機場智慧跑道監測體系設計與優化

文｜西北民航機場建設集團有限責任公司 張奇 王荔

前言

西北地區部分機場場區地形起伏大，原地面土層類別存在差異或出現填挖交界，會引起跑道的不均勻沉降，大溫差也會導致溫度翹曲脫空，容易發生結構斷板問題。此外在環境和荷載雙重作用下，道面相鄰的水泥混凝土板在接縫處容易出現伸縮變形較大，導致接縫傳感能力不足，進而引發道面接縫破碎和雨水下滲的問題。上述問題給機場道面及運行帶來潛在安全隱患，有必要構建機場智慧監測系統，降低跑道變形與結構安全風險，提高道面診斷自動化水平。

作為新基建的代表、智慧機場建設的成果之一，鄂州機場自立項以來獲得了行業內外的廣泛關注[1]。在未來，行業將向著數字化、智能化與智慧化轉型升級，可能利用RFID（射頻識別）技術、ZigBee 無線網絡技術或GPS 定位技術，在機場內部架設傳感網絡，實現對機場裝備的實時信息獲取[2]。2020年，民航局發布了建設“平安、綠色、智慧、人文”四型機場的五年綱要，其中“智慧機場”是指建設生產要素全面物聯、數據共享、協同高效、智能運行的機場[3]。智能化機場建設是實現其他三型機場的必要保證，是建設四型機場的重中之重，而物聯網、云計算、大數據等數字化信息技術為提升機場智能化水平起到了重要推動作用[4]。當前，智慧機場建設不再局限于單一的系統或應用，更多的是融合多項技術、打通數據流動、并聯多個平臺，如樞紐機場聯通軌道交通成為區域性綜合交通中心[5]。

本項目針對飛行區地質條件、機場運行性質及荷載特征，選擇重點截面布設傳感器，采用新型建設方法，開發建立道面智能化監測系統，實現道面設計、施工到運行的全壽命周期一體化監測與管控，提高飛行區道面維修效率。

1.智慧跑道監測研究內容

本項目針對機場的道面變形、道面環境荷載以及道面環境安全進行監測和研究，最后提出得到機場智慧跑道體系監測的優化設計，具體監測內容如下：

（1）機場全生命周期的變形監測

西北部分地區機場道面不均勻沉降和邊坡穩定性問題突出，本項目采用綜合變形監測系統對填筑體頂面沉降、填筑體分層沉降、不均勻沉降以及邊坡位移進行連續觀測，以獲得整個機場全生命周期的變形數據，為工程施工期的安全風險識別以及運營期維護提供數據支撐和決策依據。

（2）道面環境荷載監測

當機場環境溫差大，水泥混凝土板結構在道面板內存在有較大的溫度梯度，將導致道板形成溫度翹曲變形，在飛機荷載作用下易形成斷板，因此要對內部溫度場進行監測。此外還要考慮到飛機荷載對結構響應的作用，實現傳感器激勵信號源的捕捉。

（3）道面結構安全監測

填挖交界、承受沖擊荷載以及溫差較大的關鍵位置進行道面結構安全監測。具體內容包括：道面結構翹曲變形監測、道面板底脫空監測。以上都可能導致道面結構產生脫空、斷板、不平整等等病害，重點要對跑道上起降帶等關鍵截面的結構疲勞監測、道面結構接縫伸縮狀況及傳荷能力監測。

2.智慧跑道傳感器監測方案

傳感器是跑道監測的工具與基礎，本項目依據機場的特點，從沉降變形、邊坡失穩、結構安全、運行安全以及交通荷載等方面，明確了監測的指標及擬采用的傳感器類型，為隨后的研究提供基礎。

2.1 傳感器布設位置

2.1.1 變形監測

（1）地基沉降監測

機場填方與填挖交界處容易產生不均勻沉降，會造成跑道變形，對機場的運行產生很大風險，因此對跑道、滑行道上的重點截面實時監測，以填方區域、填挖交界處、挖方區域為重點截面選取原則，采用單點沉降計、分層沉降計和智能沉降儀等監測傳感器監測重點截面的絕對沉降、差異沉降，獲取道面的絕對沉降量、沉降速率、差異沉降等指標。變形監測分為施工期監測和運營期監測，施工期監測時，填方區選1 個位置，鉆孔埋設2 個單點沉降計；運營期監測時，跑道填方區域約400 m 布置1 個測點，填挖交界和挖方區域約200 m布置1 個測點；平滑道約每隔350 m～500 m布設一個測點，圖1為沉降儀布設示意圖。

圖1 沉降儀布設示意圖

圖2 GNSS 自動化監測系統

圖3 GNSS 監測站

（2）邊坡變形監測

邊坡穩定性同樣是影響機場安全的重要因素之一，必須對邊坡的變形進行監測以掌握其情況，保障機場運行安全。重點截面選擇填方邊坡處與挖方邊坡處，采用GNSS 自動化監測系統和固定式測斜儀來監測重點截面的填方的坡頂表面位移、深層水平位移，挖方的坡頂表面位移，降雨量等指標。

2.1.2 道面環境荷載監測

環境溫差大的地區，水泥混凝土板結構在道面板內存在有較大的溫度梯度，將導致道板形成溫度翹曲變形，在飛機荷載作用下易形成斷板，因此要對內部溫度場進行監測。此外還要考慮到飛機荷載對結構響應的作用，實現傳感器激勵信號源的捕捉。一般采用埋入式溫度計來監測重點截面的表面溫度和結構內部溫度，分別設在板中和邊角，并按照上、中、下三層埋設。選取三個截面，每個截面布設2 塊板，一塊板位于在中線一側，另一塊板位于同側道面邊緣；每塊板埋設6 個。跑道接地帶布設兩組水膜冰雪傳感器，土面區布設激光輪跡和紅外熱像儀輔助進行環境荷載監測。

2.1.3 道面結構安全監測

針對機場的道面結構安全，本項目采用動態應變計、加速度計、測縫計和靜態應變計來監測跑道起降帶以及中間位置區域和滑行道端頭位置等典型截面的翹曲變形、地基支撐情況，以及對板底脫空及結構疲勞情況以及接縫傳荷能力進行監測。跑道和滑行道分別選取兩個典型截面，在板中、板邊和板角埋設動態應變計，跑道每個截面布設6 塊板，平滑道每個截面布設4 塊板，均沿中線兩側布設，每塊板埋設9 個動態應變計。同時，分別在板中和板邊，并按照雙層埋設靜態應變計，跑道每個典型截面布設4 塊板，平滑道每個典型截面布設2塊板，均埋設在道面邊板，每塊板埋設4 個。測縫計在跑道典型截面每個埋設4 個；平滑道典型截面，每個截面埋設2 個。

圖4 環境荷載傳感器布設示意圖

2.2 傳感器安裝施工

（1）地基沉降監測系統傳感器施工

地基沉降監測系統傳感器主要包含單點沉降計與智能沉降儀，首先于地基工作面上鉆孔，將沉降計拉至滿量程后分段綁扎到鋼絲繩上，放入鉆孔內部，隨后將鋼絲繩固定綁扎在鉆孔上方架子上。下基層水穩施工完成后，采用RTK 實地放線開挖溝槽，把智能沉降儀均埋設于槽內，并將智能沉降儀通訊光纖、智能沉降儀主水管、智能沉降儀通氣管引入PPR 管。將線纜通道匯集至道面邊線旁土面區的溝槽，并將單點沉降計通訊光纖、智能沉降儀通訊光纖與光纜主纜熔接。線纜匯集通道與“采集儀保護箱”相接，在采集儀保護箱中布設6 通道數據采集儀、基康8 通道數據采集儀和無線傳輸模塊及其傳輸存儲平臺。在場務用房中布設16 通道柜式光纖光柵解調儀，光纜主纜通過光纖接續盒與光纖跳線熔接，光纖跳線與解調儀連接。

（2）邊坡監測傳感器施工

邊坡監測傳感器主要包括了GNSS 表面位移監測系統與固定式測斜儀。采用鋼筋混凝土建設GNSS 監測站觀測墩，在邊坡逐層填筑時，在每層表面打孔、埋設固定式測斜儀，根據監測需求相隔一定深度設置一個測點。在GNSS 和固定測斜儀附近設立金屬立柱，該立柱用于安裝太陽能板和無線傳輸模塊，立柱下端也采用混凝土墩作為支撐體。

（3）道面結構監測傳感器施工

本項目中道面結構監測傳感器主要包含了應變計、溫度傳感器、加速度計與測縫計。應變計在道面板澆筑之前安裝，首先在出線處的基層頂面刻槽，埋入MPP 管，將需要布設的傳感器綁扎于鋼筋支架上，在基層頂面相應位置鉆6 個孔，插入螺紋鋼筋。溫度傳感器要三層布設于道面板，在出線處的基層頂面刻槽，埋入MPP 管，在基層相應位置鉆孔，將單根螺紋鋼筋插入鉆孔，用水泥砂漿填充空隙，并選取螺紋鋼，在相應位置綁扎溫度傳感器，將溫度傳感器并聯熔接，將每個并聯支路引出的鎧裝光纜穿入已埋設的MPP 管中。加速度計與測縫計安裝也是相同的步驟。

3.結論

本次項目依托實際工程，以解決機場地基不均勻沉降、邊坡穩定性差、早晚溫差過大等問題為目的，著眼于機場全生命周期的變形監測，道面環境荷載監測與道面結構安全監測，致力于建立道面智能監測與運維一體化綜合管理平臺，實現了機場飛行區運行安全風險的評估與預警與道面設施精準維護與智慧決策，大幅降低道面測試人工參與度，提高了機場管理水平。本項目實踐應用了監測機場地基沉降的新技術，對智慧跑道地基沉降變形監測方案進行了優化，對于控制機場全域和重點區域的沉降變形具有重要的作用，同時改進了傳感器設備提升了監測傳感器壽命，提高了監測的精度，使監測數據的共享與利用變得更加快速簡單。