《Infrastructures》：Influence of Horizontal Directional Drilling on Mechanical Properties of Airfield Pavements: An Integrated Study Based on Finite Element Modeling and Field Tests
Yun Sheng,
Wei Huang,
Xuedong Fang and
Yuxing Liu
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本研究探索了水平定向钻（HDD）技术新颖地应用于机场刚性道面导航照明改造中的结构安全性、力学响应和最优施工参数。研究人员采用三维有限元建模（FEM）与现场试验（全尺寸4C和4E类机场跑道段）相结合的研究方法。利用重锤式弯沉仪（HWD）实测数据验证了模型的可靠性
本研究探索了水平定向钻（HDD）技术新颖地应用于机场刚性道面导航照明改造中的结构安全性、力学响应和最优施工参数。研究人员采用三维有限元建模（FEM）与现场试验（全尺寸4C和4E类机场跑道段）相结合的研究方法。利用重锤式弯沉仪（HWD）实测数据验证了模型的可靠性。系统分析了钻深、钻孔位置以及典型飞机荷载对道面板底部应力和变形的影响。随后，在现场全尺寸试验段进行了钻孔、注浆和无损检测，以研究道面承载力的变化。结果表明：在板中或接缝处采用15 cm钻深可最小化对道面力学性能的影响；钻孔后道面刚度最大下降18.9%；根据现场注浆试验，大多数测点的脉冲刚度模量（ISM）可恢复至钻孔前的原始水平；使用10 cm直径的HDD钻具满足机场道面结构安全要求。与传统施工技术相比，HDD技术对道面造成的损伤和对机场跑道结构承载力的影响最小，突显了其在机场导航照明改造中的优势。
**论文解读文章**
**研究背景与问题**
机场助航灯光系统是飞行引导的核心组成部分，其正常运行对飞机起降安全至关重要。然而，传统的助航灯光改造方法（如开槽切割混凝土道面后埋管、铣刨沥青道面埋管）往往导致大面积道面开挖，施工周期长，不仅对现有道面结构造成损伤，还可能因跑道关闭引发运营安全风险和经济损失。因此，亟需升级改造技术，以最小化结构扰动和运行中断。水平定向钻（HDD）技术作为一种非开挖施工方法，凭借其精准定位和减少地面开挖的优势，已在市政工程中得到广泛应用，但在机场道面系统中的使用仍相对有限。尤其对于刚性道面，钻孔可能引入结构不连续性，改变应力分布并诱发局部应力集中。现有研究多集中于HDD的工艺优化和地质适应性，缺乏对刚性机场道面在代表性飞机荷载下力学响应的定量评估。为此，Yun Sheng、Wei Huang、Xuedong Fang和Yuxing Liu等研究人员通过结合有限元数值模拟和全尺寸现场试验，系统评估了小直径HDD施工对4C及4E级机场刚性道面的影响，旨在为高效助航灯光改造提供技术支撑。该论文发表在《Infrastructures》期刊。
**主要技术方法**
研究人员建立了与现场试验段一致的三维有限元模型（FEM），道面结构依据《民用机场水泥混凝土道面设计规范》（MH/T 5004-2010）设计，采用线弹性材料模拟各层（水泥混凝土面层、水泥稳定碎石基层、石灰粉煤灰稳定土底基层），基层厚度36 cm，钻孔直径10 cm。模型在关键区域采用非均匀网格加密，通过等效节点约束模拟纵横向接缝，并采用全约束底部边界和水平约束侧向边界。利用重锤式弯沉仪（HWD）在4C和4E级跑道试验段（每段长9 m、宽22.5 m）进行现场弯沉测量，以标定模型参数并验证可靠性。随后，设定钻深为距路基顶面5至31 cm的6个深度，施加B737-800（4C级）和B747-400（4E级）飞机主起落架荷载，分析板底拉应力和表面变形。现场验证试验在试验段进行，包括钻孔前、钻孔后（未注浆）及注浆终凝后（采用复合硅酸盐水泥和快硬硫铝酸盐水泥配制的浆液）三阶段的HWD测试，并基于弯沉值计算脉冲刚度模量（ISM）评估刚度变化。
**研究结果**
**4.2 钻深对板心处板底应力和变形的影响**
通过有限元模拟，研究人员发现无论对于4C级还是4E级道面，当钻孔位于板心正下方时，板底水平拉应力和变形随钻深的变化极微小：4C级道面拉应力波动幅度小于0.05%，变形波动小于0.09%；4E级道面拉应力波动小于0.04%，变形波动小于0.28%。这表明钻深对板心区域的力学响应扰动极弱，道面结构层间刚度均匀。其中，15 cm钻深处板底应力和变形均处于全场相对低值，位于基层刚度冗余区，是扰动最小的最优钻孔位置。
**4.3 钻深对接缝处板底应力和变形的影响**
当钻孔位于相邻板的接缝正下方时，板底拉应力和变形随钻深呈现“上升-下降-平缓波动”的一致趋势。4C级道面在15 cm处应力达峰值，变形在10 cm处达峰值，但绝对应力波动小于1.0%，变形波动小于2.1%；4E级道面在10 cm处应力和变形均达峰值，随后在15 cm处降至稳定低值。尽管接缝区域存在局部峰值，但15 cm钻深可有效避开扰动峰区，维持传力杆荷载传递功能，限制应力集中，仍可视为能最小化结构扰动的平衡深度。
**5 现场试验分析**
现场验证试验中，钻孔深度统一设为15 cm。实测数据显示：钻孔后（未注浆）道面脉冲刚度模量（ISM）较钻孔前普遍下降，4C级道面板心处最大下降18.0%，接缝处最大下降18.9%；4E级道面下降幅度较小。注浆终凝后，ISM显著回升：4C级道面板心处多数测点恢复至接近或超过钻孔前水平（如测点2从1289.3 kN/mm回升至1293.2 kN/mm），接缝处部分测点甚至超过钻孔前（如测点2从1418.1 kN/mm升至1478.9 kN/mm）；4E级道面也有类似恢复趋势，但部分测点恢复不充分。整体表明，即使钻孔造成刚度暂时下降，及时注浆可有效补偿刚度损失，恢复道面承载力。
**总结讨论**
论文结论部分指出，本研究采用“理论分析-数值模拟-现场验证”的综合框架，系统验证了小直径HDD技术应用于4C/4E级机场刚性道面导航照明改造的安全性和合理性。主要结论包括：（1）建立并通过HWD实测数据验证的高精度三维有限元模型，模拟弯沉与实测衰减趋势吻合良好；（2）钻深对板底应力和变形的影响极小（拉应力相对偏差<0.05%，变形偏差<0.09%），HDD不会对道面结构稳定性造成显著不利影响；（3）距路基顶面15 cm为最优钻深，位于基层刚度冗余区，可保护传力杆并缓解接缝应力集中；（4）现场试验表明钻孔后刚度模量（ISM）暂时下降，但注浆后恢复至接近或超过钻孔前水平，4C级道面恢复效果更显著。该框架为HDD标准化应用提供了科学依据，支持机场道面非开挖技术的发展。然而，研究存在局限性：数值模型基于线弹性假设，无法完全反映非线性力学行为；仅评估了短期性能，缺乏长期耐久性分析；且未与传统开挖方法进行直接定量对比。未来工作将引入非线性本构模型、开展长期监测，并扩大钻孔直径与道面等级的适用范围。
