點(diǎn)線融合的機(jī)場跑道地基沉降全壽命監(jiān)測(cè)與預(yù)估方法

1 引言

地基是機(jī)場道面結(jié)構(gòu)的重要支撐平臺(tái)，在原地表狀況、地基填方高度、施工水平和水文地質(zhì)條件等的綜合影響下，地基會(huì)產(chǎn)生工后差異沉降。 這種差異沉降將降低地基對(duì)道面結(jié)構(gòu)的承載能力，導(dǎo)致局部應(yīng)力、應(yīng)變的增大，引發(fā)跑道斷板、接縫損壞、錯(cuò)臺(tái)等病害，縮短跑道使用壽命并嚴(yán)重威脅飛機(jī)滑跑安全[1]。因此，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)地基沉降，合理預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)并進(jìn)行科學(xué)評(píng)估十分必要。

傳統(tǒng)的地基沉降監(jiān)測(cè)主要采用水準(zhǔn)儀、 全站儀等設(shè)備進(jìn)行人工點(diǎn)式操作，自動(dòng)化水平低、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)機(jī)場施工干擾較大[2]。 通過分層沉降儀、磁環(huán)沉降儀等可實(shí)時(shí)獲取地基內(nèi)部各層的沉降，但傳感器埋設(shè)過程復(fù)雜，施工難度和成本高，適用于少數(shù)代表性點(diǎn)位的沉降監(jiān)測(cè)[3-4]。 新興的合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)（InSAR）可無干擾地獲取飛行區(qū)全域的沉降信息，但其主要進(jìn)行地表測(cè)量， 難以得到道面結(jié)構(gòu)以下的地基沉降數(shù)據(jù)[5]。因此，本文綜合采用單點(diǎn)沉降計(jì)和智能沉降儀，通過點(diǎn)線融合的方式， 實(shí)現(xiàn)沿跑道縱向或橫向地基沉降的全壽命監(jiān)測(cè)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行地基沉降的計(jì)算和預(yù)估。

2 地基沉降監(jiān)測(cè)

2.1 傳感器選型

2.1.1 單點(diǎn)沉降計(jì)

采用單點(diǎn)沉降計(jì)感知單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的絕對(duì)沉降量。 單點(diǎn)沉降計(jì)基于光纖光柵技術(shù)感知外界環(huán)境變化， 可通過光信號(hào)（波長）實(shí)現(xiàn)解調(diào)和傳輸。 通過鉆孔埋設(shè)，將傳感器的錨固端固定在穩(wěn)定土層中，而活動(dòng)端固定在土體表面。 當(dāng)土體發(fā)生沉降時(shí)，傳感器的活動(dòng)端跟隨移動(dòng)，導(dǎo)致光的波長發(fā)生改變，通過獲取變化的波長數(shù)據(jù)即可換算出土體絕對(duì)沉降。

2.1.2 智能沉降儀

采用智能沉降儀感知多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位之間的相對(duì)沉降量。智能沉降儀基于光纖光柵技術(shù)或振弦技術(shù)感知外界壓力變化，通過光信號(hào)（波長）或者電信號(hào)（電壓）實(shí)現(xiàn)解調(diào)和傳輸。 傳感器置于充滿液體的裝置中，土體發(fā)生沉降時(shí)，沉降儀同步移動(dòng)而產(chǎn)生液壓差， 從而引起傳感器的光信號(hào)或者電信號(hào)發(fā)生改變， 通過獲取變化的信號(hào)數(shù)據(jù)即可換算各個(gè)點(diǎn)位之間的相對(duì)沉降。

2.1.3 傳感器技術(shù)要求

地基沉降監(jiān)測(cè)面向跑道建設(shè)和運(yùn)維的全壽命周期， 傳感器埋設(shè)后難以更換，因此，單點(diǎn)沉降計(jì)和智能沉降儀的壽命至少應(yīng)與跑道設(shè)計(jì)壽命一致，對(duì)于瀝青跑道不小于20 年，水泥跑道不小于30 年。 綜合考慮地基沉降量的監(jiān)測(cè)范圍和精度要求，上述兩個(gè)傳感器的量程應(yīng)不小于1 000 mm，精度應(yīng)不大于1.0‰FS。

2.2 傳感器點(diǎn)線融合布設(shè)

在各個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的地基填筑體頂面布設(shè)傳感器， 主要獲取地基全局差異沉降狀況， 為分析道面結(jié)構(gòu)安全評(píng)估提供依據(jù)。 其中，布設(shè)一個(gè)單點(diǎn)沉降計(jì)和若干個(gè)智能沉降儀，單點(diǎn)沉降計(jì)與其中一個(gè)智能沉降儀布設(shè)在同一點(diǎn)位，如圖1 所示。 智能沉降儀獲取的各點(diǎn)位之間的相對(duì)沉降量與單點(diǎn)沉降計(jì)獲取的其中一個(gè)點(diǎn)位的絕對(duì)沉降量疊加即可得到各點(diǎn)位的絕對(duì)沉降。 通過兩類傳感器的互相配合，實(shí)現(xiàn)地基沉降監(jiān)測(cè)的點(diǎn)線融合布設(shè)，以獲取地基沿跑道縱向或橫向的沉降情況。

圖1 單點(diǎn)沉降計(jì)和智能沉降儀的點(diǎn)線融合布設(shè)方案圖

2.3 傳感器協(xié)同施工

采用施工同步技術(shù)埋設(shè)單點(diǎn)沉降計(jì)和智能沉降儀。 各個(gè)監(jiān)測(cè)斷面施工時(shí)， 均采用溝槽開挖—單點(diǎn)沉降計(jì)安裝—智能沉降儀安裝—溝槽回填的方式，同時(shí)布設(shè)上述兩類傳感器，以增大傳感器的存活率和互相的關(guān)聯(lián)性，并加快施工速度。

3 地基沉降計(jì)算

3.1 絕對(duì)沉降

絕對(duì)沉降，即地基自開始施工至某一時(shí)刻產(chǎn)生的沉降，可采用上文的單點(diǎn)沉降計(jì)獲取監(jiān)測(cè)斷面沿縱向或橫向的絕對(duì)沉降量。

3.2 工后沉降

工后沉降，即地基自竣工至當(dāng)前時(shí)刻產(chǎn)生的沉降，計(jì)算公式如下：

式中，ΔSi為工后沉降，i 為0、1、2、3；Si，2為監(jiān)測(cè)點(diǎn)當(dāng)前時(shí)刻絕對(duì)沉降，i 為0、1、2、3；Si，1為監(jiān)測(cè)點(diǎn)竣工時(shí)刻絕對(duì)沉降，i 為0、1、2、3。

3.3 工后差異沉降

地基相鄰監(jiān)測(cè)點(diǎn)工后沉降的差值與其水平距離之比即為工后差異沉降。 工后差異沉降是對(duì)跑道地基沉降變形性能的描述，表征地基不均勻沉降狀況。 本方法采用智能沉降儀計(jì)算監(jiān)測(cè)工后差異沉降，差異沉降的計(jì)算方法如式（2）所示：

式中，Di為工后差異沉降，i 為0、1、2、3；Li為相鄰監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平距離，i 為0、1、2、3。

相鄰智能沉降儀數(shù)據(jù)的差值除以其水平間距得差異沉降Ci：

式中，Hi為智能沉降儀基于儲(chǔ)液罐的沉降。

由式（3）可以求得，竣工時(shí)刻差異沉降Ci，1，當(dāng)前時(shí)刻差異沉降Ci，2。 那么工后差異沉降計(jì)算如式（4）所示：

4 沉降預(yù)估

4.1 沉降預(yù)估方法

本文采用雙曲線模型預(yù)估跑道地基全壽命周期內(nèi)的絕對(duì)沉降量， 相較于常用的對(duì)數(shù)模型計(jì)算結(jié)果不依賴于參考計(jì)算點(diǎn)位選取，避免了點(diǎn)位選取的隨機(jī)性所帶來計(jì)算偏差。

假定地基沉降變形與時(shí)間近似為雙曲線函數(shù)關(guān)系如式（5）所示：

將待定參數(shù)s∞和α 提取到等式右邊可將式（5）寫成：

4.2 沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)場道地基的變形特點(diǎn)及要求，確定地基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)：

1）MH/T 5027—2013《民用機(jī)場巖土工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定跑道地基工后沉降應(yīng)控制在0.2~0.3 m，如表1 所示。

表1 工后沉降和工后差異沉降規(guī)范要求

2）最大殘余變形形成后，道面區(qū)標(biāo)高不低于土面區(qū)標(biāo)高，且兩者未形成明顯高差，以保證飛行安全。

3）地基不協(xié)調(diào)變形所引起的道面板傾斜不致造成道面接縫的破損。

4）所形成的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)可通過對(duì)設(shè)計(jì)過程、施工過程等的控制予以實(shí)現(xiàn)，即所提出的控制標(biāo)準(zhǔn)必須具備“可實(shí)現(xiàn)性”。

5）為實(shí)現(xiàn)地基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，所采取的措施與當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)水平相適應(yīng)，即具有經(jīng)濟(jì)合理性。

5 計(jì)算案例

在北方某機(jī)場實(shí)際監(jiān)測(cè)了地基沉降情況， 圖2 為單點(diǎn)沉降計(jì)的沉降時(shí)域曲線。 2017 年9 月至2018 年7 月，地基沉降量大、沉降速度快，絕對(duì)沉降約28 cm；2018 年7 月至2020 年3 月，沉降增長緩慢，絕對(duì)沉降量2 cm；2020 年3 月至2022年，地基沉降趨于穩(wěn)定，保持在29 cm 左右。

圖2 單點(diǎn)沉降時(shí)域曲線

基于上述方法對(duì)機(jī)場的實(shí)際工后沉降情況進(jìn)行計(jì)算分析，各點(diǎn)的工后沉降與差異沉降分布如圖3 所示，可得工后沉降最大值為3.6 cm，最小值為0.3 cm，中位數(shù)為1.1 cm，工后差異沉降最大值為0.4‰，最小值為0.1‰，中位數(shù)為0.25‰，工后沉降顯著小于規(guī)范要求80 cm，工后差異沉降顯著小于規(guī)范要求的1.5‰。 計(jì)算結(jié)果證明，傳感器埋設(shè)成功且運(yùn)行狀態(tài)良好，同時(shí)地基工后差異沉降得到有效控制，不均勻沉降處治效果達(dá)到預(yù)期。

6 結(jié)論