數(shù)字化監(jiān)控技術(shù)在機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道工程中的應(yīng)用研究

曹富貴

【摘要】機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道施工的重點(diǎn)是處理好土基、墊層、基層的密實(shí)度，要求達(dá)到足夠的穩(wěn)定性、承載力以及剛度，然后在其基礎(chǔ)之上再去澆筑水泥混凝土層。傳統(tǒng)技術(shù)模式下，主要采用人工布點(diǎn)和專業(yè)設(shè)備檢測(cè)的方式獲取各層的壓實(shí)度參數(shù)，但是其效率非常低下，還容易產(chǎn)生遺漏。本文主要研究利用數(shù)字化監(jiān)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道壓實(shí)效果的策略。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字化監(jiān)控技術(shù);機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道工程;應(yīng)用

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.33.067

道面基礎(chǔ)的夯實(shí)效果對(duì)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道工程的施工質(zhì)量產(chǎn)生著非常深遠(yuǎn)的影響，在工程實(shí)踐中使用振動(dòng)碾壓機(jī)等設(shè)備來夯實(shí)基層，但是為了提高質(zhì)量，必須檢測(cè)基層的壓實(shí)度、體積穩(wěn)定性以及其他一些重要的參數(shù)。利用數(shù)字監(jiān)控技術(shù)可在碾壓設(shè)備作業(yè)的過程中檢測(cè)到這些數(shù)據(jù)，比人工檢測(cè)的方式更加準(zhǔn)確、嚴(yán)密和高效。

1、機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道工程施工特點(diǎn)

1.1機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道

第一，等級(jí)劃分。機(jī)場(chǎng)中服務(wù)的飛機(jī)具有多種類型，干線飛機(jī)的長(zhǎng)度、翼展以及載客數(shù)量都比支線客機(jī)大得多，所以機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道在設(shè)計(jì)規(guī)格上存在一定的差異，民航工程中將飛行區(qū)指標(biāo)劃分成兩個(gè)等級(jí)，分別為Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)，并且這兩個(gè)等級(jí)又按照不同的指標(biāo)細(xì)分成不同的類別。例如，在指示區(qū)Ⅱ中根據(jù)主起落架最外側(cè)間距或者飛機(jī)的翼展寬度劃分為A、B、C、D、E、F 這6種類別。第二，機(jī)場(chǎng)跑道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。跑道具有對(duì)稱性，主體結(jié)構(gòu)為道面，采用水泥混凝土澆筑而成，其厚度可根據(jù)機(jī)場(chǎng)飛機(jī)服務(wù)能力來確定，一般可達(dá)到420mm，與道面臨近的部分是道肩，其澆筑厚度比道面略薄，一般在200mm之內(nèi)，具體要根據(jù)工程項(xiàng)目特點(diǎn)來確定，最外層的是土面區(qū)[1]。

1.2機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道工程的地質(zhì)要求

機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道用于各型飛機(jī)的起降，其性能和質(zhì)量要求都非常高。場(chǎng)道按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為土基、墊層、基層以及水泥混凝土層，其中任何一個(gè)構(gòu)成部分都會(huì)影響到場(chǎng)道的承載能力。表面上看，水泥混凝土層是最主要的承力層，但力的作用可傳遞到更下層的基層和土層，如果下層基土夯實(shí)不到位，道面也會(huì)因?yàn)槌休d力不足而出現(xiàn)嚴(yán)重的損壞[2]。因此，在《民用機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)這些關(guān)鍵的組成部分提出了嚴(yán)格的技術(shù)要求。

第一，土基的要求。機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道的施工范圍比較大，一條跑道的長(zhǎng)度可達(dá)到上千米，在具體施工的過程中難免會(huì)遭遇一些不良的地質(zhì)條件，因此，在工程勘察階段必須嚴(yán)格檢查是否存在膨脹土、軟土層等不良的土壤地質(zhì)條件，同時(shí)還要預(yù)防地下水以及地表水的影響。

第二，道床填料要求。按照機(jī)場(chǎng)跑道的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，道床是道面和道肩下方的主要承力層，道床的填筑、夯實(shí)效果對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道的性能具有深遠(yuǎn)的影響。在工程規(guī)范中要求道床填料的粒徑范圍必須控制在20cm以下，含水量大的黏土、高液限粉土等都不能用于填筑機(jī)場(chǎng)跑道的道床。在工程實(shí)踐中大多采用水泥穩(wěn)定碎石來處理。

第三，墊層。墊層處于土基之上，同時(shí)位于基層之下，其主要作用是降低不良土基對(duì)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道工程的影響，主要原因在于機(jī)場(chǎng)的土基范圍比較大，有些不良土壤層的處理難度非常大，處理成本也很高，此時(shí)可直接在這些不良土壤之上鋪設(shè)墊層，一般將碎礫石、粗砂、粉煤灰或者粉碎后的建筑工程材料混合在一起，形成墊層，其作用也非常重要，在寒冷的地區(qū)可起到抗凍的效果，同時(shí)由于墊層使用的材料具有一定的孔隙，其防水效果也很突出，當(dāng)降雨量比較大時(shí)可直接通過墊層實(shí)現(xiàn)快速的排水，將雨水下滲到土壤中[3]。

第四，基層。在水泥混凝土層之下就是基層，跑道上的載荷通過混凝土層直接傳遞到了基層，因而基層的性能必須非常突出，良好的剛度、強(qiáng)度以及抗剪能力將會(huì)提升基層的性能，并且在冬季低溫條件下不得出現(xiàn)冰凍、膨脹之類的問題，否則水泥混凝土層下方將會(huì)受到比較嚴(yán)重的應(yīng)力作用。另外，不同的飛行區(qū)指標(biāo)對(duì)基層的厚度提出了不同的要求。表1中列舉了基層厚度的具體指標(biāo)（以飛行區(qū)指標(biāo)等級(jí)Ⅱ?yàn)槔?，?shù)據(jù)來自民航工程機(jī)場(chǎng)跑道的建設(shè)規(guī)范?；鶎拥木唧w壓實(shí)度與其施工材料之間具有密切的聯(lián)系，采用礫石作為基層的主要材料時(shí)，其壓實(shí)度不得低于96%（A、B）和98%（C、D、E、F）。如果基層的填料為粉煤灰和石灰的細(xì)粒土構(gòu)成，那么以上的壓實(shí)度分別控制為不低于93%和96%[4]。

第五，水泥混凝土面層。道面和道肩都采用現(xiàn)澆混凝土的技術(shù)來施工，根據(jù)機(jī)場(chǎng)跑道所在地區(qū)的年最低氣溫可將其混凝土材料的標(biāo)號(hào)控制為F200以上和F300以上，前者對(duì)應(yīng)的溫度范圍是0到零下10攝氏度，后者對(duì)應(yīng)的溫度范圍是零下10攝氏度以下?；炷翆釉诰唧w施工時(shí)要注意控制好面層的平整度，并且要具備足夠的耐磨性和防滑性。（詳見表1）

2、數(shù)字化監(jiān)控技術(shù)在機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道施工中的應(yīng)用場(chǎng)景

從場(chǎng)道工程的施工特點(diǎn)可知主要的工程活動(dòng)在于處理好土基、墊層、基層，排除不良的地質(zhì)條件，為后續(xù)的水泥混凝土層施工打好基礎(chǔ)。以下重點(diǎn)從場(chǎng)道的壓實(shí)處理來分析數(shù)字化技術(shù)的具體應(yīng)用方法。

2.1數(shù)字化監(jiān)控技術(shù)的主要用途和優(yōu)勢(shì)

第一，傳統(tǒng)壓實(shí)方法存在的弊端。在機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道的壓實(shí)處理中，傳統(tǒng)技術(shù)主要在整個(gè)作業(yè)場(chǎng)地上設(shè)置一系列檢測(cè)點(diǎn)，然后在壓實(shí)處理結(jié)束之后，再以人工檢測(cè)的方式逐一去測(cè)量每一個(gè)點(diǎn)位的具體壓實(shí)度，顯然這種方法應(yīng)用了數(shù)學(xué)中的統(tǒng)計(jì)學(xué)原理。當(dāng)大量的檢測(cè)點(diǎn)滿足技術(shù)要求之后，即可判斷壓實(shí)度滿足了工程設(shè)計(jì)需求。但是，從理論上講，這種方法必然存在一定的漏洞，主要缺陷在于采樣點(diǎn)并不能完全反映出每一個(gè)點(diǎn)位的具體壓實(shí)度，而且這種測(cè)量方式的效率也非常低下，難以滿足大范圍施工。尤其在當(dāng)前的信息化時(shí)代，非常不利于提高工程效率[5]。另外，這種處理方法是在整體壓實(shí)結(jié)束之后才開展的，是一種典型的事后控制方法。

第二，基于數(shù)字化技術(shù)的連續(xù)過程壓實(shí)監(jiān)控技術(shù)。西方發(fā)達(dá)國(guó)家在20世紀(jì)后期設(shè)計(jì)了一種可用于監(jiān)控連續(xù)壓實(shí)質(zhì)量的信息化系統(tǒng)，主要用在公路工程、鐵路工程的地基處理，后來將其擴(kuò)展到民航工程建設(shè)中，實(shí)際上工程原理都非常相似，只不過發(fā)揮作用的場(chǎng)景發(fā)生了變化。這種技術(shù)被稱為CPMS。其工作原理如下：施工區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)條件基本上比較接近，并且基層以及墊層都采用相同的填料來鋪筑，碾壓時(shí)使用傳統(tǒng)的振動(dòng)壓路機(jī)，在碾壓過程中不斷向基層產(chǎn)生一定強(qiáng)度的作用力，同時(shí)基層也會(huì)產(chǎn)生一定的反作用力，而這些力的作用都可借助專業(yè)的傳感器來測(cè)量，這樣就可實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)碾壓過程的有效監(jiān)控。因此，在具體應(yīng)用時(shí)要在振動(dòng)碾壓機(jī)械設(shè)備上布置一定數(shù)量的傳感器，進(jìn)而建立起相關(guān)的力學(xué)模型。力的測(cè)量主要圍繞壓路機(jī)上的振動(dòng)輪，這種技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)原理可參考圖1。

第三，基于CPMS的信息化監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。使用了CPMS技術(shù)之后，機(jī)場(chǎng)跑道壓實(shí)施工的監(jiān)控程度實(shí)現(xiàn)了大幅度的改善。1）過程實(shí)現(xiàn)可控。由于使用了精確的傳感器測(cè)量振動(dòng)輪和土壤的反作用力，精度上非常高，壓實(shí)程度和力的大小具有直接關(guān)系。除了關(guān)注壓實(shí)度之外，還會(huì)非常重視壓實(shí)的均勻性，如果不同的施工位置在壓實(shí)度上產(chǎn)生了顯著的差異，那么后續(xù)的混凝土墊層澆筑施工也會(huì)受到嚴(yán)重的干擾，后期運(yùn)維階段會(huì)出現(xiàn)不均勻沉降的風(fēng)險(xiǎn)。另外，壓實(shí)的穩(wěn)定性也是重要的監(jiān)控參數(shù)之一，這一點(diǎn)主要通過基層的反作用力來判斷，初期階段，基層的反作用力比較明顯，但是隨著其不斷壓實(shí)，幾乎不會(huì)在反彈，也就不會(huì)產(chǎn)生明顯的反作用力，達(dá)到足夠的穩(wěn)定性。2）效率大幅提升。由于這種壓實(shí)監(jiān)控技術(shù)會(huì)跟隨振動(dòng)壓路機(jī)的運(yùn)行而實(shí)時(shí)進(jìn)行，檢測(cè)到的參數(shù)會(huì)及時(shí)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，幾乎在碾壓結(jié)束時(shí)就已經(jīng)完成了壓實(shí)度的檢測(cè)，并且在具體實(shí)施的過程中就可判斷上一階段的碾壓效果是否達(dá)標(biāo)，此時(shí)可借助這些參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整后續(xù)的壓實(shí)操作。顯然，相對(duì)于傳統(tǒng)的人工檢測(cè)方式，其效率早已大幅度提升。（詳見圖1）

2.2數(shù)字化監(jiān)控技術(shù)的具體應(yīng)用方法

第一，確定關(guān)鍵參數(shù)。CPMS是一種有效的壓實(shí)質(zhì)量監(jiān)控措施，但是在分析具體的壓實(shí)效果時(shí)，該方法非常依賴于幾個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)，其一是參數(shù)k，涵義為常規(guī)控制指標(biāo)，其二為VCV，涵義為連續(xù)壓實(shí)控制指標(biāo)，其三為ε，其含義為相關(guān)系數(shù)。但是這三個(gè)參數(shù)并非常數(shù)，而是和地質(zhì)條件息息相關(guān)，在碾壓的準(zhǔn)備階段要通過對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)定這些參數(shù)值。工程實(shí)踐中要求相關(guān)系數(shù)ε的數(shù)值不低于0.7[6]。第二，建立參數(shù)之間的關(guān)系。在工程實(shí)踐中，根據(jù)試驗(yàn)確定出現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)系數(shù)K，這一參數(shù)作為常規(guī)質(zhì)量控制指標(biāo)，然后利用測(cè)量所得的其他數(shù)據(jù)，繪制直角坐標(biāo)圖，橫坐標(biāo)為常規(guī)控制指標(biāo)K，縱坐標(biāo)為VCV，通過點(diǎn)的分布觀察整個(gè)數(shù)據(jù)的斜率，這一參數(shù)就是ε。第三，質(zhì)量控制。通過實(shí)際的檢測(cè)數(shù)據(jù)獲取K、VCV以及ε之后，即可根據(jù)這些參數(shù)開展進(jìn)一步的判斷，研判連續(xù)壓實(shí)的均勻性、穩(wěn)定性等是否達(dá)到了相關(guān)的技術(shù)要求。這種基于大范圍、連續(xù)作業(yè)所形成的數(shù)據(jù)極大地提升了機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道壓實(shí)度監(jiān)控的信息化水平。

結(jié)語(yǔ)：

數(shù)字化監(jiān)控技術(shù)利用先進(jìn)的傳感器和計(jì)算機(jī)平臺(tái)獲取機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道基層的壓實(shí)數(shù)據(jù)，這種基于信息化的技術(shù)顯著地提高了質(zhì)量控制的效率和精度，其中比較典型的方法為CPMS，將傳感器布置在振動(dòng)碾壓設(shè)備上，根據(jù)振動(dòng)輪的受力特點(diǎn)來判斷壓實(shí)度、穩(wěn)定性等參數(shù)。

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