西安咸陽機場三期擴建智慧跑道地基沉降監測方案設計與優化

程峰

（西部機場集團公司，西安710065）

1 引言

咸陽機場位于中國內陸中心，是西北地區最大、北方第二大機場，也是我國規劃建設的八大區域性樞紐機場之一。在國家全面布局“新基建”的背景下，西安咸陽機場三期工程加快推進“四型機場”建設，構建面向多跑道模式的智慧跑道系統，重點涉及新建跑道（北跑道N1、N2 及南跑道S2）與既有跑道S1 等。場區內覆蓋有濕陷性黃土，具有填挖不均的特殊條件，下伏地下暗埋空穴，與城際線、閻機線存在地下立體交叉，機場地基沉降與運行安全風險多，有必要構建地基沉降智慧監測系統，降低跑道變形與結構安全風險。

對于地表沉降監測，目前工程常用的工具及儀器有沉降監測樁、沉降水杯、沉降板、分層沉降管、磁環沉降儀、測量機器人等[1]。此外，還有一些先進的監測方法，如攝影測量、GPS、合成孔徑雷達干涉測量技術（InSAR）、變形監測技術和三維地面掃描技術等。對于機場，尤其是高填方機場，沉降監測范圍廣、監測數據量龐大，常規監測方法（如水準測量）需要大量的人工測量。新型的攝影測量由于攝影距離和價格受限，在變形檢測中的應用尚不普及；也有學者利用傳感元件將沉降變形轉化為電壓、電阻、振弦頻率等指標，并進一步引入光纖傳感技術，提高沉降變形監測的質量，如施斌等[2，3]采用分布式光纖監測地面變形等，但應用光纖技術的地基內部和深層變形監測研究有待進一步實踐和驗證。InSAR 技術是近年興起的新型監測手段，通過衛星圖像獲取間隔時間內的沉降變形結果，實現廣域非接觸監測，在機場、大壩、邊坡等領域也有相關應用[4-7]，屬于全域沉降監測的新方向。本文針對西安咸陽機場的特殊地質和下穿工程條件，面向智慧跑道的建設需求，充分引入地基沉降監測新技術和新手段，構建建設-運營一體化的地基沉降監測的設計與優化方案。

2 地基沉降智能監測目標和重點

西安機場三期擴建受到土質條件、新老交界和下穿工程等因素影響，地基建設復雜且困難，難點來自濕陷性黃土及其分布厚度差異、防水層下濕度聚集效應、不同地基處理方式帶來的地基剛度差異、施工期間降雨后地表匯水對濕陷性黃土的短期浸泡、不停航施工對既有跑道的沉降變形控制要求高等。因此，機場地基沉降智慧化監測有必要充分考慮上述多因素的共同影響，通過先進傳感技術，實現跑道地基不均勻沉降和邊坡變形的高精度、主動式監測和預警，為施工控制和動態設計提供基礎數據，同時，為運營期道面養護決策提供參考。

南、北側飛行區的土方修筑和地基處理狀況不同，南側高填方多，沉降失穩風險高，新建南跑道S2 和聯絡道的地基不均勻沉降更應重點關注，同時，新建道面對既有道面的影響與高邊坡變形也是重要考慮因素。北側飛行區重點考慮道槽區地基頂面不均勻變形及濕度聚集影響。因此，結合不同區域地基沉降監測的特點，本文擬采用全域沉降監測、重點部位點式沉降監測、地基濕度監測和邊坡支擋變形監測等方式。

2.1 全域沉降監測

InSAR 技術具有全天候、大范圍、低干擾、無須地面人工干預等優勢，采集衛星雷達累計時段內的影像數據，監測解析飛行區施工、運營期的全域地基和道面沉降信息。

2.2 重點部位點式沉降監測

從不均勻沉降的實時和施工便利性考慮，采用智能沉降儀監測原地基表面沉降變化，選擇單（多）點位移計監測地基填筑體表面和內部的分層沉降。

2.3 地基濕度狀態監測

地基濕度監測是在地基土體內部埋設體積含水量傳感器，感知降雨入滲過程中土體含水量的實時變化，尤其是咸陽機場場址內普遍存在的濕陷性黃土，降雨入滲對黃土濕陷的影響巨大，因此，有必要對地基濕度進行重點監測。

2.4 邊坡支擋變形監測

邊坡支擋變形監測是針對機場的高填方擋墻，采用光纖測斜管監測高填方填土的水平側向變形，進而分析邊坡支擋變形。

3 智慧跑道地基沉降監測方案

3.1 傳感器布設位置

3.1.1 南側飛行區

南側飛行區重點考慮高填方、濕陷性黃土、填挖交界不均勻沉降、跑道起降帶、高填方邊坡支擋等因素，傳感器埋設位置包括新建跑道S2、平滑道和部分聯絡道等，傳感器平面布置分布如圖1 所示。其中，跑道位置的監測點在2 個跑道起降帶中間的間隔約100 m，部分測點接近飛機滑行轉彎較多的快滑出入口。地基沉降監測傳感器縱斷面布置如圖2 所示。傳感器類型包括32 個單點沉降計、10 個多點沉降計、52 個濕度計、23 套智能沉降儀、6 個儲液罐和8 個光纖測斜儀。其中，道基頂面埋設濕度計、智能沉降儀、單（多）點沉降計等，沉降計下端部均設置于土基底部下方2 m 處的黃土層。

圖1 南側飛行區地基沉降監測傳感器平面布置圖

圖2 南側飛行區地基沉降監測傳感器縱斷面圖

3.1.2 北側飛行區

北側飛行區重點考慮濕陷性黃土、新舊道面、下穿工程、跑道起降帶等因素，埋設傳感器的位置包括新建跑道N1 和N2、平滑道和部分聯絡道等，地基沉降監測傳感器平面布置如圖3 所示。跑道監測點大部分位于兩端起降帶之間區域，并且快滑道出入口、平滑道和聯絡道的測點可位于新老道面交界不均勻沉降處。傳感器類型包括62 個單點沉降計、3 個多點沉降計、56 套智能沉降儀、14 個儲液罐和45 個濕度計。其中，道基頂面設置濕度計、智能沉降儀、單（多）點沉降計等。

圖3 北側飛行區地基沉降監測傳感器平面布置圖

3.2 傳感器布設施工

地基傳感器包括沉降儀、濕度計等，采用開槽+鉆孔方法，槽內鋪設底層砂，上層回填商品混凝土。具體而言，單點/多點沉降計施工包括鉆孔、鉆孔回填、引線開槽等。鉆孔深度必須穿透填筑層，達到穩定土層。鉆孔下放導錘后回填水泥漿、中粗砂、膨脹土球等。智能沉降儀施工包括下基層開槽、布設土工布、槽內鋪設底層砂、埋設智能沉降儀、固定與保護傳感器、鋪設保護砂層、反包土工布、槽內回填混凝土等。濕度計施工是在道基頂面開槽后，將濕度計插入坑槽底部，然后，采用細粒土回填坑槽并壓實。

對于光纖測斜管，在邊坡逐層填筑時，每層填筑后，在表面打孔、埋設測斜儀。用測斜儀測量測斜管的傾斜，同時，測量測斜管的有效深度，根據孔深和管口高程計算孔底高程。在安裝儀器時使用安全鋼纜，保證儀器在進入測斜管內意外脫落時可用安全繩將儀器拉回。傳感器沉入鉆孔后，應將線纜盤起，隨著儀器的下沉，逐漸放入，以免電纜相互干擾。完成儀器安裝后即可開始監測。

InSAR 非接觸式沉降監測對機場跑道、滑行道、下穿建（構）筑物的地表開展全覆蓋沉降變形監測，并定期更新監測數據和監測報告。有必要時可在飛行區土面區布設角反射器，增強遙感衛星的監測識別能力，獲取整個場區的不均勻沉降變形數擾，為全域不均勻沉降分析管理提供更多的數據依據。

4 結語

本文依托西安咸陽機場三期智慧跑道項目，從地基處理和特殊地質條件出發，設計和優化了智慧跑道地基沉降變形監測方案，運用了機場場道地基沉降監測新技術，對于控制機場全域和重點區域的沉降變形和邊坡失穩變形具有重要的作用。結合地基監測方案，本文也進一步思考了機場智慧跑道建設方向，例如，通過改進傳感器設備，進一步保障監測傳感器壽命、提高監測精度，增強建設期與運營期的監測數據共享與利用等。