Резонансное виброразрушение - эффективная технология реконструкции цементобетонных покрытий ВПП аэродромов

Б.П.Мамонтов, замначальника отдела объектов транспортного комплекса Главгосэкспертизы России; А.А.Клюева, главный специалист; В.Г.Иванов, главный инженер ФГУП ПИиНИИ ВТ «Ленаэропроект»

Главгосэкспертизой России рассмотрена документация «Обоснования инвестиций в реконструкцию покрытий взлетно-посадочной полосы с заменой светосигнального оборудования в международном аэропорту «Воронеж».

Заказчик - ОАО «Авиакомпания «Воронежавиа», генпроектировщик - «Проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт воздушного транспорта «Ленаэропроект».

Аэропорт «Воронеж» расположен в 18 км севернее г.Воронеж. Аэродром аэропорта имеет в составе одну ИВПП размером 2300´49 м. Укрепленные участки перед торцами ИВПП отсутствуют. Высота над уровнем моря составляет +156,7 м.

Аэродром «Воронеж» соответствует классу «В» по классификации НГЭА, имеет в своем составе летную полосу габаритами 2600´300 м (спланированная часть ЛП - 2600´140 м) с искусственной взлетно-посадочной полосой, рулежные дорожки (МРД, РД-1, РД-2, РД-3 и РД-4), перрон и места стоянок.

Аэродром предназначен для эксплуатации ВС: Ту-154, Ил-76 (с ограничениями 2 самолето-вылета в неделю); Як-42, Ан-12 (10 самолето-вылетов в сутки); Ту-134, Ан-24, Як-40, Вае-125-700, -800, SAAB-2000 (без ограничений); вертолетов всех типов в дневное и ночное время всего года. Аэродром некатегорирован.

Покрытие взлетно-посадочной полосы выполнено из цементобетонных плит размером 5´3,5 м, толщиной 025-0,27 м на искусственном основании из промежуточного грунтового слоя (ПГС) мощностью 0,25 м. Поперечные швы - ложные со штыревыми соединениями, продольные - шпунтовые; швы расширения со штыревыми соединениями выполнены через каждые 200 м. К ИВПП с обеих сторон примыкают лотковые ряды из цементобетона на основании из ПГС шириной 3 м, толщиной 0,18 м с установленными в них дождеприемными колодцами.

Радиус кривизны поверхности на отдельных участках ИВПП в продольном направлении составляет 10000 м, что не соответствует нормам для аэродрома класса «В».

Вдоль полосы с обеих сторон имеются закромочный дренаж и коллекторы для отвода воды за пределы аэродрома.

Международный аэропорт «Воронеж» является подведомственным предприятием Окружного управления воздушного транспорта Росавиации, обеспечивает авиационные перевозки пассажиров, почты и различных грузов на внутренних и международных авиалиниях.

Основные объемы (около 60%) воздушно-транспортных работ осуществляются базовой авиакомпанией ЗАО «АК Полет» на ВС типа SB-20 (Saab-2000) и Ан-24, а также другими авиакомпаниями на ВС типов Як-42, Як-40, Ту-134.

На территории аэропорта взлет и посадку ВС, их авиабезопасность и техническое обслуживание, коммерческое обслуживание пассажиров, багажа, почты, грузов обеспечивает ОАО «Авиакомпания «Воронежавиа».

С 2004 г. на внутренних авиалиниях и с 2005 г. на международных отмечается значительный рост объемов авиаперевозок (см. табл.).

Таблица

 

Площадка строительства находится в центральной части Восточно-Европейской равнины, в бассейне среднего течения Дона. Климат района умеренно континентальный. Осадки (550-560 мм в год) приходятся в основном на весенне-летний период. Абсолютная минимальная температура воздуха - минус 37°С, абсолютная максимальная - плюс 38°С, средняя максимальная температура воздуха наиболее теплого месяца - плюс 25,9°С. Средняя месячная относительная влажность воздуха наиболее холодного месяца - 83%, наиболее жаркого - 66%. Безморозный период 138 - 148 дней.

Возможная скорость ветра один раз в 5 лет может достигать значения 21 м/с, один раз в 20 лет - 24 м/с.

В геолого-литологическом строении до разведанной глубины 6 м представлены современные техногенные отложения, образованные насыпными суглинками и песками средней крупности мощностью 0,4 - 1,7 м, и среднечетвертичные флювиогляциальные суглинки тяжелые пылеватые, супеси песчанистые, пески пылеватые, мелкие и средней плотности мощностью 3 - 4 м.

По относительной величине деформации пучения суглинки, супеси и пески пылеватые относятся к сильнопучинистым грунтам, а пески мелкие и средней крупности - к слабопучинистым.

В материалах обследования 2000 г. отмечено наличие поверхностного и глубокого очагового шелушения, сколов кромок и углов плит. При этом состояние покрытий ИВПП охарактеризовано как стадия «очень сильной дефектности». Дополнительное визуальное обследование, выполненное в октябре 2006 г., показало нарастание количества дефектов, состояние покрытия оценено как «очень сильная степень дефектности, близкая к критической». Тенденция увеличения числа дефектов и неудовлетворительное состояние покрытий свидетельствуют о снижении уровня безопасности на аэродроме и необходимости его срочной реконструкции. Обследование водосточно-дренажной сети показало, что состояние имеющихся конструктивных элементов не обеспечивает необходимый водный режим основания покрытий ИВПП:

подлотковый дренаж засорен и не работает; лотковые ряды и большинство оголовков ДК практически разрушены; тальвежные колодцы засыпаны скошенной травой, идет их задернение; часть колодцев заполнена водой; смотровые колодцы находятся под землей; около 25% колодцев заилено и заполнено водой. В связи с этим до начала восстановительных работ по искусственным покрытиям необходимо выполнить реконструкцию лотково-дренажной системы и сети коллекторов.

Целью проведенной генпроектировщиком работы является улучшение основных технических характеристик летной полосы аэродрома «Воронеж» для обеспечения безопасности выполнения взлетно-посадочных операций.

 

 

Планировочные решения элементов аэродрома приняты в соответствии с требованиями отечественных нормативных документов, а также с учетом стандартов и рекомендаций ИКАО. В соответствии с заданием на проектирование и на основе выполненной оценки геометрических параметров, несущей способности и эксплуатационно-технического состояния аэродромных покрытий, состояния ВДС в обосновании инвестиций (ОИ) предусматриваются: реконструкция искусственных покрытий ИВПП; устройство укрепленных участков перед торцами ИВПП; строительство покрытий разворотной площадки и участка сопряжения РД-4; реконструкция водосточно-дренажной сети.

Геометрические параметры элементов аэродрома запроектированы в соответствии с требованиями НГЭА, предъявляемыми к аэродромам класса «В», что позволяет эксплуатировать самолеты с индексом 6. Габариты ИВПП приняты 2300´45 м. Вдоль кромок искусственных покрытий ВПП устраиваются обочины шириной 4 м в виде открытых лотков; укрепленные участки перед торцами ИВПП предусмотрены шириной 45 м, длиной 50 м.

Для увеличения располагаемых дистанций взлета и посадки в перспективе планировочными решениями предусмотрена возможность удлинения ИВПП и МРД на 100 м в обоих направлениях.

Поскольку существующие цементобетонные аэродромные покрытия эксплуатируются более 37 лет без капитального ремонта, а степень дефектности покрытий делает неэффективным их восстановление методом выборочного ремонта, признано целесообразным устройство нового слоя покрытия поверх существующей конструкции.

 

 

При выборе конструкции усиления аэродромных покрытий в материалах ОИ рассмотрены 2 варианта и проведено сравнение эффективности предлагаемых решений.

Устройство покрытий по варианту 1 - монолитный армобетон толщиной 0,22 м, который по существующему покрытию укладывается на выравнивающий слой из щебня фракции 10-20 мм, укрепленный пескоцементом.

Устройство покрытий по варианту 2 - двухслойный асфальтобетон плотный из горячей щебеночной смеси марки I толщиной - 0,08 м и 0,06 м укладывается на выравнивающий слой из щебня фракции 10 - 20 мм, укрепленный пескоцементом способом смешения, поверх существующего цементобетонного покрытия, предварительно разрушенного методом виброрезонансного воздействия с применением специальных вибромолотов RB-500 компании Resonant Machines, Inc (США); при этом конструкция аэродромной одежды будет относиться к нежесткому типу в отличие от варианта 1.

 

 

Наиболее эффективным признан вариант 2.

Технология виброрезонансного разрушения старого цементобетонного покрытия автодорог и ВПП аэродромов позволяет эффективно раздробить покрытие с приданием ему конфигурации «мозаичной картинки», не нарушая прочностных характеристик нижних слоев основания и инженерных коммуникаций. При этом получают слой дробленого материала с более высокими характеристиками, чем слой щебня подобранного состава, устраиваемый по стандартной технологии, кроме того, получается более надежное основание для нового слоя асфальтобетонного покрытия ВПП.

Поскольку при виброразрушении используются высокочастотные колебания низкой амплитуды, эта технология позволяет избежать появления в новом асфальтобетонном слое отраженных трещин, улучшает сцепление, предотвращает скопление влаги в пустотах, устраняет выбоины и неровности на поверхности покрытия.

Практика применения на объектах России и Республики Беларусь подтвердила преимущества технологии виброразрушения покрытий, в частности:

в 1,5 - 3 раза увеличивается эффективность распределения нагрузок по сравнению с использованием щебеночного слоя (даже с минимальной пустотностью);

 

 

сохраняется монолитность нижележащих слоев основания;

возможно выполнение укатки слоя разрушенного покрытия высокочастотным низкоамплитудным виброкатком с гладким стальным барабаном;

реконструкция с виброразрушением требует в несколько раз меньше времени, чем обычный ремонт, и дешевле на 25 - 30%;

снижается толщина нового слоя асфальтобетона;

обеспечивается эффективный дренаж покрытия и краевой дренаж.

 

По расчетам генпроектировщика, после реконструкции покрытий несущая способность ИВПП будет соответствовать классификационному числу PCN 44/F/D/Y/T что обеспечит возможность эксплуатации расчетных типов ВС без ограничений.

При эксплуатации реконструированных сооружений на территории летного поля основными источниками выбросов вредных веществ являются ВС и спецавтотранспорт, осуществляющий обслуживание взлетной полосы и светосигнального оборудования.

Основными источниками выделения загрязняющих веществ в атмосферу при строительстве являются строительная техника и автотранспортные средства, находящиеся на участках производства строительных работ.

При технологии виброразрушения и последующей эксплуатации ИВПП объемы выбросов загрязняющих веществ значительно уменьшаются в связи с отсутствием необходимости перемещать большие массы материалов разрушаемых слоев и уменьшения объемов ремонтно-эксплуатационных работ по ликвидации дефектов покрытия.

Расчет рассеивания вредных веществ в атмосфере на период строительства и эксплуатации объекта выявил максимальные приземные концентрации загрязняющих веществ на границе предприятия и жилой застройки - все они не превышают предельно-допустимых.

Водоотведение с реконструируемых искусственных покрытий и грунтовых участков ЛП решено с учетом гидрологических условий местности, наличия существующей водосточной системы и ее состояния.

Отвод поверхностных вод с искусственных покрытий ВПП предлагается осуществить путем создания открытых лотков шириной 4 м, вдоль кромок ИВПП с обеих сторон с устройством дождеприемных колодцев.

Отвод поверхностных вод с грунтовых участков ЛП выполняется за счет организации рельефа поверхности, создания продольных и поперечных уклонов от искусственных покрытий. При реконструкции дренажных систем учитывается высокая дренирующая способность слоя покрытия, подвергшегося виброрезонансному разрушению.

С учетом выполненных генпроектировщиком корректировок и дополнений материалы «Обоснование инвестиций в реконструкцию покрытий взлетно-посадочной полосы с заменой светосигнального оборудования в международном аэропорту «Воронеж» рекомендованы Главгосэкспертизой России для дальнейшей разработки проектной документации со следующими показателями:

класс аэродрома - «В» по НГЭА, «4Д» по ИКАО;

габариты ИВПП - 2300´45 м;

тип расчетного воздушного судна - Ту-154, Ту-134, Ил-76;

расчетная нагрузка и несущая способность покрытий по СНиП 32-03-96 - II, 550 кН на основную (условную) опору ВС;

общая площадь реконструкции (усиления) ИВПП двухслойным асфальтобетоном - 105,3 тыс. м².

Примером реализации технологии резонансного виброразрушения может служить проект института «Ленаэропроект» по реконструкции взлетно-посадочной полосы (ИВПП № 1) аэропорта «Пулково» в Санкт-Петербурге, рассмотрение которого завершается в Главгосэкспертизе России.

Решение института об использовании метода виброрезонансного разрушения одобрено государственным заказчиком ФГУ «Ространсмодернизация» на совещании по данному вопросу с широким привлечением специалистов различных институтов.

Было принято решение:

разобрать верхний слой покрытия и переработать его на дробильно-сортировочном комплексе с получением на выходе щебня марок С-4 либо С-6 (0 - 40 мм);

провести виброрезонансное разрушение нижнего слоя искусственного покрытия, используя его в дальнейшем в качестве дополнительной щебеночной прослойки с более высоким модулем деформации, чем у существующего щебеночного основания;

поверх разрушенного нижнего слоя уложить слой тощего бетона толщиной 25 см, полученного с использованием щебня из разрушенного верхнего слоя покрытия, для чего задействовать установку типа «Recycler-2500» для введения цемента (6 - 8%) и воды по специальной технологии;

устроить верхний слой покрытия из цементобетонных плит размером 7,5´7,5 м толщиной до 30 см, армированных по контуру.

Комплекс планируемых мероприятий предусматривает: первоочередную полномасштабную реконструкцию водосточно-дренажной сети (ВДС); включение в работу существующего основания нового конструктивного слоя из раздробленного цементобетонного покрытия; поднятие верха нового покрытия над поверхностью существующего на 30 см, что позволит улучшить условия работы нового покрытия и обеспечить дополнительную стабильность основания.

Можно предполагать, что с поднятием верха нового покрытия и эффективной работой новой ВДС граница промерзания грунтов основания поднимется выше, что повысит пучиностойкость конструкции в целом.

Предложенная конструкция покрытия позволит применить современные технологии при ее возведении и сократить сроки работ.

Бюллетень строительной техники № 9, 2007 г.