成都天府国际机场智能跑道地基监测技术应用研究

郭志高 张略 童志辉 王洪林

【摘要】成都天府国际机场西一跑道是国内首条4F级智能跑道，智能跑道监测系统可以对跑道全寿命周期起到良好的智能监测，智能跑道系统监测传感器作为数据感知基础元件，预埋安装在在土基和道面中，对土基沉降、温度、湿度和道面轮辙、剪切效应、变形行为、湿滑程度等数据采集、分析、预警。文章阐述成都天府国际机场智能跑道系统中地基沉降、温度湿度监测技术应用研究。

【关键词】机场;跑道;智能;地基;监测

【中图分类号】 TU196+.1           【文献标志码】 B

成都天府国际机场是我国"十三五"期间的重大基础设施建设项目，也是"十三五"内开建的中国体量最大的机场建设工程。天府机场场道工程地形复杂多变、软弱土分布不均、填方高度较高，使得地基极易产生不均匀沉降[1]，从而导致道面板出现裂缝、错台乃至断板，对飞机起降安全构成严重威胁。因此有必要在施工期进行地基沉降监测，实时掌控地基沉降情况。本期建设跑道地基沉降监测将西一跑道作为实施区域，通过先进的传感器对地基沉降监测，实时掌控地基沉降与地基湿度的变化情况，为建设期的动态控制与风险预警提供数据支撑，消除安全隐患，保障机场场道施工质量（图1）。

1地基监测区位选择

本期跑道建设地基沉降监测区位选取西一跑道范围内易发生不均匀沉降位置。由于天府机场西一跑道南端为主降方向，同时兼顾跑道北侧次降方向，综合考虑场区填方高度以及异形断面分布、软弱土分布、地基及填方处理方式、河塘冲沟分布等因素（图2）。

西一跑道共选择5处易发生不均匀沉降的区域，并从以上5个区域选取9处重点断面进行监测，其中包括半挖半填横断面3处，高填方横断面1处，半挖半填纵断面5处，如表1所示。

2监测内容

2.1监测项目

针对重点断面监测，监测内容包括地基沉降监测以及地基湿度监测[2]。涉及的监测项目有：

（1）地基沉降监测：主要包括原地基表面沉降监测，填筑体中间层沉降监测，旨在反映地基在不同填筑高度下的沉降量变化以及差异沉降情况，为施工期的动态控制以及地基处理评价提供数据依据。

（2）地基湿度监测：主要包括土体湿度监测、基质吸力监测，感知降雨人渗过程中土体含水量、基质吸力的变化;确定地基湿度来源，考察地基土体固结程度，为地基沉降诱因分析提供数据依据。

2.2传感器选型

传感器选型如表2所示。

2.3传感器技术要求

智能跑道地基沉降监测系统布设智能设施包括光纤、智能沉降仪、单点沉降计、湿度计、基质吸力计、光纤光栅应变计及光纤光栅土压力盒。各传感器的具体技术要求如下。

2.3.1分布式光纤及解调设备

光纤需要有足够的抗拉与抗剪强度，以保證光纤的完好率，同时光纤出厂时应每隔5 m作标记以方便记录光纤埋设长度。解调仪需要有较高的测量精度以及定位精度。具体技术要求如表3所示。

2.3.2其他传感器原件

智能沉降仪、单点沉降计、湿度计、基质吸力计、光纤光栅应变计及光纤光栅土压力盒技术要求如表4所示。

3传感器布设方案

3.1传感器布设原则

传感器的布设是整个地基智能监测系统的基础部分，要满足以下原则：

（1）针对性：传感器的布置要按工程或试验研究的需要、地质条件、结构特点和监测项目来确定有代表性的段落断面[3]。

（2）可操作性：根据地基施工及跑道运营的特点，地基监测有的需要在施工过程中同步埋设，有的需要在施工完成后进行埋设。

（3）适宜性：具有不同功能的传感器工作原理也会有所不同，所以要注意传感器间的协调，系统信号的兼容性等。

（4）稳定性：跑道地基要经受低温、雨水、飞机动荷载等恶劣环境影响和条件考验;为了达到稳定可靠，布置的传感器要注意防水、抗振动保护。

3.2传感器布设方案

针对跑道建设期填筑体底面、中间进行沉降和湿度监测布设传感器元件，填筑体底面的监测用于感知原地表沉降情况，为地基处理评价提供数据;填筑体中间层的监测用于获取填筑体分层沉降情况，为施工的动态控制提供依据。各断面的传感器数量如表5所示。

4地基监测传感器安装施工方法

4.1水平向直埋式光纤布设

（1）水平向直埋式光纤为金属基索状应变传感光缆、5 m 定点光缆以及高强钢丝铠装温度补偿光缆，光缆同槽埋设。

（2）光纤在使用前，需要标定应变系数。

（3）光纤放线，将定点光缆线盘拉开，并放入到沟槽内部，稍微拉直，两端点处预留足够长光缆，用于接线测量。

（4）在监测线路断点部位，打入第一个 T型锚固件，将临近位置的定点光缆定点单元与 T型锚固件用尼龙扎带绑扎固定。采用相同的布设方式依次向沟槽另一端点方向布设安装定点光缆，两相邻定点间应采用一定预应力拉直，使定点光缆处于拉紧状态。待所有定点部位绑扎固定后，在绑扎固定处涂抹环氧树脂胶体，进行胶结固定。

（5）待地基填筑至传感器埋设标高后，于整平的地基工作面上开槽埋设，槽宽40 cm，槽深50 cm。

（6）在光纤布设之前需在沟槽底部铺一层细沙，对沟槽底部进行整平，同时必须挖除沟槽内的块状碎石、植物根茎等硬物。

（7）布设过程中应注意对光纤的保护，避免出现弯折的情况，同时应防止压路机直接碾压光纤。

（8）光纤在填挖交界处需预留长度为4 m 的冗余段，并将冗余段缠绕成环形，环形半径为20 cm， 同时采用保护盒保护。

（9）用于通讯的光纤需沿挖方坡面迁至稳定安全的地点

4.2单点沉降计埋设

（1）在沉降量较小的钻孔内（<1 m）布设一个大量程长标距位移计，在沉降量较大的钻孔内（31 m）布设2个位移计，分别为5 m标距及10 m标距位移计，分段测试土层压缩量。

（2）待地基填筑至预定的传感器埋设标高后，于整平的地基工作面上钻孔，为避免钻孔对下部传感器的破坏，钻孔应偏离跑道中心线2 m， 同时应避开下部地基处理构造物，钻孔小110 mm，钻孔深度视地质条件而定，一般钻至中风化层。

（3）在钻孔成孔完成后，对钻孔进行一次扫孔处理，并用清水进行洗孔处理。

（4）在钻孔邻近空地摊开光纤光栅位移计及其引线。首先将钢丝绳固定到导头上，将位移计拉至满量程后分段绑扎到钢丝绳上，位移计引线在导头上形成回路，保证传感器存活率。

（5）将固定好位移计、引线和钢丝绳等配重导头放入钻孔内部。在钢筋导头自重力下，将位移计带人孔内，下放过程中只能提拉钢丝绳，避免光位移计及引线光缆受力。

（6）在位移计布设安装完好后，将钢丝绳固定绑扎在钻孔上方架子上，保持拉紧状态，防止向下滑移从而导致位移计压缩[4]。

（7）回填封孔材料封孔。

（8）通迅光纤采用 MP管保护（管径5 cm），并与智能沉降仪同槽引线。

4.3智能沉降仪布设

（1）智能沉降仪分为光纤光栅式和振弦式，2种智能沉降仪需同槽埋设。

（2）待地基填筑至预定的传感器埋设标高后，于整平的地基工作面上开槽埋设智能沉降仪，槽宽40 cm，槽深50 cm。

（3）将沉降管在不充水状态下放置于所开挖沟槽，并于沉降管内事先预留钢丝绳。

（4）储液罐应埋设于挖方区的填挖交界处，以提供较稳定的基准点。

（5）将传感器沿着沉降管布设，通过预留的钢丝绳串接好、间距固定的传感器串拉过沉降管，放置于适当位置。

（6）传感沉降管及传感器全部布设完成后，将所有传感沉降管串接起来，形成统一水路与气路，同时储液罐位置需高出沉降管1.5 m。

（7）向测试水路内注水，进行传感器的调试。

（8）采用细沙回填沟槽，并采用 MP保护管（管径5 cm）对通讯电缆进行保护。

4.4濕度计、基质吸力计布设

（1）湿度计在使用前，需要通过室内烘干法对湿度计进行标定。基质吸力在使用前，需要进行标定，并按照一定土水比例配置泥浆，用配置好的泥浆裹覆传感器。

（2）地基填筑至预定的传感器埋设标高后，于整平的地基工作面上开孔埋设，孔宽20 cm，孔长20 cm，孔深50 cm。

（3）湿度计与基质吸力计必须靠近埋设，传感器插入土中时，应避免石块和植物根茎等非均匀物，以免造成探针的偏离从而影响测量结果。

（4）如土壤较干较硬，应将传感器缓慢插入土中，不能使用榔头等钝器用力捶打以免造成传感器损坏。

（5）通讯电缆采用开槽方式布设，槽宽40 cm，槽深50 cm， 同时采用 MP管（管径5 cm）保护。通讯电缆需迁至土面区，并于土面区采用竖向钢管引出（管径5 cm），并立安全警示牌，同时应避免施工对电缆造成的损坏。

（6）采用与土基相同的填料回填孔槽。

4.5临时采集井

临时采集井布置于挖方区的稳定安全的地点，尺寸为2 m×2 m，主要用于放置光纤及各类传感器的通讯电缆，光纤及电缆的输出端口需采用保护箱保护。

5结束语

天府机场应用的智能跑道监测系统技术，通过对跑道土基中安装各类智能传感器感知元件，并将传感器联合组网，实现全天候对跑道的结构信息和状态信息实时感知，通过光纤光缆将数据信息传输至机场飞行区灯光站，经后台工控机数据整理分析、模型三维展示、后台数据管理等处理，为跑道性能风险预警、道面维护、安全运营提供科学依据和有力保障。总之，采用智能跑道监测系统技术对跑道土基和道面的状态信息联合感知监测，可实现对机场跑道智慧化、信息化的全寿命周期监测管理。

参考文献

[1]吴晨楠.黏土半填半挖地基沉降预估模型分析[J].工程技术研究，2020，5（17）：240-241.

[2]张尧.高速公路路基沉降远程监测系统设计[D].西安：长安大学，2015.

[3]桂建达.基于无线传感器网络的滑坡监测预警模型研究[D].南京：南京工业大学，2011.

[4]施斌.地面沉降钻孔全断面分布式光纤监测技术[J].工程地质学报，2018（2）：356-364.