成都天府國際機場智能跑道地基監測技術應用研究

郭志高 張略 童志輝 王洪林

【摘要】成都天府國際機場西一跑道是國內首條4F級智能跑道，智能跑道監測系統可以對跑道全壽命周期起到良好的智能監測，智能跑道系統監測傳感器作為數據感知基礎元件，預埋安裝在在土基和道面中，對土基沉降、溫度、濕度和道面輪轍、剪切效應、變形行為、濕滑程度等數據采集、分析、預警。文章闡述成都天府國際機場智能跑道系統中地基沉降、溫度濕度監測技術應用研究。

【關鍵詞】機場;跑道;智能;地基;監測

【中圖分類號】 TU196+.1?????????? 【文獻標志碼】 B

成都天府國際機場是我國"十三五"期間的重大基礎設施建設項目，也是"十三五"內開建的中國體量最大的機場建設工程。天府機場場道工程地形復雜多變、軟弱土分布不均、填方高度較高，使得地基極易產生不均勻沉降[1]，從而導致道面板出現裂縫、錯臺乃至斷板，對飛機起降安全構成嚴重威脅。因此有必要在施工期進行地基沉降監測，實時掌控地基沉降情況。本期建設跑道地基沉降監測將西一跑道作為實施區域，通過先進的傳感器對地基沉降監測，實時掌控地基沉降與地基濕度的變化情況，為建設期的動態控制與風險預警提供數據支撐，消除安全隱患，保障機場場道施工質量（圖1）。

1地基監測區位選擇

本期跑道建設地基沉降監測區位選取西一跑道范圍內易發生不均勻沉降位置。由于天府機場西一跑道南端為主降方向，同時兼顧跑道北側次降方向，綜合考慮場區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處易發生不均勻沉降的區域，并從以上5個區域選取9處重點斷面進行監測，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監測內容

2.1監測項目

針對重點斷面監測，監測內容包括地基沉降監測以及地基濕度監測[2]。涉及的監測項目有：

（1）地基沉降監測：主要包括原地基表面沉降監測，填筑體中間層沉降監測，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，為施工期的動態控制以及地基處理評價提供數據依據。

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

2.2傳感器選型

傳感器選型如表2所示。

2.3傳感器技術要求

智能跑道地基沉降監測系統布設智能設施包括光纖、智能沉降儀、單點沉降計、濕度計、基質吸力計、光纖光柵應變計及光纖光柵土壓力盒。各傳感器的具體技術要求如下。

2.3.1分布式光纖及解調設備

光纖需要有足夠的抗拉與抗剪強度，以保證光纖的完好率，同時光纖出廠時應每隔5 m作標記以方便記錄光纖埋設長度。解調儀需要有較高的測量精度以及定位精度。具體技術要求如表3所示。

2.3.2其他傳感器原件

智能沉降儀、單點沉降計、濕度計、基質吸力計、光纖光柵應變計及光纖光柵土壓力盒技術要求如表4所示。

3傳感器布設方案

3.1傳感器布設原則

傳感器的布設是整個地基智能監測系統的基礎部分，要滿足以下原則：

（1）針對性：傳感器的布置要按工程或試驗研究的需要、地質條件、結構特點和監測項目來確定有代表性的段落斷面[3]。

（2）可操作性：根據地基施工及跑道運營的特點，地基監測有的需要在施工過程中同步埋設，有的需要在施工完成后進行埋設。

（3）適宜性：具有不同功能的傳感器工作原理也會有所不同，所以要注意傳感器間的協調，系統信號的兼容性等。

（4）穩定性：跑道地基要經受低溫、雨水、飛機動荷載等惡劣環境影響和條件考驗;為了達到穩定可靠，布置的傳感器要注意防水、抗振動保護。

3.2傳感器布設方案

針對跑道建設期填筑體底面、中間進行沉降和濕度監測布設傳感器元件，填筑體底面的監測用于感知原地表沉降情況，為地基處理評價提供數據;填筑體中間層的監測用于獲取填筑體分層沉降情況，為施工的動態控制提供依據。各斷面的傳感器數量如表5所示。

4地基監測傳感器安裝施工方法

4.1水平向直埋式光纖布設

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

（2）光纖在使用前，需要標定應變系數。

（3）光纖放線，將定點光纜線盤拉開，并放入到溝槽內部，稍微拉直，兩端點處預留足夠長光纜，用于接線測量。

（4）在監測線路斷點部位，打入第一個 T型錨固件，將臨近位置的定點光纜定點單元與 T型錨固件用尼龍扎帶綁扎固定。采用相同的布設方式依次向溝槽另一端點方向布設安裝定點光纜，兩相鄰定點間應采用一定預應力拉直，使定點光纜處于拉緊狀態。待所有定點部位綁扎固定后，在綁扎固定處涂抹環氧樹脂膠體，進行膠結固定。

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

（6）在光纖布設之前需在溝槽底部鋪一層細沙，對溝槽底部進行整平，同時必須挖除溝槽內的塊狀碎石、植物根莖等硬物。

（7）布設過程中應注意對光纖的保護，避免出現彎折的情況，同時應防止壓路機直接碾壓光纖。

（8）光纖在填挖交界處需預留長度為4 m 的冗余段，并將冗余段纏繞成環形，環形半徑為20 cm， 同時采用保護盒保護。

（9）用于通訊的光纖需沿挖方坡面遷至穩定安全的地點

4.2單點沉降計埋設

（1）在沉降量較小的鉆孔內（<1 m）布設一個大量程長標距位移計，在沉降量較大的鉆孔內（31 m）布設2個位移計，分別為5 m標距及10 m標距位移計，分段測試土層壓縮量。

（2）待地基填筑至預定的傳感器埋設標高后，于整平的地基工作面上鉆孔，為避免鉆孔對下部傳感器的破壞，鉆孔應偏離跑道中心線2 m， 同時應避開下部地基處理構造物，鉆孔小110 mm，鉆孔深度視地質條件而定，一般鉆至中風化層。

（3）在鉆孔成孔完成后，對鉆孔進行一次掃孔處理，并用清水進行洗孔處理。

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

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

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

（7）回填封孔材料封孔。

（8）通迅光纖采用 MP管保護（管徑5 cm），并與智能沉降儀同槽引線。

4.3智能沉降儀布設

（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。

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

（3）將沉降管在不充水狀態下放置于所開挖溝槽，并于沉降管內事先預留鋼絲繩。

（4）儲液罐應埋設于挖方區的填挖交界處，以提供較穩定的基準點。

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

（6）傳感沉降管及傳感器全部布設完成后，將所有傳感沉降管串接起來，形成統一水路與氣路，同時儲液罐位置需高出沉降管1.5 m。

（7）向測試水路內注水，進行傳感器的調試。

（8）采用細沙回填溝槽，并采用 MP保護管（管徑5 cm）對通訊電纜進行保護。

4.4濕度計、基質吸力計布設

（1）濕度計在使用前，需要通過室內烘干法對濕度計進行標定。基質吸力在使用前，需要進行標定，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）地基填筑至預定的傳感器埋設標高后，于整平的地基工作面上開孔埋設，孔寬20 cm，孔長20 cm，孔深50 cm。

（3）濕度計與基質吸力計必須靠近埋設，傳感器插入土中時，應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量結果。

（4）如土壤較干較硬，應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，槽寬40 cm，槽深50 cm， 同時采用 MP管（管徑5 cm）保護。通訊電纜需遷至土面區，并于土面區采用豎向鋼管引出（管徑5 cm），并立安全警示牌，同時應避免施工對電纜造成的損壞。

（6）采用與土基相同的填料回填孔槽。

4.5臨時采集井

臨時采集井布置于挖方區的穩定安全的地點，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箱保護。

5結束語

天府機場應用的智能跑道監測系統技術，通過對跑道土基中安裝各類智能傳感器感知元件，并將傳感器聯合組網，實現全天候對跑道的結構信息和狀態信息實時感知，通過光纖光纜將數據信息傳輸至機場飛行區燈光站，經后臺工控機數據整理分析、模型三維展示、后臺數據管理等處理，為跑道性能風險預警、道面維護、安全運營提供科學依據和有力保障。總之，采用智能跑道監測系統技術對跑道土基和道面的狀態信息聯合感知監測，可實現對機場跑道智慧化、信息化的全壽命周期監測管理。

參考文獻

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

[2]張堯.高速公路路基沉降遠程監測系統設計[D].西安：長安大學，2015.

[3]桂建達.基于無線傳感器網絡的滑坡監測預警模型研究[D].南京：南京工業大學，2011.

[4]施斌.地面沉降鉆孔全斷面分布式光纖監測技術[J].工程地質學報，2018（2）：356-364.