點線融合的機場跑道地基沉降全壽命監測與預估方法

1 引言

地基是機場道面結構的重要支撐平臺，在原地表狀況、地基填方高度、施工水平和水文地質條件等的綜合影響下，地基會產生工后差異沉降。 這種差異沉降將降低地基對道面結構的承載能力，導致局部應力、應變的增大，引發跑道斷板、接縫損壞、錯臺等病害，縮短跑道使用壽命并嚴重威脅飛機滑跑安全[1]。因此，準確監測地基沉降，合理預測其發展趨勢并進行科學評估十分必要。

傳統的地基沉降監測主要采用水準儀、 全站儀等設備進行人工點式操作，自動化水平低、費時費力，對機場施工干擾較大[2]。 通過分層沉降儀、磁環沉降儀等可實時獲取地基內部各層的沉降，但傳感器埋設過程復雜，施工難度和成本高，適用于少數代表性點位的沉降監測[3-4]。 新興的合成孔徑雷達干涉測量技術（InSAR）可無干擾地獲取飛行區全域的沉降信息，但其主要進行地表測量， 難以得到道面結構以下的地基沉降數據[5]。因此，本文綜合采用單點沉降計和智能沉降儀，通過點線融合的方式， 實現沿跑道縱向或橫向地基沉降的全壽命監測，在此基礎上進行地基沉降的計算和預估。

2 地基沉降監測

2.1 傳感器選型

2.1.1 單點沉降計

采用單點沉降計感知單個監測點位的絕對沉降量。 單點沉降計基于光纖光柵技術感知外界環境變化， 可通過光信號（波長）實現解調和傳輸。 通過鉆孔埋設，將傳感器的錨固端固定在穩定土層中，而活動端固定在土體表面。 當土體發生沉降時，傳感器的活動端跟隨移動，導致光的波長發生改變，通過獲取變化的波長數據即可換算出土體絕對沉降。

2.1.2 智能沉降儀

采用智能沉降儀感知多個監測點位之間的相對沉降量。智能沉降儀基于光纖光柵技術或振弦技術感知外界壓力變化，通過光信號（波長）或者電信號（電壓）實現解調和傳輸。 傳感器置于充滿液體的裝置中，土體發生沉降時，沉降儀同步移動而產生液壓差， 從而引起傳感器的光信號或者電信號發生改變， 通過獲取變化的信號數據即可換算各個點位之間的相對沉降。

2.1.3 傳感器技術要求

地基沉降監測面向跑道建設和運維的全壽命周期， 傳感器埋設后難以更換，因此，單點沉降計和智能沉降儀的壽命至少應與跑道設計壽命一致，對于瀝青跑道不小于20 年，水泥跑道不小于30 年。 綜合考慮地基沉降量的監測范圍和精度要求，上述兩個傳感器的量程應不小于1 000 mm，精度應不大于1.0‰FS。

2.2 傳感器點線融合布設

在各個監測斷面的地基填筑體頂面布設傳感器， 主要獲取地基全局差異沉降狀況， 為分析道面結構安全評估提供依據。 其中，布設一個單點沉降計和若干個智能沉降儀，單點沉降計與其中一個智能沉降儀布設在同一點位，如圖1 所示。 智能沉降儀獲取的各點位之間的相對沉降量與單點沉降計獲取的其中一個點位的絕對沉降量疊加即可得到各點位的絕對沉降。 通過兩類傳感器的互相配合，實現地基沉降監測的點線融合布設，以獲取地基沿跑道縱向或橫向的沉降情況。

圖1 單點沉降計和智能沉降儀的點線融合布設方案圖

2.3 傳感器協同施工

采用施工同步技術埋設單點沉降計和智能沉降儀。 各個監測斷面施工時， 均采用溝槽開挖—單點沉降計安裝—智能沉降儀安裝—溝槽回填的方式，同時布設上述兩類傳感器，以增大傳感器的存活率和互相的關聯性，并加快施工速度。

3 地基沉降計算

3.1 絕對沉降

絕對沉降，即地基自開始施工至某一時刻產生的沉降，可采用上文的單點沉降計獲取監測斷面沿縱向或橫向的絕對沉降量。

3.2 工后沉降

工后沉降，即地基自竣工至當前時刻產生的沉降，計算公式如下：

式中，ΔSi為工后沉降，i 為0、1、2、3；Si，2為監測點當前時刻絕對沉降，i 為0、1、2、3；Si，1為監測點竣工時刻絕對沉降，i 為0、1、2、3。

3.3 工后差異沉降

地基相鄰監測點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算監測工后差異沉降，差異沉降的計算方法如式（2）所示：

式中，Di為工后差異沉降，i 為0、1、2、3；Li為相鄰監測點水平距離，i 為0、1、2、3。

相鄰智能沉降儀數據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液罐的沉降。

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

4 沉降預估

4.1 沉降預估方法

本文采用雙曲線模型預估跑道地基全壽命周期內的絕對沉降量， 相較于常用的對數模型計算結果不依賴于參考計算點位選取，避免了點位選取的隨機性所帶來計算偏差。

假定地基沉降變形與時間近似為雙曲線函數關系如式（5）所示：

將待定參數s∞和α 提取到等式右邊可將式（5）寫成：

4.2 沉降控制標準

根據場道地基的變形特點及要求，確定地基沉降控制標準：

1）MH/T 5027—2013《民用機場巖土工程設計規范》規定跑道地基工后沉降應控制在0.2~0.3 m，如表1 所示。

表1 工后沉降和工后差異沉降規范要求

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

3）地基不協調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準可通過對設計過程、施工過程等的控制予以實現，即所提出的控制標準必須具備“可實現性”。

5）為實現地基沉降控制標準，所采取的措施與當前的經濟水平相適應，即具有經濟合理性。

5 計算案例

在北方某機場實際監測了地基沉降情況， 圖2 為單點沉降計的沉降時域曲線。 2017 年9 月至2018 年7 月，地基沉降量大、沉降速度快，絕對沉降約28 cm；2018 年7 月至2020 年3 月，沉降增長緩慢，絕對沉降量2 cm；2020 年3 月至2022年，地基沉降趨于穩定，保持在29 cm 左右。

圖2 單點沉降時域曲線

基于上述方法對機場的實際工后沉降情況進行計算分析，各點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‰，中位數為0.25‰，工后沉降顯著小于規范要求80 cm，工后差異沉降顯著小于規范要求的1.5‰。 計算結果證明，傳感器埋設成功且運行狀態良好，同時地基工后差異沉降得到有效控制，不均勻沉降處治效果達到預期。

6 結論