積水將更易滲入，如此往復(fù)，形成惡性循環(huán)。

1.3 車轍、塑流和蠕變

車轍、塑流和蠕變是指瀝青面層由于承受了過重的飛機(jī)荷載或者飛機(jī)荷載次數(shù)過多而產(chǎn)生了不可逆的塑性變形。其中，車轍是飛機(jī)輪胎壓力向下作用在路面上，使路面在與輪胎接觸的地方向下凹陷變形。而塑流是指跑道在飛機(jī)降落的過程中應(yīng)對飛機(jī)降落帶來的沖擊力，使得車轍兩側(cè)還易形成向上隆起的變形。車輪軸載并不是一個(gè)固定的常量，而是圍繞一個(gè)值上下波動(dòng)，應(yīng)力的不均勻使瀝青面層產(chǎn)生了不均勻變形，飛機(jī)在滑行中發(fā)生上下顛簸，應(yīng)力變化更加無序。如此循環(huán)，跑道產(chǎn)生波浪形變形，也就是蠕變。

1.4 磨損和剝落

由于道面使用時(shí)間過長、飛機(jī)荷載作用次數(shù)過多，輪胎接觸區(qū)域的瀝青面層厚度減薄，不利于飛機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。當(dāng)飛機(jī)荷載過大時(shí)，瀝青面層和剛性、半剛性基層之間的粘結(jié)層作用減弱，面層可能會(huì)發(fā)生剝落，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，路面平整度下降，使飛機(jī)在滑行的過程中發(fā)生顛簸，當(dāng)剝落的瀝青碎塊被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)或螺旋風(fēng)扇中時(shí)，甚至?xí)︼w行器的結(jié)構(gòu)造成破壞，影響飛行安全。

1.5 監(jiān)測手段

在以上四大類病害發(fā)生的過程中，跑道路面的應(yīng)力和溫度狀態(tài)均會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。為了監(jiān)控跑道工作狀態(tài)，收集工作信息，可以在道面的內(nèi)部或者兩側(cè)位置布置感知原件和信息傳輸介質(zhì)，例如分布式光纖和其他傳感器。光纖和各類傳感器相互配合，精確收集跑道內(nèi)部空間各個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)信息和溫度變化信息，建立起天氣、氣溫、飛機(jī)荷載、速度等與跑道內(nèi)部應(yīng)力、溫度的相關(guān)關(guān)系，實(shí)時(shí)監(jiān)控分析跑道的狀態(tài)，并監(jiān)控道面脫空的不連續(xù)病害和塑性形變的發(fā)生。在這個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)中，紅外熱成像儀監(jiān)測并記錄瀝青道面的溫度；水膜厚度傳感器感知跑道表面的水膜厚度，評價(jià)抗滑風(fēng)險(xiǎn)；應(yīng)力傳感器監(jiān)測跑道道面的應(yīng)力應(yīng)變情況；激光輪跡儀對跑道輪轍深淺變化進(jìn)行監(jiān)測。多種傳感器相互配合協(xié)作構(gòu)成了智能道面監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對跑道的智能化監(jiān)測。

（1）溫度監(jiān)測。使用紅外熱成像儀對道面溫度進(jìn)行監(jiān)測。將監(jiān)測探頭布設(shè)在跑道的兩側(cè)，收集攜帶溫度信息的光信號，利用紅外熱成像技術(shù)，通過光纜將收集到的攜帶溫度信息的光信號轉(zhuǎn)變成電信號輸入到計(jì)算機(jī)中并處理為直觀的彩色圖像信息。溫度監(jiān)測要重點(diǎn)監(jiān)測飛機(jī)輪跡區(qū)域?yàn)r青面層的溫度變化，飛機(jī)輪跡區(qū)域受飛機(jī)尾部噴氣和輪胎摩擦等因素的影響，溫度往往會(huì)急速升高，該部位的瀝青受熱會(huì)發(fā)生軟化、強(qiáng)度下降。通過分析輪跡區(qū)域的溫度與道面變形之間的關(guān)系，監(jiān)測機(jī)場跑道車轍、塑流和蠕變等塑性變形發(fā)生的程度和可能性。

（2）水膜厚度監(jiān)測。使用水膜厚度傳感器精確監(jiān)測跑道積水厚度，包括硬件和軟件兩大部分。監(jiān)測的具體方式是將水膜厚度傳感器嵌入跑道中，傳感器可以向路面發(fā)射微波并接受由路面反射回傳感器的微波，傳感器將微波信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過光纖將信號傳輸入計(jì)算機(jī)中，軟件通過分析入射微波信號和反射微波信號之間的相位和幅值的變化，計(jì)算出路面水膜的厚度。再根據(jù)跑道摩擦系數(shù)、跑道狀態(tài)（干濕冰雪潮）以及水膜（或冰雪覆蓋層）的厚度，給出七個(gè)跑道狀況等級，判斷跑道的抗滑安全性能和抗滑失效風(fēng)險(xiǎn)。水膜監(jiān)測傳感器原件結(jié)構(gòu)精密復(fù)雜，溫度過高或過低均會(huì)導(dǎo)致傳感器出現(xiàn)較大的誤差；元件受力過大將直接導(dǎo)致其失效或破壞。因此，水膜厚度傳感器需要安置在合適的位置，以避免傳感器的損壞。

（3）應(yīng)力監(jiān)測。將光纖埋置在跑道中或跑道兩側(cè)，當(dāng)飛機(jī)在跑道上滑行時(shí)，跑道應(yīng)力應(yīng)變將影響到附近埋置的光纖，光纖受應(yīng)力發(fā)生形變，導(dǎo)致內(nèi)部通過的信號發(fā)生變化，將變化后的信號輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，即可分析得到跑道對應(yīng)位置處的應(yīng)力和應(yīng)變。通過監(jiān)測道面內(nèi)部各點(diǎn)的應(yīng)力狀況，可以判斷跑道發(fā)生脫空的程度、斷裂和裂縫的發(fā)育程度，判斷跑道是否處于正常工作狀態(tài)，是否需要實(shí)施維護(hù)。

（4）輪轍監(jiān)測。輪轍監(jiān)測需要用到激光輪跡儀，一種非接觸式掃描儀。掃描探頭向路面發(fā)射和接收激光，計(jì)算機(jī)根據(jù)激光信息繪制出跑道表面的凹凸情況。據(jù)此不僅可以判斷出飛機(jī)起降滑行時(shí)輪胎對路面造成的輪轍塑性變形情況，還可以分析出路面的磨損程度。

（5）跑道外來物監(jiān)測。跑道外來物（FOD）是指可能損傷航空器的本不屬于正常跑道結(jié)構(gòu)的外來物體。斷裂、裂縫以及水破壞等病害會(huì)使跑道產(chǎn)生脫離道面的混凝土塊、瀝青塊以及石子等物體。因此，F(xiàn)OD 監(jiān)測也是機(jī)場瀝青道面病害監(jiān)測的一個(gè)重要組成部分。機(jī)場FOD 監(jiān)測常用的探測器類型是雷達(dá)探測器。

FOD 探測器根據(jù)安裝方式可以分為塔架式和邊燈式兩種，其中塔架式距離跑道中線較近，需要滿足飛行區(qū)側(cè)凈空的要求，可以安裝的點(diǎn)位少；邊燈式主要安裝在跑道的邊燈附近，受干擾少，但后期維護(hù)工作量較大。探測器的選擇需要結(jié)合機(jī)場的實(shí)際情況。

（6）智能監(jiān)測系統(tǒng)傳感器分布。構(gòu)建機(jī)場道面智能監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)，要求傳感器位置分布要合理，協(xié)調(diào)配合。道面?zhèn)鞲衅魅鐖D1 所示：水膜傳感器放置在跑道道面上靠兩側(cè)的位置。紅外熱成像儀、激光輪跡儀、FOD 雷達(dá)環(huán)測器分布在跑道外的兩側(cè)。橫向光纖和縱向光纖埋置在剛性混凝土基層的橫縫、縱縫處，上面層、中面層、下面層和基層各埋入一支溫度計(jì)，基層的靠上部埋入一支濕度計(jì)。

圖1 跑道各類傳感器分布圖

2 跑道不停航施工維護(hù)流程

在有限的時(shí)間內(nèi)完成道面的整修和維護(hù)，即刻投入使用，不影響航班的正常運(yùn)行是跑道不停航施工亟待解決的問題。要從前期準(zhǔn)備階段、施工階段、施工后養(yǎng)護(hù)階段這三個(gè)階段，合理安排、規(guī)劃，才能保證不停航施工正常有序地進(jìn)行。

2.1 前期準(zhǔn)備階段

做好不停航施工項(xiàng)目規(guī)劃書，規(guī)劃好不停航施工的工序以及過程中可能出現(xiàn)的各種突發(fā)情況。（1）選擇利于施工順利進(jìn)行的溫度和天氣適宜的時(shí)間段，了解當(dāng)天最后跑道使用時(shí)間以及第二天通航時(shí)間，保證不停航施工的順利進(jìn)行以及新鋪路面的正常養(yǎng)護(hù)。（2）明確需要更新的路面區(qū)域和深度，框定出施工作業(yè)的最終范圍，作為計(jì)算所用材料種類和數(shù)量的依據(jù)，防止出現(xiàn)材料不足或剩余過多的情況發(fā)生。（3）合理規(guī)劃機(jī)械和工作人員，安排各種機(jī)械合適的入場時(shí)間，保證施工不間斷。（4）開辟專屬的施工臨時(shí)通道以及臨時(shí)進(jìn)出口，保證施工機(jī)械和施工工人出入不影響飛行區(qū)其他區(qū)域的正常運(yùn)作，縮短進(jìn)、出場的時(shí)間。（5）規(guī)劃合理的進(jìn)場、離場路線，確保施工過程中不出現(xiàn)亂流和擾流影響施工進(jìn)度，保證機(jī)械、人員的有序施工、流動(dòng)。（6）預(yù)先準(zhǔn)備好所需要的熱拌瀝青混合料、地面標(biāo)識涂料等施工用材料，以便縮短施工時(shí)間，保證工人和機(jī)械可以直接入場施工。（7）成立專門的不停航施工責(zé)任組，監(jiān)督施工過程中的各個(gè)流程。保證各項(xiàng)措施按規(guī)劃有序進(jìn)行，將施工責(zé)任落實(shí)具體。

2.2 施工階段

做好前期準(zhǔn)備后，便進(jìn)入施工階段。施工流程具體如下：（1）拆除或保護(hù)好需要維修的路面區(qū)域內(nèi)全部的助航設(shè)施和監(jiān)測傳感器，確保其不受損壞。（2）銑刨機(jī)進(jìn)場，用銑刨機(jī)銑刨作業(yè)區(qū)域，銑刨充分，要求病害部分全部被清除。（3）清掃銑刨區(qū)域，保證基層或面層的裸露部分沒有碎塊或者塵屑。均勻撒布透層瀝青，增加新舊路面的粘結(jié)性，保證新鋪瀝青面層與舊有道路結(jié)構(gòu)粘合充分。（4）攤鋪熱拌瀝青材料混合料，使用瀝青混合料攤鋪機(jī)，在攤鋪帶寬度上均勻地?cái)備仦r青，隨后由振搗板搗實(shí)，并由攤平板整平。整平后，碾壓瀝青混合料，碾壓過程分為初壓、復(fù)壓和終壓三個(gè)階段。為了保證維修區(qū)域和跑道的其他區(qū)域銜接流暢，需要在接縫處多次碾壓，轉(zhuǎn)角處需要人工進(jìn)行攤鋪和碾壓，避免出現(xiàn)空隙。（5）將卸除的各類助航設(shè)施和監(jiān)測傳感器歸位，監(jiān)測其是否能夠正常運(yùn)行，并用涂料在新建路面上標(biāo)出道面標(biāo)志。

2.3 施工后養(yǎng)護(hù)階段

由于不停航施工后的跑道需要即刻投入使用，短時(shí)間內(nèi)的養(yǎng)護(hù)不足以使新鋪面層達(dá)到長期正常使用所需要的強(qiáng)度和剛度。在新鋪瀝青面層中，靠近下部基層的瀝青率先達(dá)到預(yù)期的使用性能要求，而上部的瀝青需要更長的時(shí)間進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。此時(shí)，飛行器的起降將會(huì)導(dǎo)致新鋪瀝青面層上部發(fā)生相對嚴(yán)重的變形。

在這種情況下，需要反復(fù)多天進(jìn)行不停航施工，每次施工需要銑刨除前一天強(qiáng)度剛度未能達(dá)到要求的瀝青面層結(jié)構(gòu)，重新清掃、攤鋪、壓實(shí)，養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間后供以飛機(jī)起降，直至面層瀝青全部達(dá)到滿足長期使用的性能要求，才可以停止施工。這種施工方案是在中國機(jī)場建設(shè)過程中獨(dú)立摸索總結(jié)出的一種全新方法，雖然成本高昂耗時(shí)長，但是與我國機(jī)場運(yùn)行現(xiàn)狀相協(xié)調(diào)，既保證了航班的正常運(yùn)行，又不會(huì)造成航班的堆積和延誤。

3 結(jié)束語

我國早年的混凝土跑道經(jīng)過長時(shí)間使用，已經(jīng)不能滿足日漸繁重的飛機(jī)起降要求，將跑道改造為半剛性道面己經(jīng)成為舊路面改造最主要的手段之一。隨著我國民航事業(yè)的不斷發(fā)展，瀝青混凝土跑道必然成為大型機(jī)場使用的主流跑道，以不影響航班正常為出發(fā)點(diǎn)的不停航施工已經(jīng)成為機(jī)場運(yùn)行、擴(kuò)建中的必然步驟。在未來，我國維護(hù)更新機(jī)場道面受損區(qū)域，還是要使用到目前已有的技術(shù)，在現(xiàn)有流程的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造和升級，因此對其進(jìn)行總結(jié)是有必要的。