顧時(shí)俊 張鈺彬

為了適應(yīng)日益復(fù)雜的交通航班架次，提高道面維護(hù)和管理效率與效果，機(jī)場(chǎng)道面管理需由傳統(tǒng)的“被動(dòng)防治”逐漸向基于數(shù)據(jù)分析進(jìn)行“主動(dòng)防治”的管理模式轉(zhuǎn)型。虹橋機(jī)場(chǎng)地下水位較高，地下水位隨降雨反復(fù)上升和下降一方面對(duì)道基發(fā)生干濕循環(huán)作用，可能弱化地基承載能力，另一方面可能滲入基層底部，引發(fā)道面結(jié)構(gòu)性病害。本文依托虹橋機(jī)場(chǎng)東跑道側(cè)面的地下水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)跑道側(cè)面土面區(qū)地下水位計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并結(jié)合雨量計(jì)數(shù)據(jù)驗(yàn)證地下水位計(jì)的有效性，在此基礎(chǔ)上分析跑道地下水位的變化規(guī)律，為機(jī)場(chǎng)跑道病害誘因分析和病害維護(hù)提供分析依據(jù)。相比于傳統(tǒng)地下水位的人工觀測(cè)，虹橋機(jī)場(chǎng)地下水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)地下水位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并利用開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警、維護(hù)分析，也為其他建筑工程的地下水位監(jiān)測(cè)方法提供參考。

上海虹橋國(guó)際機(jī)場(chǎng)位于中國(guó)上海市長(zhǎng)寧區(qū)，為4E級(jí)民用國(guó)際機(jī)場(chǎng)。目前虹橋機(jī)場(chǎng)擁有跑道兩條，是我國(guó)最為繁忙的大型民用機(jī)場(chǎng)之一。目前虹橋機(jī)場(chǎng)部分道面使用年限已較長(zhǎng)，進(jìn)入了設(shè)計(jì)壽命中期或后期。隨著近年旅客吞吐量的穩(wěn)定增長(zhǎng)，飛行區(qū)內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)施受環(huán)境和荷載的影響性能也在不斷衰減。道面是飛行區(qū)內(nèi)最為重要的結(jié)構(gòu)設(shè)施，保證其始終處于正常、安全的使用狀態(tài)，對(duì)于飛行區(qū)安全至關(guān)重要。雖然針對(duì)道面病害經(jīng)過(guò)一系列的修補(bǔ)、加鋪、改造等方式，將風(fēng)險(xiǎn)始終控制在可控的狀態(tài)。但是，由于受其設(shè)計(jì)壽命的限制，維護(hù)成本及病害復(fù)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)都有明顯上升的趨勢(shì)，總體仍屬于被動(dòng)維護(hù)的工作模式。

飛行區(qū)道面性能受地基沉降變形、地基地下水位等因素的變化而發(fā)生改變?；趯?duì)飛行區(qū)道面存在的安全風(fēng)險(xiǎn)所產(chǎn)生的充分認(rèn)識(shí)，有必要對(duì)地下水位檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入研究，分析安全風(fēng)險(xiǎn)的形成機(jī)理和發(fā)展規(guī)律，建立安全風(fēng)險(xiǎn)影響因素預(yù)警模型，并提出面向四型機(jī)場(chǎng)建設(shè)的安全管控措施與對(duì)策。對(duì)于虹橋機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)長(zhǎng)治久安、機(jī)場(chǎng)未來(lái)的快速發(fā)展以及運(yùn)行機(jī)場(chǎng)四型機(jī)場(chǎng)建設(shè)具有重要意義，同時(shí)為其他建筑工程的地下水位監(jiān)測(cè)方法提供案例和參考。

一、道面性能影響因素感知分析

地基發(fā)生不均勻沉降，不僅影響道面整體不均勻沉降和道面平整度，也會(huì)導(dǎo)致道面不協(xié)調(diào)變形而出現(xiàn)的斷板現(xiàn)象，因此道面沉降是影響道面結(jié)構(gòu)性能和安全的重要因素之一。地基的地下水位出現(xiàn)波動(dòng)，一方面改變了地基濕度狀況，濕度依賴(lài)性極強(qiáng)的地基回彈模量發(fā)生衰減，影響地基承載能力，另一方面地下水通過(guò)滲流和毛細(xì)水等作用侵入道面結(jié)構(gòu)層，誘發(fā)層間結(jié)合和結(jié)構(gòu)層弱化問(wèn)題。因此沉降變形和地下水位等因素能間接影響道面結(jié)構(gòu)性能，進(jìn)而成為道面安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題的間接誘因，也需要管理部門(mén)引起足夠的重視。

1.地下水位感知技術(shù)分析

沉降變形的感知手段包括傳統(tǒng)水準(zhǔn)和GPS高程測(cè)量、單點(diǎn)沉降計(jì)監(jiān)測(cè)、全域InSAR監(jiān)測(cè)等技術(shù)。其中單點(diǎn)沉降計(jì)采用鉆孔埋入光纖光柵類(lèi)點(diǎn)式沉降計(jì)獲取重點(diǎn)斷面的絕對(duì)沉降和差異沉降，全域InSAR監(jiān)測(cè)利用合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（InSAR）技術(shù)，并發(fā)展長(zhǎng)時(shí)序監(jiān)測(cè)機(jī)場(chǎng)跑道沉降的模型算法，克服機(jī)場(chǎng)跑道雷達(dá)反射信號(hào)弱的問(wèn)題，大幅提高觀測(cè)點(diǎn)密度，快速識(shí)別飛行區(qū)全域道面的沉降速率、差異沉降等指標(biāo)，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)水準(zhǔn)和GPS測(cè)量手段的不足，廣泛用于地表形變監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，具有較低成本、觀測(cè)范圍大、監(jiān)測(cè)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。

地基地下水位感知一般采用人工地下水位觀測(cè)，或光纖類(lèi)或無(wú)線振弦類(lèi)高精度地下水位計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，掌握監(jiān)測(cè)飛行區(qū)地基地下水位隨天氣的變化情況。

2.地下水位智能監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

虹橋機(jī)場(chǎng)D滑存在唧泥脫空病害，故在虹橋機(jī)場(chǎng)D滑附近布設(shè)人工地下水位觀測(cè)點(diǎn)和排水溝流量監(jiān)測(cè)裝置。采用地下水位管對(duì)地下水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，前期監(jiān)測(cè)頻率設(shè)置為2～3天/次，雨天時(shí)增加測(cè)量頻次。在盲管溝的檢查井和排水管設(shè)置超聲波流量計(jì)，采集管中水位、流量、流速等數(shù)據(jù)，實(shí)施無(wú)線傳輸記錄現(xiàn)場(chǎng)排水狀況，不間斷地掌握地下水位實(shí)時(shí)變化的情況。同時(shí)，設(shè)置機(jī)械式流量計(jì)開(kāi)展流量監(jiān)測(cè)，并在監(jiān)測(cè)位置設(shè)置太陽(yáng)能無(wú)線攝像頭實(shí)時(shí)觀測(cè)排水狀況。

同時(shí)，在東跑道側(cè)面土面區(qū)安裝4個(gè)無(wú)線地下水位計(jì)，并擬在2023年于西跑道側(cè)面土面區(qū)安裝4個(gè)地下水位計(jì)，多區(qū)域監(jiān)測(cè)虹橋機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)地下水位變化情況。地下水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置主要由地下埋設(shè)裝置、地面數(shù)據(jù)傳輸裝置和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、預(yù)警平臺(tái)三大部分組成（圖1）。

圖1 自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置組成示意圖

地下水位數(shù)據(jù)通過(guò)地下埋設(shè)裝置中的地下水位計(jì)采集，然后數(shù)據(jù)通過(guò)傳感器引線傳輸至地面無(wú)線采集箱，多個(gè)采集箱數(shù)據(jù)匯總后發(fā)送到云服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)。同時(shí)，地下水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可接入飛行區(qū)其他系統(tǒng)（如虹橋機(jī)場(chǎng)道面管理系統(tǒng)、虹橋機(jī)場(chǎng)跑道表面狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)），具備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展示、埋入式傳感器三維可視化、自動(dòng)生成報(bào)告、實(shí)時(shí)預(yù)警等功能。

二、飛行區(qū)道面地下水位變化規(guī)律分析

依托虹橋機(jī)場(chǎng)東跑道側(cè)面的地下水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)東跑道側(cè)面土面區(qū)地下水位計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并結(jié)合雨量計(jì)數(shù)據(jù)驗(yàn)證地下水位計(jì)的有效性，并在此基礎(chǔ)上分析虹橋機(jī)場(chǎng)東跑道地下水位的變化規(guī)律。

2022年11月地下水位計(jì)與雨量計(jì)數(shù)據(jù)分布如圖2所示。由圖可知，地下水位變化趨勢(shì)與降雨強(qiáng)度一致，且存在一定的滯后性，這是因?yàn)榻涤耆霛B引發(fā)地下水位上升需要一定時(shí)間。因此，本次安裝的地下水位計(jì)是有效的。

圖2 2022年11月地下水位計(jì)與雨量計(jì)數(shù)據(jù)分布

跑道南端、聯(lián)絡(luò)道B1、跑道北端和H4的地下水位變化趨勢(shì)一致，但數(shù)值存在一定差異；總的來(lái)說(shuō)，跑道南端＞聯(lián)絡(luò)道B1＞ H4 ＞跑道北端。另外，11日短時(shí)強(qiáng)降雨過(guò)程中，H4處的地下水位在10:54時(shí)發(fā)生劇烈變化，這可能是由于排水不暢造成監(jiān)測(cè)水位突變，隨后緩慢消散至正常水平。統(tǒng)計(jì)可得11月跑道南端、聯(lián)絡(luò)道B1、跑道北端和H4 處地下水位的最高和最低值分別為（-0.284，-1.203）m、（-0.188，-1.845）m、（-1.127，-1.847）m、（-0.664，-1.906）m。

2022年12月地下水位計(jì)與雨量計(jì)數(shù)據(jù)分布如圖3所示。由圖可知，地下水位變化趨勢(shì)與降雨強(qiáng)度一致。因此，本項(xiàng)目安裝的地下水位計(jì)是有效的。

圖3 2022年12月地下水位計(jì)與雨量計(jì)數(shù)據(jù)分布

跑道南端、聯(lián)絡(luò)道B1、跑道北端和H4的地下水位變化趨勢(shì)一致，但數(shù)值存在一定差異；總的來(lái)說(shuō)，跑道南端＞聯(lián)絡(luò)道B1＞ H4 ≈跑道北端。

統(tǒng)計(jì)可得12月跑道南端、聯(lián)絡(luò)道B1、跑道北端和H4 處地下水位的最高和最低值分別為（-0.225，-0.885）m、（-0.276，-1.192）m、（-0.97，-1.547）m、（-0.792，-1.574）m。

同理，針對(duì)2023年1月-2023年3月數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合地下水位計(jì)與雨量計(jì)數(shù)據(jù)分布圖，總結(jié)得出：

（1）2022年11月-2023年3月虹橋機(jī)場(chǎng)東跑道的地下水位計(jì)數(shù)據(jù)隨著雨量計(jì)數(shù)據(jù)而變化，充分表明本項(xiàng)目安裝的地下水位計(jì)是有效的。

（2）跑道南端、聯(lián)絡(luò)道B1、跑道北端和H4的地下水位變化趨勢(shì)一致，但數(shù)值存在一定差異。總的來(lái)說(shuō)，跑道南端＞聯(lián)絡(luò)道B1＞跑道北端＞ H4 。

（3） 2022年11月-2023年3月虹橋機(jī)場(chǎng)東跑道的地下水位最高值和最低值分別為-0.17 m和-1.906m。

三、結(jié)論與建議

本文依托地下水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)虹橋機(jī)場(chǎng)跑道側(cè)面土面區(qū)地下水位計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效收集，通過(guò)監(jiān)測(cè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，并結(jié)合雨量計(jì)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了地下水位計(jì)的有效性。在此基礎(chǔ)上分析跑道地下水位的變化規(guī)律及趨勢(shì)，可以為機(jī)場(chǎng)土建工程、給排水工程，以及跑道病害誘因分析和病害維護(hù)提供依據(jù)，為機(jī)場(chǎng)道面管理由傳統(tǒng)“被動(dòng)防治”向“主動(dòng)防治”管理模式的轉(zhuǎn)型提供助力，也為其他建筑工程的施工、運(yùn)維和養(yǎng)護(hù)過(guò)程提供參考方案。

建議加強(qiáng)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)的使用和跟蹤維護(hù)，充分利用和積累長(zhǎng)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，優(yōu)化模型算法，可加強(qiáng)管理決策的實(shí)時(shí)性和合理性，也可提前發(fā)現(xiàn)濕滑跑道、冰雪跑道等適航條件較差或不適航的跑道狀態(tài)。