水泥灌漿在機場水泥混凝土道面加固中的應(yīng)用
2015-03-24
引言：
目前我國已經(jīng)建成近183個民航機場，場道鋪筑面積達到了5000多萬平方米，其中既有長期使用的老機場，也有新建、改擴建不久的新機場，這些機場絕大部分是水泥混凝土道面，而且大多數(shù)機場只有一條跑道。隨著城市經(jīng)濟發(fā)展水平的提高和旅游業(yè)規(guī)模的擴大，機場的吞吐量在不斷增長，同時隨著機型的不斷增大，跑道原水泥混凝土道面隨著所承受的各種荷載的不斷增加其破損程度也越來越嚴重，甚至出現(xiàn)跑道基層存在一定程度的脫空現(xiàn)象。為了改善機場的飛行條件，提高安全保障性能，在滿足機場不停航安全運行要求的前提下，采取不破壞道面結(jié)構(gòu)的注漿加固方法先對跑道基層進行加固，將粒料類基礎(chǔ)的剛度提高,穩(wěn)定性、板體性得到改善,以減少道面不均勻沉降,為跑道瀝青混凝土加蓋工程提供條件。
一、工程概況
云南麗江機場是云南省第二大支線機場，是云南省重要的支線機場，機場跑道長2500m。麗江機場跑道道面結(jié)構(gòu)為：27cm水泥混凝土道面＋3cm石屑找平層＋30cm水泥穩(wěn)定碎石土基層，跑道500～2200m范圍內(nèi)道面板邊部厚度變?yōu)?2cm。隨著麗江機場客貨吞吐量和飛機起降架次的迅速增長以及運行機型的逐漸增大，機場道面出現(xiàn)了掉邊、掉角、斷板等病害，并且病害區(qū)域比較集中，發(fā)展迅速。為了了解病害出現(xiàn)的原因，云南機場集團有限責(zé)任公司于2006年2月委托中國民航機場建設(shè)集團公司科研基地對麗江機場跑道進行了全面檢測。通過詳細的道面檢測發(fā)現(xiàn)：麗江機場跑道存在嚴重的道面基礎(chǔ)脫空，相對于目前運行的機型來看道面的承載能力略顯不足。根據(jù)檢測結(jié)果，建議應(yīng)及時對麗江機場跑道道面基礎(chǔ)進行灌漿加固，以減緩道面的破壞，提高道面的綜合承載能力。
依據(jù)科研基地的道面檢測結(jié)果及建議，云南機場集團有限責(zé)任公司及時組織了麗江機場跑道的灌漿試驗段工程，灌漿試驗段范圍：跑道約18000平方米，分別位于自跑道南端（即跑道標牌距離）50～100m、1100～1400m、2400～2450m。并于2007年1月對灌漿試驗段進行了道面彎沉檢測。試驗及檢測結(jié)果表明：科研基地在第一次檢測過程中對麗江機場跑道存在嚴重脫空的判定是正確的，灌漿試驗段取得了良好的灌漿效果。通過灌漿基本消除了道面基礎(chǔ)中存在的脫空現(xiàn)象，提高了道面的綜合承載能力。灌漿后道面的破損速度明顯減緩。在灌漿試驗段完成，并取得較好的灌漿的效果后，不停航跑道基層施工的管理制度和措施,保證了機場的正常營運和飛行安全。
二、灌漿施工技術(shù)
機場水泥混凝土灌漿加固的重要意義：在基層與面層之間灌注泥漿，為道面瀝青蓋被提供條件，即提前解決水泥混凝土道面板下的脫空、斷板、基層碎裂等問題，在提高基層剛度、穩(wěn)定性的同時，提高水泥混凝土道面的承載力。
(一)設(shè)備選用
水泥混凝土道面面板的灌漿設(shè)備，主要是由壓漿泵、灰漿攪拌機、脹卡頭、水箱和發(fā)電機組等組成。
1、壓漿泵的選擇
(1)泵的壓力：壓漿泵的壓力應(yīng)根據(jù)灌漿材料的不同，管路的長短等因素來確定。水泥粉煤灰作為灌漿材料，壓漿泵的出始壓力為1.0Mpa。
(2)輸送管的管徑：由于輸送距離較短，一般輸送半徑不大于30米，壓漿管管徑為64mm，排漿管管徑為51mm。
(3)輸送量：每臺壓漿機組額定工程量，單幅100m即20塊，每班工作有效施壓時間按4h計，則壓漿機每小時機材料輸送量應(yīng)大于1.5m3,采用3m3/h輸送量的壓漿泵。
2、灰漿攪拌機的選擇
灰漿攪拌機有兩種功能，一是灰漿攪拌，二是灰漿儲存，且灰漿儲存內(nèi)設(shè)有攪拌軸以防止灰漿沉淀離析。該設(shè)備主要參數(shù)：工作效率6m3/h,攪拌軸轉(zhuǎn)速70轉(zhuǎn)/min。
(1)脹卡頭：脹卡頭是壓漿工作的重要部件，它是壓漿管與水泥混凝土板銜接的媒介。脹卡頭選用最大外徑107mm，內(nèi)徑為38mm。為使壓降順利進行，脹卡頭的最小旋緊力矩不得小于120m。
(2)預(yù)埋法蘭螺帽：用環(huán)氧樹脂涂在螺帽外側(cè)，埋入已鉆好混凝土板孔內(nèi)，一般可用普通鍍鋅鋼管加工。螺帽長要小于板塊厚度，鉆孔的孔徑要與螺帽外徑相匹配，一般為4～5cm。施工時，可將壓漿頭插入預(yù)埋螺帽，旋緊不漏漿即可。
(二)工藝流程
跑道基層大面積灌漿加固的主要工序：施工準備→孔位放樣→鉆孔→灌漿→封孔→落錘彎沉測試→鉆孔取芯。
(三)灌漿前準備
檢查壓漿泵、發(fā)電機組各連接部件是否緊固，供電線路、電器是否工作正常，潤滑部位液面是否足夠。壓漿管路及脹卡頭是否完整有效。
徹底排清砂漿攪拌機的積水及殘留物。機組水箱、鉆孔機水箱是否加滿水。
根據(jù)各版塊的彎沉值和損壞的具體情況，確定需灌漿加固的水泥混凝土板及范圍。
(四)放樣和鉆孔
板間孔位與相鄰板孔位均勻布設(shè)，每塊板5孔，布孔偏差不大于5cm。使用Φ50毫米的鉆頭鉆孔，深度偏差不大于3cm。
施工時派技術(shù)人員根據(jù)不同板塊尺寸在道面板上用粉筆劃好點位，再由鉆孔人員鉆孔，鉆孔中對于鉆孔鉆桿的固定，用自制的腳踏板鐵鞋固定，鉆孔到一定深度后與鉆桿脫離，固定效果良好，操作安全方便，提高了效率。
在不停航的條件下，不能影響第二天的飛機起降正常運行。
鉆機自身具備吹孔功能，吹孔時間30秒～60秒，吹凈孔底灰渣后，清掃孔口及道面灰渣。
在保證處理效果及其均勻性的前提下，注漿孔的布置應(yīng)著重考慮以下兩個重要因素：一是漿液的有效擴散半徑；二是混凝土道面板塊的形狀和尺寸，應(yīng)盡可能保證每塊道面板各部位受力均勻。
漿鉆孔機放置在確定的鉆孔位置，開動鉆機開關(guān)，觀察鉆頭轉(zhuǎn)向無誤，并有水流出，方能開始鉆孔。
鉆孔前確保孔位避開預(yù)埋電線或地下管線。為提高灌漿加固效果，鉆孔及吹孔均超前1～2d進行。這不僅大大提高鉆進工效，利于通孔，同時可避免濕鉆造成沖洗液對上基層的濕化。
孔的直徑應(yīng)略大于灌漿的噴咀直徑，孔的深度應(yīng)穿過混凝土板，鉆入穩(wěn)定的基層1～3cm。
用海綿塊將鉆孔的積水吸出，并用空壓機清除板下雜物，形成空脫，以利漿體的分布和粘結(jié)。
將脹卡頭牢固的安裝在鉆孔上。
(五)砂漿制備
跑道基層大面積灌漿加固工程解決的主要技術(shù)問題是漿液原材料的選擇和漿液的配比，它關(guān)系到基層的可灌性和灌漿后強度的提高程度和經(jīng)濟性。
1、原材料的選擇
(1)水泥：為了提高漿體的早期強度，選用42.5級硅酸鹽水泥。
(2)粉煤灰：選用干排Ⅱ級粉煤灰。
(3)砂：砂的加入不僅可以提高漿體強度，減少其收縮，同時可降低水泥用量；選用細度模數(shù)為1.21特細砂，最大粒徑小于0.6mm，含泥量小于1%。
(4)早強劑：添加適量的早強劑（主要成分為無水Na2SO4）。
(5)減水劑：采用XP-Ⅱ型高效減水劑。
(6)膨脹劑：采用UEA型膨脹劑。
(7)水：采用飲用水。
2、灌漿材料的配制
灌漿材料參考配合比（見下表）
組成材料 水泥 粉煤灰 砂 早強劑 減水劑 膨脹劑 水
配合比 組成比例 100 50 60 1.5 1 10 60
單位體積用量（kg/m3） 707 354 424 10.61 7.07 71 424
(1)根據(jù)所需灌注的體積、漿體配合比及施工速度、稱取各種材料。
(2)開動砂漿攪拌機，早水中加入減水劑和早強劑，并將水泥、粉煤灰、砂、膨脹劑倒入灌漿機的攪拌桶中，先干拌均勻，然后再加入已溶有減水劑、早強劑的水，并不斷攪拌5～10min形成均勻漿體。
(3)配置好的漿體，應(yīng)在30min內(nèi)使用，并且施工過程中應(yīng)不停攪拌，中途不得停機。
(4)漿液運至現(xiàn)場以后，通過運漿車內(nèi)泥漿泵抽至灌漿車儲漿罐內(nèi)，通過儲漿罐內(nèi)的攪拌功能進行攪拌，以防止?jié){液分層離析，減緩灌漿前的初凝速度，確保施工順利和工程質(zhì)量。
(六)灌漿作業(yè)
(1)灌漿方式。采用孔內(nèi)填壓，孔口循環(huán)灌漿法（其孔口裝置包括：進、回漿管及裝在回漿管路上的壓力表、專用灌漿橡塞）等。使?jié){液在孔段中始終保持流動狀態(tài)，減少漿液沉淀，便于排氣、排水，以提高灌漿質(zhì)量。
深層注漿法：灌漿深度分為兩層，下層深度60cm（即基層以下），上層深度隨道面板厚度的變化而變化，即跑道中心線兩側(cè)各3塊板上層深度27cm；中心線兩側(cè)第四塊板上層深度22～27cm；跑道最外側(cè)板上層深度22cm。灌漿順序先灌下層，然后提升至上層。
淺層注漿法：直接在上層深度27cm（邊部減薄部分22cm）即道面板以下注漿。
(2)灌漿順序。為了提高灌漿效果，減少灌漿過量流失，先灌周邊孔；再灌中間孔，即用圍、擠、壓的灌漿方式，周邊板塊均超前灌注2～3塊。如初始灌漿時發(fā)現(xiàn)擠出地下水，應(yīng)從跑道或平滑的中心線開始灌漿，以利于排出基層中的積水。
(3)按規(guī)范要求的位置放置標尺，通過水準儀將標尺標高測定到同一高度，開始灌漿，同時用水準儀觀察標尺讀數(shù)變化，對道面抬升量進行監(jiān)測。
(4)啟動灌漿機，將壓力泵的壓力均勻增加到1.0Mpa進行灌漿。待漿體由其他孔中或邊板擠出時，表明板下空隙已被灌滿。
(5)當(dāng)灌漿壓力或抬升量達到設(shè)計要求后停止灌漿，關(guān)閉灌漿泵，為防止?jié){液回流，同時關(guān)閉灌漿槍上截門。待漿液壓力消散后拔出灌漿槍，并迅速用特制封漿塞進行封漿，以防止?jié){液由于灌注其他板塊而外溢并，保持與原道面表面齊平，確保飛行安全。
(6)拆除灌漿管時，為防止殘余漿液污染道面，灌漿槍下放置一小桶，待管內(nèi)殘余漿量流盡后，接至下一注漿板塊灌漿。
(七)灌漿控制
灌漿時嚴格控制灌漿壓力和流量，并進行不間斷跟蹤監(jiān)測。道面抬升量是灌漿加固重要的控制指標，直接影響灌漿質(zhì)量。施工時必須嚴格執(zhí)行技術(shù)要求中的控制指標，利用水準儀和自制專用的標尺對道面的抬高量按設(shè)計要求進行控制，真實記錄數(shù)據(jù)，保證灌漿質(zhì)量。
為保證道面的平整度及道面板企口不至于損壞，應(yīng)對灌漿壓力進行控制，施工時灌漿壓力不大于1.0MPa。灌漿過程中，道面板允許抬高量要求不大于5mm。最終回落后道面板允許抬高量要求不大于3mm。
灌漿壓力維持的時間應(yīng)從三方面控制：灌漿壓力保持在一定的數(shù)值時灌漿量不再增加，可以停止灌漿；灌漿時道面板出現(xiàn)大量的溢漿，應(yīng)停止灌漿；道面板抬升大于5mm，應(yīng)停止灌漿。
單孔注漿次數(shù)原則上分兩次注漿，第一次注漿后應(yīng)提起注漿管10～15厘米，待道面板注漿壓力消散后進行二次注漿，兩次注漿間隔時間不少于5分鐘。
當(dāng)板塊突發(fā)異常抬升，板塊之間的錯臺量已影響到飛行的安全，必須采取緊急措施，在該板塊上實施開孔、壓重的方式釋放注入的漿液，盡可能使板塊復(fù)道面清理。
灌漿的結(jié)束標準。當(dāng)壓力達到0.6MPa時則以道面板高程上抬≤3mm作為控制指標。只有當(dāng)二者均在標準以下，才以灌漿量（單孔平均應(yīng)≥0.5m3）及灌漿時間來控制。
(八)道面清理
在施工過程中實行邊施工邊清掃，即減輕工后清掃工作量，又有利于處理緊急情況。每日施工結(jié)束后，再次對現(xiàn)場進行全面認真徹底清理，在灌漿區(qū)域和通道上采用消防水車沖洗，不留任何殘余漿液或雜物，保障飛行安全。
三、加固效果測試
(1)基層綜合反應(yīng)模量K和地基回彈模量E的測定。本次對基層手擺片石大面積灌漿，目的是提高基礎(chǔ)承載力。如何進行定量的評價，按設(shè)計要求，主要是基層綜合反應(yīng)模量K≥8kg/cm3和地基回彈模量E≥250MPa。為此應(yīng)用落錘彎沉儀對加固效果進行了綜合測定。其基本原理是：分別采用K地基模量和E地基回彈模量，用有限元法計算道面在荷載作用下的應(yīng)力與撓度，并編程；再用反算程序，即先假定一個模量值，然后計算最大撓度值，再通過連續(xù)迭代過程，比較計算撓度與實測撓度，使兩者誤差達到允許范圍。連續(xù)迭代公式為：
這種迭代辦法可以根據(jù)每次計算的誤差調(diào)整迭代步長，當(dāng)誤差大時，迭代步長也大，當(dāng)誤差小時迭代步長也小。由此可加快迭代速度。落錘彎沉儀需進行室內(nèi)標定，用室內(nèi)模型板使承載板測定與落錘彎沉儀測定反算結(jié)果基本一致，兩者誤差在4%～8%之間，這樣的誤差完全能滿足工程要求。
通過7d后用落錘彎沉儀對395塊板進行測算（占全部加固道面板15%）結(jié)果為：K值為17.5～26.1kg/cm3，均值為24.318kg/cm3；E值為453.1～609.8MPa，均值為607.4MPa。以保證率85%計，則K85=16.63kg/cm3，E85=451.6MPa；以保證率90%計，則K90=14.78kg/cm3，E90=414.2MPa。并對其中43個點28d齡期后進行了測算，結(jié)果K值提高了22%～30%，E值提高了19%。
(2)靜力觸探是一種精度較高的定量檢測方法，它是通過注漿前后的靜探比貫入阻力的變化，來判斷注漿效果，它具有連續(xù)、快速、精確的特點。特別適用于檢驗人工填土的密度及地基加固效果。機場跑道靜探檢測按注漿前每塊道面板布設(shè)靜探檢測孔2個，注漿后靜探檢測，在注漿施工孔結(jié)束14d后進行。預(yù)留的檢測孔布設(shè)在注漿孔有效影響半徑范圍以內(nèi)，按相關(guān)經(jīng)驗取0.8～1.0米，并與施工前的靜探測試孔位基本一致。
對機場的跑道基礎(chǔ)可以采用灌漿的方法進行加固以提高其承載能力。同時通過適當(dāng)調(diào)配漿液的配比及合理安排施工順序,可以在保證飛機不停飛的情況下完成施工。注漿施工后用425#水泥封堵注漿孔,并在次日用乳化瀝青加5～15mm粒徑的碎石封孔,證明是有效的,不會對飛機起降形成威脅。
四、結(jié)束語
水泥灌漿技術(shù)在機場水泥混凝土跑道道面不停航條件下大面積加固的應(yīng)用是成功的。對我國現(xiàn)存大中型機場水泥混凝土道面或道路干線的級配碎（礫）石或手擺片石等粒料型基層，通過水泥灌漿加固，提高地基各種模量，減小道（路）面上進行瀝青混凝土柔性加蓋結(jié)構(gòu)厚度，或通過灌漿恢復(fù)面板與基層頂面的局部脫空，改善了板底原有受力狀態(tài)，提高了基層的水穩(wěn)定性，避免或解決出現(xiàn)脫空，唧泥等疵病具有參考意義。
