水泥灌浆在机场水泥混凝土道面加固中的应用
2015-03-24
引言：
目前我国已经建成近183个民航机场，场道铺筑面积达到了5000多万平方米，其中既有长期使用的老机场，也有新建、改扩建不久的新机场，这些机场绝大部分是水泥混凝土道面，而且大多数机场只有一条跑道。随着城市经济发展水平的提高和旅游业规模的扩大，机场的吞吐量在不断增长，同时随着机型的不断增大，跑道原水泥混凝土道面随着所承受的各种荷载的不断增加其破损程度也越来越严重，甚至出现跑道基层存在一定程度的脱空现象。为了改善机场的飞行条件，提高安全保障性能，在满足机场不停航安全运行要求的前提下，采取不破坏道面结构的注浆加固方法先对跑道基层进行加固，将粒料类基础的刚度提高,稳定性、板体性得到改善,以减少道面不均匀沉降,为跑道沥青混凝土加盖工程提供条件。
一、工程概况
云南丽江机场是云南省第二大支线机场，是云南省重要的支线机场，机场跑道长2500m。丽江机场跑道道面结构为：27cm水泥混凝土道面＋3cm石屑找平层＋30cm水泥稳定碎石土基层，跑道500～2200m范围内道面板边部厚度变为22cm。随着丽江机场客货吞吐量和飞机起降架次的迅速增长以及运行机型的逐渐增大，机场道面出现了掉边、掉角、断板等病害，并且病害区域比较集中，发展迅速。为了了解病害出现的原因，云南机场集团有限责任公司于2006年2月委托中国民航机场建设集团公司科研基地对丽江机场跑道进行了全面检测。通过详细的道面检测发现：丽江机场跑道存在严重的道面基础脱空，相对于目前运行的机型来看道面的承载能力略显不足。根据检测结果，建议应及时对丽江机场跑道道面基础进行灌浆加固，以减缓道面的破坏，提高道面的综合承载能力。
依据科研基地的道面检测结果及建议，云南机场集团有限责任公司及时组织了丽江机场跑道的灌浆试验段工程，灌浆试验段范围：跑道约18000平方米，分别位于自跑道南端（即跑道标牌距离）50～100m、1100～1400m、2400～2450m。并于2007年1月对灌浆试验段进行了道面弯沉检测。试验及检测结果表明：科研基地在第一次检测过程中对丽江机场跑道存在严重脱空的判定是正确的，灌浆试验段取得了良好的灌浆效果。通过灌浆基本消除了道面基础中存在的脱空现象，提高了道面的综合承载能力。灌浆后道面的破损速度明显减缓。在灌浆试验段完成，并取得较好的灌浆的效果后，不停航跑道基层施工的管理制度和措施,保证了机场的正常营运和飞行安全。
二、灌浆施工技术
机场水泥混凝土灌浆加固的重要意义：在基层与面层之间灌注泥浆，为道面沥青盖被提供条件，即提前解决水泥混凝土道面板下的脱空、断板、基层碎裂等问题，在提高基层刚度、稳定性的同时，提高水泥混凝土道面的承载力。
(一)设备选用
水泥混凝土道面面板的灌浆设备，主要是由压浆泵、灰浆搅拌机、胀卡头、水箱和发电机组等组成。
1、压浆泵的选择
(1)泵的压力：压浆泵的压力应根据灌浆材料的不同，管路的长短等因素来确定。水泥粉煤灰作为灌浆材料，压浆泵的出始压力为1.0Mpa。
(2)输送管的管径：由于输送距离较短，一般输送半径不大于30米，压浆管管径为64mm，排浆管管径为51mm。
(3)输送量：每台压浆机组额定工程量，单幅100m即20块，每班工作有效施压时间按4h计，则压浆机每小时机材料输送量应大于1.5m3,采用3m3/h输送量的压浆泵。
2、灰浆搅拌机的选择
灰浆搅拌机有两种功能，一是灰浆搅拌，二是灰浆储存，且灰浆储存内设有搅拌轴以防止灰浆沉淀离析。该设备主要参数：工作效率6m3/h,搅拌轴转速70转/min。
(1)胀卡头：胀卡头是压浆工作的重要部件，它是压浆管与水泥混凝土板衔接的媒介。胀卡头选用最大外径107mm，内径为38mm。为使压降顺利进行，胀卡头的最小旋紧力矩不得小于120m。
(2)预埋法兰螺帽：用环氧树脂涂在螺帽外侧，埋入已钻好混凝土板孔内，一般可用普通镀锌钢管加工。螺帽长要小于板块厚度，钻孔的孔径要与螺帽外径相匹配，一般为4～5cm。施工时，可将压浆头插入预埋螺帽，旋紧不漏浆即可。
(二)工艺流程
跑道基层大面积灌浆加固的主要工序：施工准备→孔位放样→钻孔→灌浆→封孔→落锤弯沉测试→钻孔取芯。
(三)灌浆前准备
检查压浆泵、发电机组各连接部件是否紧固，供电线路、电器是否工作正常，润滑部位液面是否足够。压浆管路及胀卡头是否完整有效。
彻底排清砂浆搅拌机的积水及残留物。机组水箱、钻孔机水箱是否加满水。
根据各版块的弯沉值和损坏的具体情况，确定需灌浆加固的水泥混凝土板及范围。
(四)放样和钻孔
板间孔位与相邻板孔位均匀布设，每块板5孔，布孔偏差不大于5cm。使用Φ50毫米的钻头钻孔，深度偏差不大于3cm。
施工时派技术人员根据不同板块尺寸在道面板上用粉笔划好点位，再由钻孔人员钻孔，钻孔中对于钻孔钻杆的固定，用自制的脚踏板铁鞋固定，钻孔到一定深度后与钻杆脱离，固定效果良好，操作安全方便，提高了效率。
在不停航的条件下，不能影响第二天的飞机起降正常运行。
钻机自身具备吹孔功能，吹孔时间30秒～60秒，吹净孔底灰渣后，清扫孔口及道面灰渣。
在保证处理效果及其均匀性的前提下，注浆孔的布置应着重考虑以下两个重要因素：一是浆液的有效扩散半径；二是混凝土道面板块的形状和尺寸，应尽可能保证每块道面板各部位受力均匀。
浆钻孔机放置在确定的钻孔位置，开动钻机开关，观察钻头转向无误，并有水流出，方能开始钻孔。
钻孔前确保孔位避开预埋电线或地下管线。为提高灌浆加固效果，钻孔及吹孔均超前1～2d进行。这不仅大大提高钻进工效，利于通孔，同时可避免湿钻造成冲洗液对上基层的湿化。
孔的直径应略大于灌浆的喷咀直径，孔的深度应穿过混凝土板，钻入稳定的基层1～3cm。
用海绵块将钻孔的积水吸出，并用空压机清除板下杂物，形成空脱，以利浆体的分布和粘结。
将胀卡头牢固的安装在钻孔上。
(五)砂浆制备
跑道基层大面积灌浆加固工程解决的主要技术问题是浆液原材料的选择和浆液的配比，它关系到基层的可灌性和灌浆后强度的提高程度和经济性。
1、原材料的选择
(1)水泥：为了提高浆体的早期强度，选用42.5级硅酸盐水泥。
(2)粉煤灰：选用干排Ⅱ级粉煤灰。
(3)砂：砂的加入不仅可以提高浆体强度，减少其收缩，同时可降低水泥用量；选用细度模数为1.21特细砂，最大粒径小于0.6mm，含泥量小于1%。
(4)早强剂：添加适量的早强剂（主要成分为无水Na2SO4）。
(5)减水剂：采用XP-Ⅱ型高效减水剂。
(6)膨胀剂：采用UEA型膨胀剂。
(7)水：采用饮用水。
2、灌浆材料的配制
灌浆材料参考配合比（见下表）
组成材料 水泥 粉煤灰 砂 早强剂 减水剂 膨胀剂 水
配合比 组成比例 100 50 60 1.5 1 10 60
单位体积用量（kg/m3） 707 354 424 10.61 7.07 71 424
(1)根据所需灌注的体积、浆体配合比及施工速度、称取各种材料。
(2)开动砂浆搅拌机，早水中加入减水剂和早强剂，并将水泥、粉煤灰、砂、膨胀剂倒入灌浆机的搅拌桶中，先干拌均匀，然后再加入已溶有减水剂、早强剂的水，并不断搅拌5～10min形成均匀浆体。
(3)配置好的浆体，应在30min内使用，并且施工过程中应不停搅拌，中途不得停机。
(4)浆液运至现场以后，通过运浆车内泥浆泵抽至灌浆车储浆罐内，通过储浆罐内的搅拌功能进行搅拌，以防止浆液分层离析，减缓灌浆前的初凝速度，确保施工顺利和工程质量。
(六)灌浆作业
(1)灌浆方式。采用孔内填压，孔口循环灌浆法（其孔口装置包括：进、回浆管及装在回浆管路上的压力表、专用灌浆橡塞）等。使浆液在孔段中始终保持流动状态，减少浆液沉淀，便于排气、排水，以提高灌浆质量。
深层注浆法：灌浆深度分为两层，下层深度60cm（即基层以下），上层深度随道面板厚度的变化而变化，即跑道中心线两侧各3块板上层深度27cm；中心线两侧第四块板上层深度22～27cm；跑道最外侧板上层深度22cm。灌浆顺序先灌下层，然后提升至上层。
浅层注浆法：直接在上层深度27cm（边部减薄部分22cm）即道面板以下注浆。
(2)灌浆顺序。为了提高灌浆效果，减少灌浆过量流失，先灌周边孔；再灌中间孔，即用围、挤、压的灌浆方式，周边板块均超前灌注2～3块。如初始灌浆时发现挤出地下水，应从跑道或平滑的中心线开始灌浆，以利于排出基层中的积水。
(3)按规范要求的位置放置标尺，通过水准仪将标尺标高测定到同一高度，开始灌浆，同时用水准仪观察标尺读数变化，对道面抬升量进行监测。
(4)启动灌浆机，将压力泵的压力均匀增加到1.0Mpa进行灌浆。待浆体由其他孔中或边板挤出时，表明板下空隙已被灌满。
(5)当灌浆压力或抬升量达到设计要求后停止灌浆，关闭灌浆泵，为防止浆液回流，同时关闭灌浆枪上截门。待浆液压力消散后拔出灌浆枪，并迅速用特制封浆塞进行封浆，以防止浆液由于灌注其他板块而外溢并，保持与原道面表面齐平，确保飞行安全。
(6)拆除灌浆管时，为防止残余浆液污染道面，灌浆枪下放置一小桶，待管内残余浆量流尽后，接至下一注浆板块灌浆。
(七)灌浆控制
灌浆时严格控制灌浆压力和流量，并进行不间断跟踪监测。道面抬升量是灌浆加固重要的控制指标，直接影响灌浆质量。施工时必须严格执行技术要求中的控制指标，利用水准仪和自制专用的标尺对道面的抬高量按设计要求进行控制，真实记录数据，保证灌浆质量。
为保证道面的平整度及道面板企口不至于损坏，应对灌浆压力进行控制，施工时灌浆压力不大于1.0MPa。灌浆过程中，道面板允许抬高量要求不大于5mm。最终回落后道面板允许抬高量要求不大于3mm。
灌浆压力维持的时间应从三方面控制：灌浆压力保持在一定的数值时灌浆量不再增加，可以停止灌浆；灌浆时道面板出现大量的溢浆，应停止灌浆；道面板抬升大于5mm，应停止灌浆。
单孔注浆次数原则上分两次注浆，第一次注浆后应提起注浆管10～15厘米，待道面板注浆压力消散后进行二次注浆，两次注浆间隔时间不少于5分钟。
当板块突发异常抬升，板块之间的错台量已影响到飞行的安全，必须采取紧急措施，在该板块上实施开孔、压重的方式释放注入的浆液，尽可能使板块复道面清理。
灌浆的结束标准。当压力达到0.6MPa时则以道面板高程上抬≤3mm作为控制指标。只有当二者均在标准以下，才以灌浆量（单孔平均应≥0.5m3）及灌浆时间来控制。
(八)道面清理
在施工过程中实行边施工边清扫，即减轻工后清扫工作量，又有利于处理紧急情况。每日施工结束后，再次对现场进行全面认真彻底清理，在灌浆区域和通道上采用消防水车冲洗，不留任何残余浆液或杂物，保障飞行安全。
三、加固效果测试
(1)基层综合反应模量K和地基回弹模量E的测定。本次对基层手摆片石大面积灌浆，目的是提高基础承载力。如何进行定量的评价，按设计要求，主要是基层综合反应模量K≥8kg/cm3和地基回弹模量E≥250MPa。为此应用落锤弯沉仪对加固效果进行了综合测定。其基本原理是：分别采用K地基模量和E地基回弹模量，用有限元法计算道面在荷载作用下的应力与挠度，并编程；再用反算程序，即先假定一个模量值，然后计算最大挠度值，再通过连续迭代过程，比较计算挠度与实测挠度，使两者误差达到允许范围。连续迭代公式为：
这种迭代办法可以根据每次计算的误差调整迭代步长，当误差大时，迭代步长也大，当误差小时迭代步长也小。由此可加快迭代速度。落锤弯沉仪需进行室内标定，用室内模型板使承载板测定与落锤弯沉仪测定反算结果基本一致，两者误差在4%～8%之间，这样的误差完全能满足工程要求。
通过7d后用落锤弯沉仪对395块板进行测算（占全部加固道面板15%）结果为：K值为17.5～26.1kg/cm3，均值为24.318kg/cm3；E值为453.1～609.8MPa，均值为607.4MPa。以保证率85%计，则K85=16.63kg/cm3，E85=451.6MPa；以保证率90%计，则K90=14.78kg/cm3，E90=414.2MPa。并对其中43个点28d龄期后进行了测算，结果K值提高了22%～30%，E值提高了19%。
(2)静力触探是一种精度较高的定量检测方法，它是通过注浆前后的静探比贯入阻力的变化，来判断注浆效果，它具有连续、快速、精确的特点。特别适用于检验人工填土的密度及地基加固效果。机场跑道静探检测按注浆前每块道面板布设静探检测孔2个，注浆后静探检测，在注浆施工孔结束14d后进行。预留的检测孔布设在注浆孔有效影响半径范围以内，按相关经验取0.8～1.0米，并与施工前的静探测试孔位基本一致。
对机场的跑道基础可以采用灌浆的方法进行加固以提高其承载能力。同时通过适当调配浆液的配比及合理安排施工顺序,可以在保证飞机不停飞的情况下完成施工。注浆施工后用425#水泥封堵注浆孔,并在次日用乳化沥青加5～15mm粒径的碎石封孔,证明是有效的,不会对飞机起降形成威胁。
四、结束语
水泥灌浆技术在机场水泥混凝土跑道道面不停航条件下大面积加固的应用是成功的。对我国现存大中型机场水泥混凝土道面或道路干线的级配碎（砾）石或手摆片石等粒料型基层，通过水泥灌浆加固，提高地基各种模量，减小道（路）面上进行沥青混凝土柔性加盖结构厚度，或通过灌浆恢复面板与基层顶面的局部脱空，改善了板底原有受力状态，提高了基层的水稳定性，避免或解决出现脱空，唧泥等疵病具有参考意义。
