西安咸阳机场三期扩建智慧跑道地基沉降监测方案设计与优化

程峰

（西部机场集团公司，西安710065）

1 引言

咸阳机场位于中国内陆中心，是西北地区最大、北方第二大机场，也是我国规划建设的八大区域性枢纽机场之一。在国家全面布局“新基建”的背景下，西安咸阳机场三期工程加快推进“四型机场”建设，构建面向多跑道模式的智慧跑道系统，重点涉及新建跑道（北跑道N1、N2 及南跑道S2）与既有跑道S1 等。场区内覆盖有湿陷性黄土，具有填挖不均的特殊条件，下伏地下暗埋空穴，与城际线、阎机线存在地下立体交叉，机场地基沉降与运行安全风险多，有必要构建地基沉降智慧监测系统，降低跑道变形与结构安全风险。

对于地表沉降监测，目前工程常用的工具及仪器有沉降监测桩、沉降水杯、沉降板、分层沉降管、磁环沉降仪、测量机器人等[1]。此外，还有一些先进的监测方法，如摄影测量、GPS、合成孔径雷达干涉测量技术（InSAR）、变形监测技术和三维地面扫描技术等。对于机场，尤其是高填方机场，沉降监测范围广、监测数据量庞大，常规监测方法（如水准测量）需要大量的人工测量。新型的摄影测量由于摄影距离和价格受限，在变形检测中的应用尚不普及；也有学者利用传感元件将沉降变形转化为电压、电阻、振弦频率等指标，并进一步引入光纤传感技术，提高沉降变形监测的质量，如施斌等[2，3]采用分布式光纤监测地面变形等，但应用光纤技术的地基内部和深层变形监测研究有待进一步实践和验证。InSAR 技术是近年兴起的新型监测手段，通过卫星图像获取间隔时间内的沉降变形结果，实现广域非接触监测，在机场、大坝、边坡等领域也有相关应用[4-7]，属于全域沉降监测的新方向。本文针对西安咸阳机场的特殊地质和下穿工程条件，面向智慧跑道的建设需求，充分引入地基沉降监测新技术和新手段，构建建设-运营一体化的地基沉降监测的设计与优化方案。

2 地基沉降智能监测目标和重点

西安机场三期扩建受到土质条件、新老交界和下穿工程等因素影响，地基建设复杂且困难，难点来自湿陷性黄土及其分布厚度差异、防水层下湿度聚集效应、不同地基处理方式带来的地基刚度差异、施工期间降雨后地表汇水对湿陷性黄土的短期浸泡、不停航施工对既有跑道的沉降变形控制要求高等。因此，机场地基沉降智慧化监测有必要充分考虑上述多因素的共同影响，通过先进传感技术，实现跑道地基不均匀沉降和边坡变形的高精度、主动式监测和预警，为施工控制和动态设计提供基础数据，同时，为运营期道面养护决策提供参考。

南、北侧飞行区的土方修筑和地基处理状况不同，南侧高填方多，沉降失稳风险高，新建南跑道S2 和联络道的地基不均匀沉降更应重点关注，同时，新建道面对既有道面的影响与高边坡变形也是重要考虑因素。北侧飞行区重点考虑道槽区地基顶面不均匀变形及湿度聚集影响。因此，结合不同区域地基沉降监测的特点，本文拟采用全域沉降监测、重点部位点式沉降监测、地基湿度监测和边坡支挡变形监测等方式。

2.1 全域沉降监测

InSAR 技术具有全天候、大范围、低干扰、无须地面人工干预等优势，采集卫星雷达累计时段内的影像数据，监测解析飞行区施工、运营期的全域地基和道面沉降信息。

2.2 重点部位点式沉降监测

从不均匀沉降的实时和施工便利性考虑，采用智能沉降仪监测原地基表面沉降变化，选择单（多）点位移计监测地基填筑体表面和内部的分层沉降。

2.3 地基湿度状态监测

地基湿度监测是在地基土体内部埋设体积含水量传感器，感知降雨入渗过程中土体含水量的实时变化，尤其是咸阳机场场址内普遍存在的湿陷性黄土，降雨入渗对黄土湿陷的影响巨大，因此，有必要对地基湿度进行重点监测。

2.4 边坡支挡变形监测

边坡支挡变形监测是针对机场的高填方挡墙，采用光纤测斜管监测高填方填土的水平侧向变形，进而分析边坡支挡变形。

3 智慧跑道地基沉降监测方案

3.1 传感器布设位置

3.1.1 南侧飞行区

南侧飞行区重点考虑高填方、湿陷性黄土、填挖交界不均匀沉降、跑道起降带、高填方边坡支挡等因素，传感器埋设位置包括新建跑道S2、平滑道和部分联络道等，传感器平面布置分布如图1 所示。其中，跑道位置的监测点在2 个跑道起降带中间的间隔约100 m，部分测点接近飞机滑行转弯较多的快滑出入口。地基沉降监测传感器纵断面布置如图2 所示。传感器类型包括32 个单点沉降计、10 个多点沉降计、52 个湿度计、23 套智能沉降仪、6 个储液罐和8 个光纤测斜仪。其中，道基顶面埋设湿度计、智能沉降仪、单（多）点沉降计等，沉降计下端部均设置于土基底部下方2 m 处的黄土层。

图1 南侧飞行区地基沉降监测传感器平面布置图

图2 南侧飞行区地基沉降监测传感器纵断面图

3.1.2 北侧飞行区

北侧飞行区重点考虑湿陷性黄土、新旧道面、下穿工程、跑道起降带等因素，埋设传感器的位置包括新建跑道N1 和N2、平滑道和部分联络道等，地基沉降监测传感器平面布置如图3 所示。跑道监测点大部分位于两端起降带之间区域，并且快滑道出入口、平滑道和联络道的测点可位于新老道面交界不均匀沉降处。传感器类型包括62 个单点沉降计、3 个多点沉降计、56 套智能沉降仪、14 个储液罐和45 个湿度计。其中，道基顶面设置湿度计、智能沉降仪、单（多）点沉降计等。

图3 北侧飞行区地基沉降监测传感器平面布置图

3.2 传感器布设施工

地基传感器包括沉降仪、湿度计等，采用开槽+钻孔方法，槽内铺设底层砂，上层回填商品混凝土。具体而言，单点/多点沉降计施工包括钻孔、钻孔回填、引线开槽等。钻孔深度必须穿透填筑层，达到稳定土层。钻孔下放导锤后回填水泥浆、中粗砂、膨胀土球等。智能沉降仪施工包括下基层开槽、布设土工布、槽内铺设底层砂、埋设智能沉降仪、固定与保护传感器、铺设保护砂层、反包土工布、槽内回填混凝土等。湿度计施工是在道基顶面开槽后，将湿度计插入坑槽底部，然后，采用细粒土回填坑槽并压实。

对于光纤测斜管，在边坡逐层填筑时，每层填筑后，在表面打孔、埋设测斜仪。用测斜仪测量测斜管的倾斜，同时，测量测斜管的有效深度，根据孔深和管口高程计算孔底高程。在安装仪器时使用安全钢缆，保证仪器在进入测斜管内意外脱落时可用安全绳将仪器拉回。传感器沉入钻孔后，应将线缆盘起，随着仪器的下沉，逐渐放入，以免电缆相互干扰。完成仪器安装后即可开始监测。

InSAR 非接触式沉降监测对机场跑道、滑行道、下穿建（构）筑物的地表开展全覆盖沉降变形监测，并定期更新监测数据和监测报告。有必要时可在飞行区土面区布设角反射器，增强遥感卫星的监测识别能力，获取整个场区的不均匀沉降变形数扰，为全域不均匀沉降分析管理提供更多的数据依据。

4 结语

本文依托西安咸阳机场三期智慧跑道项目，从地基处理和特殊地质条件出发，设计和优化了智慧跑道地基沉降变形监测方案，运用了机场场道地基沉降监测新技术，对于控制机场全域和重点区域的沉降变形和边坡失稳变形具有重要的作用。结合地基监测方案，本文也进一步思考了机场智慧跑道建设方向，例如，通过改进传感器设备，进一步保障监测传感器寿命、提高监测精度，增强建设期与运营期的监测数据共享与利用等。