成都天府國際機(jī)場(chǎng)智能跑道地基監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究

郭志高 張略 童志輝 王洪林

【摘要】成都天府國際機(jī)場(chǎng)西一跑道是國內(nèi)首條4F級(jí)智能跑道，智能跑道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)跑道全壽命周期起到良好的智能監(jiān)測(cè)，智能跑道系統(tǒng)監(jiān)測(cè)傳感器作為數(shù)據(jù)感知基礎(chǔ)元件，預(yù)埋安裝在在土基和道面中，對(duì)土基沉降、溫度、濕度和道面輪轍、剪切效應(yīng)、變形行為、濕滑程度等數(shù)據(jù)采集、分析、預(yù)警。文章闡述成都天府國際機(jī)場(chǎng)智能跑道系統(tǒng)中地基沉降、溫度濕度監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究。

【關(guān)鍵詞】機(jī)場(chǎng);跑道;智能;地基;監(jiān)測(cè)

【中圖分類號(hào)】 TU196+.1?????????? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】 B

成都天府國際機(jī)場(chǎng)是我國"十三五"期間的重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，也是"十三五"內(nèi)開建的中國體量最大的機(jī)場(chǎng)建設(shè)工程。天府機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道工程地形復(fù)雜多變、軟弱土分布不均、填方高度較高，使得地基極易產(chǎn)生不均勻沉降[1]，從而導(dǎo)致道面板出現(xiàn)裂縫、錯(cuò)臺(tái)乃至斷板，對(duì)飛機(jī)起降安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此有必要在施工期進(jìn)行地基沉降監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌控地基沉降情況。本期建設(shè)跑道地基沉降監(jiān)測(cè)將西一跑道作為實(shí)施區(qū)域，通過先進(jìn)的傳感器對(duì)地基沉降監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌控地基沉降與地基濕度的變化情況，為建設(shè)期的動(dòng)態(tài)控制與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警提供數(shù)據(jù)支撐，消除安全隱患，保障機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道施工質(zhì)量（圖1）。

1地基監(jiān)測(cè)區(qū)位選擇

本期跑道建設(shè)地基沉降監(jiān)測(cè)區(qū)位選取西一跑道范圍內(nèi)易發(fā)生不均勻沉降位置。由于天府機(jī)場(chǎng)西一跑道南端為主降方向，同時(shí)兼顧跑道北側(cè)次降方向，綜合考慮場(chǎng)區(qū)填方高度以及異形斷面分布、軟弱土分布、地基及填方處理方式、河塘沖溝分布等因素（圖2）。

西一跑道共選擇5處易發(fā)生不均勻沉降的區(qū)域，并從以上5個(gè)區(qū)域選取9處重點(diǎn)斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中包括半挖半填橫斷面3處，高填方橫斷面1處，半挖半填縱斷面5處，如表1所示。

2監(jiān)測(cè)內(nèi)容

2.1監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

針對(duì)重點(diǎn)斷面監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括地基沉降監(jiān)測(cè)以及地基濕度監(jiān)測(cè)[2]。涉及的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有：

（1）地基沉降監(jiān)測(cè)：主要包括原地基表面沉降監(jiān)測(cè)，填筑體中間層沉降監(jiān)測(cè)，旨在反映地基在不同填筑高度下的沉降量變化以及差異沉降情況，為施工期的動(dòng)態(tài)控制以及地基處理評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

（2）地基濕度監(jiān)測(cè)：主要包括土體濕度監(jiān)測(cè)、基質(zhì)吸力監(jiān)測(cè)，感知降雨人滲過程中土體含水量、基質(zhì)吸力的變化;確定地基濕度來源，考察地基土體固結(jié)程度，為地基沉降誘因分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

2.2傳感器選型

傳感器選型如表2所示。

2.3傳感器技術(shù)要求

智能跑道地基沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)智能設(shè)施包括光纖、智能沉降儀、單點(diǎn)沉降計(jì)、濕度計(jì)、基質(zhì)吸力計(jì)、光纖光柵應(yīng)變計(jì)及光纖光柵土壓力盒。各傳感器的具體技術(shù)要求如下。

2.3.1分布式光纖及解調(diào)設(shè)備

光纖需要有足夠的抗拉與抗剪強(qiáng)度，以保證光纖的完好率，同時(shí)光纖出廠時(shí)應(yīng)每隔5 m作標(biāo)記以方便記錄光纖埋設(shè)長度。解調(diào)儀需要有較高的測(cè)量精度以及定位精度。具體技術(shù)要求如表3所示。

2.3.2其他傳感器原件

智能沉降儀、單點(diǎn)沉降計(jì)、濕度計(jì)、基質(zhì)吸力計(jì)、光纖光柵應(yīng)變計(jì)及光纖光柵土壓力盒技術(shù)要求如表4所示。

3傳感器布設(shè)方案

3.1傳感器布設(shè)原則

傳感器的布設(shè)是整個(gè)地基智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，要滿足以下原則：

（1）針對(duì)性：傳感器的布置要按工程或試驗(yàn)研究的需要、地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和監(jiān)測(cè)項(xiàng)目來確定有代表性的段落斷面[3]。

（2）可操作性：根據(jù)地基施工及跑道運(yùn)營的特點(diǎn)，地基監(jiān)測(cè)有的需要在施工過程中同步埋設(shè)，有的需要在施工完成后進(jìn)行埋設(shè)。

（3）適宜性：具有不同功能的傳感器工作原理也會(huì)有所不同，所以要注意傳感器間的協(xié)調(diào)，系統(tǒng)信號(hào)的兼容性等。

（4）穩(wěn)定性：跑道地基要經(jīng)受低溫、雨水、飛機(jī)動(dòng)荷載等惡劣環(huán)境影響和條件考驗(yàn);為了達(dá)到穩(wěn)定可靠，布置的傳感器要注意防水、抗振動(dòng)保護(hù)。

3.2傳感器布設(shè)方案

針對(duì)跑道建設(shè)期填筑體底面、中間進(jìn)行沉降和濕度監(jiān)測(cè)布設(shè)傳感器元件，填筑體底面的監(jiān)測(cè)用于感知原地表沉降情況，為地基處理評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù);填筑體中間層的監(jiān)測(cè)用于獲取填筑體分層沉降情況，為施工的動(dòng)態(tài)控制提供依據(jù)。各斷面的傳感器數(shù)量如表5所示。

4地基監(jiān)測(cè)傳感器安裝施工方法

4.1水平向直埋式光纖布設(shè)

（1）水平向直埋式光纖為金屬基索狀應(yīng)變傳感光纜、5 m 定點(diǎn)光纜以及高強(qiáng)鋼絲鎧裝溫度補(bǔ)償光纜，光纜同槽埋設(shè)。

（2）光纖在使用前，需要標(biāo)定應(yīng)變系數(shù)。

（3）光纖放線，將定點(diǎn)光纜線盤拉開，并放入到溝槽內(nèi)部，稍微拉直，兩端點(diǎn)處預(yù)留足夠長光纜，用于接線測(cè)量。

（4）在監(jiān)測(cè)線路斷點(diǎn)部位，打入第一個(gè) T型錨固件，將臨近位置的定點(diǎn)光纜定點(diǎn)單元與 T型錨固件用尼龍?jiān)鷰Ы壴潭?。采用相同的布設(shè)方式依次向溝槽另一端點(diǎn)方向布設(shè)安裝定點(diǎn)光纜，兩相鄰定點(diǎn)間應(yīng)采用一定預(yù)應(yīng)力拉直，使定點(diǎn)光纜處于拉緊狀態(tài)。待所有定點(diǎn)部位綁扎固定后，在綁扎固定處涂抹環(huán)氧樹脂膠體，進(jìn)行膠結(jié)固定。

（5）待地基填筑至傳感器埋設(shè)標(biāo)高后，于整平的地基工作面上開槽埋設(shè)，槽寬40 cm，槽深50 cm。

（6）在光纖布設(shè)之前需在溝槽底部鋪一層細(xì)沙，對(duì)溝槽底部進(jìn)行整平，同時(shí)必須挖除溝槽內(nèi)的塊狀碎石、植物根莖等硬物。

（7）布設(shè)過程中應(yīng)注意對(duì)光纖的保護(hù)，避免出現(xiàn)彎折的情況，同時(shí)應(yīng)防止壓路機(jī)直接碾壓光纖。

（8）光纖在填挖交界處需預(yù)留長度為4 m 的冗余段，并將冗余段纏繞成環(huán)形，環(huán)形半徑為20 cm， 同時(shí)采用保護(hù)盒保護(hù)。

（9）用于通訊的光纖需沿挖方坡面遷至穩(wěn)定安全的地點(diǎn)

4.2單點(diǎn)沉降計(jì)埋設(shè)

（1）在沉降量較小的鉆孔內(nèi)（<1 m）布設(shè)一個(gè)大量程長標(biāo)距位移計(jì)，在沉降量較大的鉆孔內(nèi)（31 m）布設(shè)2個(gè)位移計(jì)，分別為5 m標(biāo)距及10 m標(biāo)距位移計(jì)，分段測(cè)試土層壓縮量。

（2）待地基填筑至預(yù)定的傳感器埋設(shè)標(biāo)高后，于整平的地基工作面上鉆孔，為避免鉆孔對(duì)下部傳感器的破壞，鉆孔應(yīng)偏離跑道中心線2 m， 同時(shí)應(yīng)避開下部地基處理構(gòu)造物，鉆孔小110 mm，鉆孔深度視地質(zhì)條件而定，一般鉆至中風(fēng)化層。

（3）在鉆孔成孔完成后，對(duì)鉆孔進(jìn)行一次掃孔處理，并用清水進(jìn)行洗孔處理。

（4）在鉆孔鄰近空地?cái)傞_光纖光柵位移計(jì)及其引線。首先將鋼絲繩固定到導(dǎo)頭上，將位移計(jì)拉至滿量程后分段綁扎到鋼絲繩上，位移計(jì)引線在導(dǎo)頭上形成回路，保證傳感器存活率。

（5）將固定好位移計(jì)、引線和鋼絲繩等配重導(dǎo)頭放入鉆孔內(nèi)部。在鋼筋導(dǎo)頭自重力下，將位移計(jì)帶人孔內(nèi)，下放過程中只能提拉鋼絲繩，避免光位移計(jì)及引線光纜受力。

（6）在位移計(jì)布設(shè)安裝完好后，將鋼絲繩固定綁扎在鉆孔上方架子上，保持拉緊狀態(tài)，防止向下滑移從而導(dǎo)致位移計(jì)壓縮[4]。

（7）回填封孔材料封孔。

（8）通迅光纖采用 MP管保護(hù)（管徑5 cm），并與智能沉降儀同槽引線。

4.3智能沉降儀布設(shè)

（1）智能沉降儀分為光纖光柵式和振弦式，2種智能沉降儀需同槽埋設(shè)。

（2）待地基填筑至預(yù)定的傳感器埋設(shè)標(biāo)高后，于整平的地基工作面上開槽埋設(shè)智能沉降儀，槽寬40 cm，槽深50 cm。

（3）將沉降管在不充水狀態(tài)下放置于所開挖溝槽，并于沉降管內(nèi)事先預(yù)留鋼絲繩。

（4）儲(chǔ)液罐應(yīng)埋設(shè)于挖方區(qū)的填挖交界處，以提供較穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)。

（5）將傳感器沿著沉降管布設(shè)，通過預(yù)留的鋼絲繩串接好、間距固定的傳感器串拉過沉降管，放置于適當(dāng)位置。

（6）傳感沉降管及傳感器全部布設(shè)完成后，將所有傳感沉降管串接起來，形成統(tǒng)一水路與氣路，同時(shí)儲(chǔ)液罐位置需高出沉降管1.5 m。

（7）向測(cè)試水路內(nèi)注水，進(jìn)行傳感器的調(diào)試。

（8）采用細(xì)沙回填溝槽，并采用 MP保護(hù)管（管徑5 cm）對(duì)通訊電纜進(jìn)行保護(hù)。

4.4濕度計(jì)、基質(zhì)吸力計(jì)布設(shè)

（1）濕度計(jì)在使用前，需要通過室內(nèi)烘干法對(duì)濕度計(jì)進(jìn)行標(biāo)定?；|(zhì)吸力在使用前，需要進(jìn)行標(biāo)定，并按照一定土水比例配置泥漿，用配置好的泥漿裹覆傳感器。

（2）地基填筑至預(yù)定的傳感器埋設(shè)標(biāo)高后，于整平的地基工作面上開孔埋設(shè)，孔寬20 cm，孔長20 cm，孔深50 cm。

（3）濕度計(jì)與基質(zhì)吸力計(jì)必須靠近埋設(shè)，傳感器插入土中時(shí)，應(yīng)避免石塊和植物根莖等非均勻物，以免造成探針的偏離從而影響測(cè)量結(jié)果。

（4）如土壤較干較硬，應(yīng)將傳感器緩慢插入土中，不能使用榔頭等鈍器用力捶打以免造成傳感器損壞。

（5）通訊電纜采用開槽方式布設(shè)，槽寬40 cm，槽深50 cm， 同時(shí)采用 MP管（管徑5 cm）保護(hù)。通訊電纜需遷至土面區(qū)，并于土面區(qū)采用豎向鋼管引出（管徑5 cm），并立安全警示牌，同時(shí)應(yīng)避免施工對(duì)電纜造成的損壞。

（6）采用與土基相同的填料回填孔槽。

4.5臨時(shí)采集井

臨時(shí)采集井布置于挖方區(qū)的穩(wěn)定安全的地點(diǎn)，尺寸為2 m×2 m，主要用于放置光纖及各類傳感器的通訊電纜，光纖及電纜的輸出端口需采用保護(hù)箱保護(hù)。

5結(jié)束語

天府機(jī)場(chǎng)應(yīng)用的智能跑道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)，通過對(duì)跑道土基中安裝各類智能傳感器感知元件，并將傳感器聯(lián)合組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)全天候?qū)ε艿赖慕Y(jié)構(gòu)信息和狀態(tài)信息實(shí)時(shí)感知，通過光纖光纜將數(shù)據(jù)信息傳輸至機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)燈光站，經(jīng)后臺(tái)工控機(jī)數(shù)據(jù)整理分析、模型三維展示、后臺(tái)數(shù)據(jù)管理等處理，為跑道性能風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、道面維護(hù)、安全運(yùn)營提供科學(xué)依據(jù)和有力保障。總之，采用智能跑道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)對(duì)跑道土基和道面的狀態(tài)信息聯(lián)合感知監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道智慧化、信息化的全壽命周期監(jiān)測(cè)管理。

參考文獻(xiàn)

[1]吳晨楠.黏土半填半挖地基沉降預(yù)估模型分析[J].工程技術(shù)研究，2020，5（17）：240-241.

[2]張堯.高速公路路基沉降遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].西安：長安大學(xué)，2015.

[3]桂建達(dá).基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警模型研究[D].南京：南京工業(yè)大學(xué)，2011.

[4]施斌.地面沉降鉆孔全斷面分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2018（2）：356-364.