数字化监控技术在机场场道工程中的应用研究

曹富贵

【摘要】机场场道施工的重点是处理好土基、垫层、基层的密实度，要求达到足够的稳定性、承载力以及刚度，然后在其基础之上再去浇筑水泥混凝土层。传统技术模式下，主要采用人工布点和专业设备检测的方式获取各层的压实度参数，但是其效率非常低下，还容易产生遗漏。本文主要研究利用数字化监控技术，实现实时监控机场场道压实效果的策略。

【关键词】数字化监控技术;机场场道工程;应用

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.33.067

道面基础的夯实效果对机场场道工程的施工质量产生着非常深远的影响，在工程实践中使用振动碾压机等设备来夯实基层，但是为了提高质量，必须检测基层的压实度、体积稳定性以及其他一些重要的参数。利用数字监控技术可在碾压设备作业的过程中检测到这些数据，比人工检测的方式更加准确、严密和高效。

1、机场场道工程施工特点

1.1机场场道

第一，等级划分。机场中服务的飞机具有多种类型，干线飞机的长度、翼展以及载客数量都比支线客机大得多，所以机场场道在设计规格上存在一定的差异，民航工程中将飞行区指标划分成两个等级，分别为Ⅰ级和Ⅱ级，并且这两个等级又按照不同的指标细分成不同的类别。例如，在指示区Ⅱ中根据主起落架最外侧间距或者飞机的翼展宽度划分为A、B、C、D、E、F 这6种类别。第二，机场跑道的结构特点。跑道具有对称性，主体结构为道面，采用水泥混凝土浇筑而成，其厚度可根据机场飞机服务能力来确定，一般可达到420mm，与道面临近的部分是道肩，其浇筑厚度比道面略薄，一般在200mm之内，具体要根据工程项目特点来确定，最外层的是土面区[1]。

1.2机场场道工程的地质要求

机场场道用于各型飞机的起降，其性能和质量要求都非常高。场道按照结构特点可分为土基、垫层、基层以及水泥混凝土层，其中任何一个构成部分都会影响到场道的承载能力。表面上看，水泥混凝土层是最主要的承力层，但力的作用可传递到更下层的基层和土层，如果下层基土夯实不到位，道面也会因为承载力不足而出现严重的损坏[2]。因此，在《民用机场水泥混凝土道面设计规范》中对这些关键的组成部分提出了严格的技术要求。

第一，土基的要求。机场场道的施工范围比较大，一条跑道的长度可达到上千米，在具体施工的过程中难免会遭遇一些不良的地质条件，因此，在工程勘察阶段必须严格检查是否存在膨胀土、软土层等不良的土壤地质条件，同时还要预防地下水以及地表水的影响。

第二，道床填料要求。按照机场跑道的设计特点，道床是道面和道肩下方的主要承力层，道床的填筑、夯实效果对机场跑道的性能具有深远的影响。在工程规范中要求道床填料的粒径范围必须控制在20cm以下，含水量大的黏土、高液限粉土等都不能用于填筑机场跑道的道床。在工程实践中大多采用水泥稳定碎石来处理。

第三，垫层。垫层处于土基之上，同时位于基层之下，其主要作用是降低不良土基对机场场道工程的影响，主要原因在于机场的土基范围比较大，有些不良土壤层的处理难度非常大，处理成本也很高，此时可直接在这些不良土壤之上铺设垫层，一般将碎砾石、粗砂、粉煤灰或者粉碎后的建筑工程材料混合在一起，形成垫层，其作用也非常重要，在寒冷的地区可起到抗冻的效果，同时由于垫层使用的材料具有一定的孔隙，其防水效果也很突出，当降雨量比较大时可直接通过垫层实现快速的排水，将雨水下渗到土壤中[3]。

第四，基层。在水泥混凝土层之下就是基层，跑道上的载荷通过混凝土层直接传递到了基层，因而基层的性能必须非常突出，良好的刚度、强度以及抗剪能力将会提升基层的性能，并且在冬季低温条件下不得出现冰冻、膨胀之类的问题，否则水泥混凝土层下方将会受到比较严重的应力作用。另外，不同的飞行区指标对基层的厚度提出了不同的要求。表1中列举了基层厚度的具体指标（以飞行区指标等级Ⅱ为例），数据来自民航工程机场跑道的建设规范。基层的具体压实度与其施工材料之间具有密切的联系，采用砾石作为基层的主要材料时，其压实度不得低于96%（A、B）和98%（C、D、E、F）。如果基层的填料为粉煤灰和石灰的细粒土构成，那么以上的压实度分别控制为不低于93%和96%[4]。

第五，水泥混凝土面层。道面和道肩都采用现浇混凝土的技术来施工，根据机场跑道所在地区的年最低气温可将其混凝土材料的标号控制为F200以上和F300以上，前者对应的温度范围是0到零下10摄氏度，后者对应的温度范围是零下10摄氏度以下。混凝土层在具体施工时要注意控制好面层的平整度，并且要具备足够的耐磨性和防滑性。（详见表1）

2、数字化监控技术在机场场道施工中的应用场景

从场道工程的施工特点可知主要的工程活动在于处理好土基、垫层、基层，排除不良的地质条件，为后续的水泥混凝土层施工打好基础。以下重点从场道的压实处理来分析数字化技术的具体应用方法。

2.1数字化监控技术的主要用途和优势

第一，传统压实方法存在的弊端。在机场场道的压实处理中，传统技术主要在整个作业场地上设置一系列检测点，然后在压实处理结束之后，再以人工检测的方式逐一去测量每一个点位的具体压实度，显然这种方法应用了数学中的统计学原理。当大量的检测点满足技术要求之后，即可判断压实度满足了工程设计需求。但是，从理论上讲，这种方法必然存在一定的漏洞，主要缺陷在于采样点并不能完全反映出每一个点位的具体压实度，而且这种测量方式的效率也非常低下，难以满足大范围施工。尤其在当前的信息化时代，非常不利于提高工程效率[5]。另外，这种处理方法是在整体压实结束之后才开展的，是一种典型的事后控制方法。

第二，基于数字化技术的连续过程压实监控技术。西方发达国家在20世纪后期设计了一种可用于监控连续压实质量的信息化系统，主要用在公路工程、鐵路工程的地基处理，后来将其扩展到民航工程建设中，实际上工程原理都非常相似，只不过发挥作用的场景发生了变化。这种技术被称为CPMS。其工作原理如下：施工区域内的地质条件基本上比较接近，并且基层以及垫层都采用相同的填料来铺筑，碾压时使用传统的振动压路机，在碾压过程中不断向基层产生一定强度的作用力，同时基层也会产生一定的反作用力，而这些力的作用都可借助专业的传感器来测量，这样就可实现对振动碾压过程的有效监控。因此，在具体应用时要在振动碾压机械设备上布置一定数量的传感器，进而建立起相关的力学模型。力的测量主要围绕压路机上的振动轮，这种技术的具体实现原理可参考图1。

第三，基于CPMS的信息化监测技术的优点。使用了CPMS技术之后，机场跑道压实施工的监控程度实现了大幅度的改善。1）过程实现可控。由于使用了精确的传感器测量振动轮和土壤的反作用力，精度上非常高，压实程度和力的大小具有直接关系。除了关注压实度之外，还会非常重视压实的均匀性，如果不同的施工位置在压实度上产生了显著的差异，那么后续的混凝土垫层浇筑施工也会受到严重的干扰，后期运维阶段会出现不均匀沉降的风险。另外，压实的稳定性也是重要的监控参数之一，这一点主要通过基层的反作用力来判断，初期阶段，基层的反作用力比较明显，但是随着其不断压实，几乎不会在反弹，也就不会产生明显的反作用力，达到足够的稳定性。2）效率大幅提升。由于这种压实监控技术会跟随振动压路机的运行而实时进行，检测到的参数会及时存储在数据库中，几乎在碾压结束时就已经完成了压实度的检测，并且在具体实施的过程中就可判断上一阶段的碾压效果是否达标，此时可借助这些参数实时调整后续的压实操作。显然，相对于传统的人工检测方式，其效率早已大幅度提升。（详见图1）

2.2数字化监控技术的具体应用方法

第一，确定关键参数。CPMS是一种有效的压实质量监控措施，但是在分析具体的压实效果时，该方法非常依赖于几个关键的参数，其一是参数k，涵义为常规控制指标，其二为VCV，涵义为连续压实控制指标，其三为ε，其含义为相关系数。但是这三个参数并非常数，而是和地质条件息息相关，在碾压的准备阶段要通过对比试验，测定这些参数值。工程实践中要求相关系数ε的数值不低于0.7[6]。第二，建立参数之间的关系。在工程实践中，根据试验确定出现场压实系数K，这一参数作为常规质量控制指标，然后利用测量所得的其他数据，绘制直角坐标图，横坐标为常规控制指标K，纵坐标为VCV，通过点的分布观察整个数据的斜率，这一参数就是ε。第三，质量控制。通过实际的检测数据获取K、VCV以及ε之后，即可根据这些参数开展进一步的判断，研判连续压实的均匀性、稳定性等是否达到了相关的技术要求。这种基于大范围、连续作业所形成的数据极大地提升了机场场道压实度监控的信息化水平。

结语：

数字化监控技术利用先进的传感器和计算机平台获取机场场道基层的压实数据，这种基于信息化的技术显著地提高了质量控制的效率和精度，其中比较典型的方法为CPMS，将传感器布置在振动碾压设备上，根据振动轮的受力特点来判断压实度、稳定性等参数。

参考文獻：

[1]谢华.数字化视频监控系统在民航机场的应用[J].电子技术与软件工程，2018，143（21）：32.

[2]张磊.数字视频监控系统在成都双流国际机场T2航站楼中的应用[J].建筑工程技术与设计，2017，000（020）：4464-4465.

[3]叶涛，郑鹤.视频监控系统在机场场道工程振动沉管砂砾石桩施工中的应用[J].城市住宅，2016，23（001）：122-124.

[4]汪海洋.机场软土地基处理施工方法和数字化质量控制探析[J].建筑与装饰，2018（12）：125-125.

[5]史文杰.连续压实过程监控系统（CPMS）在机场场道填筑中的应用[J].电视技术，2019，v.43;No.528（21）：70-71.

[6]梁军平，赵文斌，马万良.连续压实过程监控系统（CPMS）在机场场道填筑中的应用[J].中国港湾建设，2015，035（003）：61-63，73.