水泥灌漿在機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面加固中的應(yīng)用
2015-03-24
引言：
目前我國(guó)已經(jīng)建成近183個(gè)民航機(jī)場(chǎng)，場(chǎng)道鋪筑面積達(dá)到了5000多萬(wàn)平方米，其中既有長(zhǎng)期使用的老機(jī)場(chǎng)，也有新建、改擴(kuò)建不久的新機(jī)場(chǎng)，這些機(jī)場(chǎng)絕大部分是水泥混凝土道面，而且大多數(shù)機(jī)場(chǎng)只有一條跑道。隨著城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的提高和旅游業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，機(jī)場(chǎng)的吞吐量在不斷增長(zhǎng)，同時(shí)隨著機(jī)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(lái)越嚴(yán)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(jī)場(chǎng)的飛行條件，提高安全保障性能，在滿(mǎn)足機(jī)場(chǎng)不停航安全運(yùn)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(duì)跑道基層進(jìn)行加固，將粒料類(lèi)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(jī)場(chǎng)是云南省第二大支線機(jī)場(chǎng)，是云南省重要的支線機(jī)場(chǎng)，機(jī)場(chǎng)跑道長(zhǎng)2500m。麗江機(jī)場(chǎng)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(jī)場(chǎng)客貨吞吐量和飛機(jī)起降架次的迅速增長(zhǎng)以及運(yùn)行機(jī)型的逐漸增大，機(jī)場(chǎng)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(jī)場(chǎng)集團(tuán)有限責(zé)任公司于2006年2月委托中國(guó)民航機(jī)場(chǎng)建設(shè)集團(tuán)公司科研基地對(duì)麗江機(jī)場(chǎng)跑道進(jìn)行了全面檢測(cè)。通過(guò)詳細(xì)的道面檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：麗江機(jī)場(chǎng)跑道存在嚴(yán)重的道面基礎(chǔ)脫空，相對(duì)于目前運(yùn)行的機(jī)型來(lái)看道面的承載能力略顯不足。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，建議應(yīng)及時(shí)對(duì)麗江機(jī)場(chǎng)跑道道面基礎(chǔ)進(jìn)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(cè)結(jié)果及建議，云南機(jī)場(chǎng)集團(tuán)有限責(zé)任公司及時(shí)組織了麗江機(jī)場(chǎng)跑道的灌漿試驗(yàn)段工程，灌漿試驗(yàn)段范圍：跑道約18000平方米，分別位于自跑道南端（即跑道標(biāo)牌距離）50～100m、1100～1400m、2400～2450m。并于2007年1月對(duì)灌漿試驗(yàn)段進(jìn)行了道面彎沉檢測(cè)。試驗(yàn)及檢測(cè)結(jié)果表明：科研基地在第一次檢測(cè)過(guò)程中對(duì)麗江機(jī)場(chǎng)跑道存在嚴(yán)重脫空的判定是正確的，灌漿試驗(yàn)段取得了良好的灌漿效果。通過(guò)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(yàn)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(jī)場(chǎng)的正常營(yíng)運(yùn)和飛行安全。
二、灌漿施工技術(shù)
機(jī)場(chǎng)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(wèn)題，在提高基層剛度、穩(wěn)定性的同時(shí)，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(jī)、脹卡頭、水箱和發(fā)電機(jī)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(zhǎng)短等因素來(lái)確定。水泥粉煤灰作為灌漿材料，壓漿泵的出始?jí)毫?.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(tái)壓漿機(jī)組額定工程量，單幅100m即20塊，每班工作有效施壓時(shí)間按4h計(jì)，則壓漿機(jī)每小時(shí)機(jī)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(jī)的選擇
灰漿攪拌機(jī)有兩種功能，一是灰漿攪拌，二是灰漿儲(chǔ)存，且灰漿儲(chǔ)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(jìn)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(shù)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(zhǎng)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(shí)，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(zhǔn)備→孔位放樣→鉆孔→灌漿→封孔→落錘彎沉測(cè)試→鉆孔取芯。
(三)灌漿前準(zhǔn)備
檢查壓漿泵、發(fā)電機(jī)組各連接部件是否緊固，供電線路、電器是否工作正常，潤(rùn)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(jī)的積水及殘留物。機(jī)組水箱、鉆孔機(jī)水箱是否加滿(mǎn)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(shí)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(diǎn)位，再由鉆孔人員鉆孔，鉆孔中對(duì)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(jī)起降正常運(yùn)行。
鉆機(jī)自身具備吹孔功能，吹孔時(shí)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(gè)重要因素：一是漿液的有效擴(kuò)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(jī)放置在確定的鉆孔位置，開(kāi)動(dòng)鉆機(jī)開(kāi)關(guān)，觀察鉆頭轉(zhuǎn)向無(wú)誤，并有水流出，方能開(kāi)始鉆孔。
鉆孔前確?？孜槐荛_(kāi)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(jìn)行。這不僅大大提高鉆進(jìn)工效，利于通孔，同時(shí)可避免濕鉆造成沖洗液對(duì)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(guò)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(jī)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(wèn)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(qiáng)度的提高程度和經(jīng)濟(jì)性。
1、原材料的選擇
(1)水泥：為了提高漿體的早期強(qiáng)度，選用42.5級(jí)硅酸鹽水泥。
(2)粉煤灰：選用干排Ⅱ級(jí)粉煤灰。
(3)砂：砂的加入不僅可以提高漿體強(qiáng)度，減少其收縮，同時(shí)可降低水泥用量；選用細(xì)度模數(shù)為1.21特細(xì)砂，最大粒徑小于0.6mm，含泥量小于1%。
(4)早強(qiáng)劑：添加適量的早強(qiáng)劑（主要成分為無(wú)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(jiàn)下表）
組成材料 水泥 粉煤灰 砂 早強(qiáng)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(chēng)取各種材料。
(2)開(kāi)動(dòng)砂漿攪拌機(jī)，早水中加入減水劑和早強(qiáng)劑，并將水泥、粉煤灰、砂、膨脹劑倒入灌漿機(jī)的攪拌桶中，先干拌均勻，然后再加入已溶有減水劑、早強(qiáng)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(guò)程中應(yīng)不停攪拌，中途不得停機(jī)。
(4)漿液運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)以后，通過(guò)運(yùn)漿車(chē)內(nèi)泥漿泵抽至灌漿車(chē)儲(chǔ)漿罐內(nèi)，通過(guò)儲(chǔ)漿罐內(nèi)的攪拌功能進(jìn)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(jìn)、回漿管及裝在回漿管路上的壓力表、專(zhuān)用灌漿橡塞）等。使?jié){液在孔段中始終保持流動(dòng)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(guò)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(shí)發(fā)現(xiàn)擠出地下水，應(yīng)從跑道或平滑的中心線開(kāi)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(biāo)尺，通過(guò)水準(zhǔn)儀將標(biāo)尺標(biāo)高測(cè)定到同一高度，開(kāi)始灌漿，同時(shí)用水準(zhǔn)儀觀察標(biāo)尺讀數(shù)變化，對(duì)道面抬升量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
(4)啟動(dòng)灌漿機(jī)，將壓力泵的壓力均勻增加到1.0Mpa進(jìn)行灌漿。待漿體由其他孔中或邊板擠出時(shí)，表明板下空隙已被灌滿(mǎn)。
(5)當(dāng)灌漿壓力或抬升量達(dá)到設(shè)計(jì)要求后停止灌漿，關(guān)閉灌漿泵，為防止?jié){液回流，同時(shí)關(guān)閉灌漿槍上截門(mén)。待漿液壓力消散后拔出灌漿槍?zhuān)⒀杆儆锰刂品鉂{塞進(jìn)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(shí)，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(shí)嚴(yán)格控制灌漿壓力和流量，并進(jìn)行不間斷跟蹤監(jiān)測(cè)。道面抬升量是灌漿加固重要的控制指標(biāo)，直接影響灌漿質(zhì)量。施工時(shí)必須嚴(yán)格執(zhí)行技術(shù)要求中的控制指標(biāo)，利用水準(zhǔn)儀和自制專(zhuān)用的標(biāo)尺對(duì)道面的抬高量按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行控制，真實(shí)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(duì)灌漿壓力進(jìn)行控制，施工時(shí)灌漿壓力不大于1.0MPa。灌漿過(guò)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(shí)間應(yīng)從三方面控制：灌漿壓力保持在一定的數(shù)值時(shí)灌漿量不再增加，可以停止灌漿；灌漿時(shí)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(jìn)行二次注漿，兩次注漿間隔時(shí)間不少于5分鐘。
當(dāng)板塊突發(fā)異常抬升，板塊之間的錯(cuò)臺(tái)量已影響到飛行的安全，必須采取緊急措施，在該板塊上實(shí)施開(kāi)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(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)壓力達(dá)到0.6MPa時(shí)則以道面板高程上抬≤3mm作為控制指標(biāo)。只有當(dāng)二者均在標(biāo)準(zhǔn)以下，才以灌漿量（單孔平均應(yīng)≥0.5m3）及灌漿時(shí)間來(lái)控制。
(八)道面清理
在施工過(guò)程中實(shí)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行全面認(rèn)真徹底清理，在灌漿區(qū)域和通道上采用消防水車(chē)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(cè)試
(1)基層綜合反應(yīng)模量K和地基回彈模量E的測(cè)定。本次對(duì)基層手?jǐn)[片石大面積灌漿，目的是提高基礎(chǔ)承載力。如何進(jìn)行定量的評(píng)價(jià)，按設(shè)計(jì)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(duì)加固效果進(jìn)行了綜合測(cè)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(jì)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(gè)模量值，然后計(jì)算最大撓度值，再通過(guò)連續(xù)迭代過(guò)程，比較計(jì)算撓度與實(shí)測(cè)撓度，使兩者誤差達(dá)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(jì)算的誤差調(diào)整迭代步長(zhǎng)，當(dāng)誤差大時(shí)，迭代步長(zhǎng)也大，當(dāng)誤差小時(shí)迭代步長(zhǎng)也小。由此可加快迭代速度。落錘彎沉儀需進(jìn)行室內(nèi)標(biāo)定，用室內(nèi)模型板使承載板測(cè)定與落錘彎沉儀測(cè)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(mǎn)足工程要求。
通過(guò)7d后用落錘彎沉儀對(duì)395塊板進(jìn)行測(cè)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(jì)，則K85=16.63kg/cm3，E85=451.6MPa；以保證率90%計(jì)，則K90=14.78kg/cm3，E90=414.2MPa。并對(duì)其中43個(gè)點(diǎn)28d齡期后進(jìn)行了測(cè)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(cè)方法，它是通過(guò)注漿前后的靜探比貫入阻力的變化，來(lái)判斷注漿效果，它具有連續(xù)、快速、精確的特點(diǎn)。特別適用于檢驗(yàn)人工填土的密度及地基加固效果。機(jī)場(chǎng)跑道靜探檢測(cè)按注漿前每塊道面板布設(shè)靜探檢測(cè)孔2個(gè)，注漿后靜探檢測(cè)，在注漿施工孔結(jié)束14d后進(jìn)行。預(yù)留的檢測(cè)孔布設(shè)在注漿孔有效影響半徑范圍以?xún)?nèi)，按相關(guān)經(jīng)驗(yàn)取0.8～1.0米，并與施工前的靜探測(cè)試孔位基本一致。
對(duì)機(jī)場(chǎng)的跑道基礎(chǔ)可以采用灌漿的方法進(jìn)行加固以提高其承載能力。同時(shí)通過(guò)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(jī)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(huì)對(duì)飛機(jī)起降形成威脅。
四、結(jié)束語(yǔ)
水泥灌漿技術(shù)在機(jī)場(chǎng)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(duì)我國(guó)現(xiàn)存大中型機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面或道路干線的級(jí)配碎（礫）石或手?jǐn)[片石等粒料型基層，通過(guò)水泥灌漿加固，提高地基各種模量，減小道（路）面上進(jìn)行瀝青混凝土柔性加蓋結(jié)構(gòu)厚度，或通過(guò)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。
