文｜西北民航機場建設集團有限責任公司 張奇 王荔

前言

西北地區(qū)部分機場場區(qū)地形起伏大，原地面土層類別存在差異或出現(xiàn)填挖交界，會引起跑道的不均勻沉降，大溫差也會導致溫度翹曲脫空，容易發(fā)生結構斷板問題。此外在環(huán)境和荷載雙重作用下，道面相鄰的水泥混凝土板在接縫處容易出現(xiàn)伸縮變形較大，導致接縫傳感能力不足，進而引發(fā)道面接縫破碎和雨水下滲的問題。上述問題給機場道面及運行帶來潛在安全隱患，有必要構建機場智慧監(jiān)測系統(tǒng)，降低跑道變形與結構安全風險，提高道面診斷自動化水平。

作為新基建的代表、智慧機場建設的成果之一，鄂州機場自立項以來獲得了行業(yè)內外的廣泛關注[1]。在未來，行業(yè)將向著數(shù)字化、智能化與智慧化轉型升級，可能利用RFID（射頻識別）技術、ZigBee 無線網(wǎng)絡技術或GPS 定位技術，在機場內部架設傳感網(wǎng)絡，實現(xiàn)對機場裝備的實時信息獲取[2]。2020年，民航局發(fā)布了建設“平安、綠色、智慧、人文”四型機場的五年綱要，其中“智慧機場”是指建設生產(chǎn)要素全面物聯(lián)、數(shù)據(jù)共享、協(xié)同高效、智能運行的機場[3]。智能化機場建設是實現(xiàn)其他三型機場的必要保證，是建設四型機場的重中之重，而物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等數(shù)字化信息技術為提升機場智能化水平起到了重要推動作用[4]。當前，智慧機場建設不再局限于單一的系統(tǒng)或應用，更多的是融合多項技術、打通數(shù)據(jù)流動、并聯(lián)多個平臺，如樞紐機場聯(lián)通軌道交通成為區(qū)域性綜合交通中心[5]。

本項目針對飛行區(qū)地質條件、機場運行性質及荷載特征，選擇重點截面布設傳感器，采用新型建設方法，開發(fā)建立道面智能化監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)道面設計、施工到運行的全壽命周期一體化監(jiān)測與管控，提高飛行區(qū)道面維修效率。

1.智慧跑道監(jiān)測研究內容

本項目針對機場的道面變形、道面環(huán)境荷載以及道面環(huán)境安全進行監(jiān)測和研究，最后提出得到機場智慧跑道體系監(jiān)測的優(yōu)化設計，具體監(jiān)測內容如下：

（1）機場全生命周期的變形監(jiān)測

西北部分地區(qū)機場道面不均勻沉降和邊坡穩(wěn)定性問題突出，本項目采用綜合變形監(jiān)測系統(tǒng)對填筑體頂面沉降、填筑體分層沉降、不均勻沉降以及邊坡位移進行連續(xù)觀測，以獲得整個機場全生命周期的變形數(shù)據(jù)，為工程施工期的安全風險識別以及運營期維護提供數(shù)據(jù)支撐和決策依據(jù)。

（2）道面環(huán)境荷載監(jiān)測

當機場環(huán)境溫差大，水泥混凝土板結構在道面板內存在有較大的溫度梯度，將導致道板形成溫度翹曲變形，在飛機荷載作用下易形成斷板，因此要對內部溫度場進行監(jiān)測。此外還要考慮到飛機荷載對結構響應的作用，實現(xiàn)傳感器激勵信號源的捕捉。

（3）道面結構安全監(jiān)測

填挖交界、承受沖擊荷載以及溫差較大的關鍵位置進行道面結構安全監(jiān)測。具體內容包括：道面結構翹曲變形監(jiān)測、道面板底脫空監(jiān)測。以上都可能導致道面結構產(chǎn)生脫空、斷板、不平整等等病害，重點要對跑道上起降帶等關鍵截面的結構疲勞監(jiān)測、道面結構接縫伸縮狀況及傳荷能力監(jiān)測。

2.智慧跑道傳感器監(jiān)測方案

傳感器是跑道監(jiān)測的工具與基礎，本項目依據(jù)機場的特點，從沉降變形、邊坡失穩(wěn)、結構安全、運行安全以及交通荷載等方面，明確了監(jiān)測的指標及擬采用的傳感器類型，為隨后的研究提供基礎。

2.1 傳感器布設位置

2.1.1 變形監(jiān)測

（1）地基沉降監(jiān)測

機場填方與填挖交界處容易產(chǎn)生不均勻沉降，會造成跑道變形，對機場的運行產(chǎn)生很大風險，因此對跑道、滑行道上的重點截面實時監(jiān)測，以填方區(qū)域、填挖交界處、挖方區(qū)域為重點截面選取原則，采用單點沉降計、分層沉降計和智能沉降儀等監(jiān)測傳感器監(jiān)測重點截面的絕對沉降、差異沉降，獲取道面的絕對沉降量、沉降速率、差異沉降等指標。變形監(jiān)測分為施工期監(jiān)測和運營期監(jiān)測，施工期監(jiān)測時，填方區(qū)選1 個位置，鉆孔埋設2 個單點沉降計；運營期監(jiān)測時，跑道填方區(qū)域約400 m 布置1 個測點，填挖交界和挖方區(qū)域約200 m布置1 個測點；平滑道約每隔350 m～500 m布設一個測點，圖1為沉降儀布設示意圖。

圖1 沉降儀布設示意圖

圖2 GNSS 自動化監(jiān)測系統(tǒng)

圖3 GNSS 監(jiān)測站

（2）邊坡變形監(jiān)測

邊坡穩(wěn)定性同樣是影響機場安全的重要因素之一，必須對邊坡的變形進行監(jiān)測以掌握其情況，保障機場運行安全。重點截面選擇填方邊坡處與挖方邊坡處，采用GNSS 自動化監(jiān)測系統(tǒng)和固定式測斜儀來監(jiān)測重點截面的填方的坡頂表面位移、深層水平位移，挖方的坡頂表面位移，降雨量等指標。

2.1.2 道面環(huán)境荷載監(jiān)測

環(huán)境溫差大的地區(qū)，水泥混凝土板結構在道面板內存在有較大的溫度梯度，將導致道板形成溫度翹曲變形，在飛機荷載作用下易形成斷板，因此要對內部溫度場進行監(jiān)測。此外還要考慮到飛機荷載對結構響應的作用，實現(xiàn)傳感器激勵信號源的捕捉。一般采用埋入式溫度計來監(jiān)測重點截面的表面溫度和結構內部溫度，分別設在板中和邊角，并按照上、中、下三層埋設。選取三個截面，每個截面布設2 塊板，一塊板位于在中線一側，另一塊板位于同側道面邊緣；每塊板埋設6 個。跑道接地帶布設兩組水膜冰雪傳感器，土面區(qū)布設激光輪跡和紅外熱像儀輔助進行環(huán)境荷載監(jiān)測。

2.1.3 道面結構安全監(jiān)測

針對機場的道面結構安全，本項目采用動態(tài)應變計、加速度計、測縫計和靜態(tài)應變計來監(jiān)測跑道起降帶以及中間位置區(qū)域和滑行道端頭位置等典型截面的翹曲變形、地基支撐情況，以及對板底脫空及結構疲勞情況以及接縫傳荷能力進行監(jiān)測。跑道和滑行道分別選取兩個典型截面，在板中、板邊和板角埋設動態(tài)應變計，跑道每個截面布設6 塊板，平滑道每個截面布設4 塊板，均沿中線兩側布設，每塊板埋設9 個動態(tài)應變計。同時，分別在板中和板邊，并按照雙層埋設靜態(tài)應變計，跑道每個典型截面布設4 塊板，平滑道每個典型截面布設2塊板，均埋設在道面邊板，每塊板埋設4 個。測縫計在跑道典型截面每個埋設4 個；平滑道典型截面，每個截面埋設2 個。

圖4 環(huán)境荷載傳感器布設示意圖

2.2 傳感器安裝施工

（1）地基沉降監(jiān)測系統(tǒng)傳感器施工

地基沉降監(jiān)測系統(tǒng)傳感器主要包含單點沉降計與智能沉降儀，首先于地基工作面上鉆孔，將沉降計拉至滿量程后分段綁扎到鋼絲繩上，放入鉆孔內部，隨后將鋼絲繩固定綁扎在鉆孔上方架子上。下基層水穩(wěn)施工完成后，采用RTK 實地放線開挖溝槽，把智能沉降儀均埋設于槽內，并將智能沉降儀通訊光纖、智能沉降儀主水管、智能沉降儀通氣管引入PPR 管。將線纜通道匯集至道面邊線旁土面區(qū)的溝槽，并將單點沉降計通訊光纖、智能沉降儀通訊光纖與光纜主纜熔接。線纜匯集通道與“采集儀保護箱”相接，在采集儀保護箱中布設6 通道數(shù)據(jù)采集儀、基康8 通道數(shù)據(jù)采集儀和無線傳輸模塊及其傳輸存儲平臺。在場務用房中布設16 通道柜式光纖光柵解調儀，光纜主纜通過光纖接續(xù)盒與光纖跳線熔接，光纖跳線與解調儀連接。

（2）邊坡監(jiān)測傳感器施工

邊坡監(jiān)測傳感器主要包括了GNSS 表面位移監(jiān)測系統(tǒng)與固定式測斜儀。采用鋼筋混凝土建設GNSS 監(jiān)測站觀測墩，在邊坡逐層填筑時，在每層表面打孔、埋設固定式測斜儀，根據(jù)監(jiān)測需求相隔一定深度設置一個測點。在GNSS 和固定測斜儀附近設立金屬立柱，該立柱用于安裝太陽能板和無線傳輸模塊，立柱下端也采用混凝土墩作為支撐體。

（3）道面結構監(jiān)測傳感器施工

本項目中道面結構監(jiān)測傳感器主要包含了應變計、溫度傳感器、加速度計與測縫計。應變計在道面板澆筑之前安裝，首先在出線處的基層頂面刻槽，埋入MPP 管，將需要布設的傳感器綁扎于鋼筋支架上，在基層頂面相應位置鉆6 個孔，插入螺紋鋼筋。溫度傳感器要三層布設于道面板，在出線處的基層頂面刻槽，埋入MPP 管，在基層相應位置鉆孔，將單根螺紋鋼筋插入鉆孔，用水泥砂漿填充空隙，并選取螺紋鋼，在相應位置綁扎溫度傳感器，將溫度傳感器并聯(lián)熔接，將每個并聯(lián)支路引出的鎧裝光纜穿入已埋設的MPP 管中。加速度計與測縫計安裝也是相同的步驟。

3.結論

本次項目依托實際工程，以解決機場地基不均勻沉降、邊坡穩(wěn)定性差、早晚溫差過大等問題為目的，著眼于機場全生命周期的變形監(jiān)測，道面環(huán)境荷載監(jiān)測與道面結構安全監(jiān)測，致力于建立道面智能監(jiān)測與運維一體化綜合管理平臺，實現(xiàn)了機場飛行區(qū)運行安全風險的評估與預警與道面設施精準維護與智慧決策，大幅降低道面測試人工參與度，提高了機場管理水平。本項目實踐應用了監(jiān)測機場地基沉降的新技術，對智慧跑道地基沉降變形監(jiān)測方案進行了優(yōu)化，對于控制機場全域和重點區(qū)域的沉降變形具有重要的作用，同時改進了傳感器設備提升了監(jiān)測傳感器壽命，提高了監(jiān)測的精度，使監(jiān)測數(shù)據(jù)的共享與利用變得更加快速簡單。