西安咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)三期擴(kuò)建智慧跑道地基沉降監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化

程峰

（西部機(jī)場(chǎng)集團(tuán)公司，西安710065）

1 引言

咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)位于中國(guó)內(nèi)陸中心，是西北地區(qū)最大、北方第二大機(jī)場(chǎng)，也是我國(guó)規(guī)劃建設(shè)的八大區(qū)域性樞紐機(jī)場(chǎng)之一。在國(guó)家全面布局“新基建”的背景下，西安咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)三期工程加快推進(jìn)“四型機(jī)場(chǎng)”建設(shè)，構(gòu)建面向多跑道模式的智慧跑道系統(tǒng)，重點(diǎn)涉及新建跑道（北跑道N1、N2 及南跑道S2）與既有跑道S1 等。場(chǎng)區(qū)內(nèi)覆蓋有濕陷性黃土，具有填挖不均的特殊條件，下伏地下暗埋空穴，與城際線、閻機(jī)線存在地下立體交叉，機(jī)場(chǎng)地基沉降與運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)多，有必要構(gòu)建地基沉降智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，降低跑道變形與結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于地表沉降監(jiān)測(cè)，目前工程常用的工具及儀器有沉降監(jiān)測(cè)樁、沉降水杯、沉降板、分層沉降管、磁環(huán)沉降儀、測(cè)量機(jī)器人等[1]。此外，還有一些先進(jìn)的監(jiān)測(cè)方法，如攝影測(cè)量、GPS、合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)（InSAR）、變形監(jiān)測(cè)技術(shù)和三維地面掃描技術(shù)等。對(duì)于機(jī)場(chǎng)，尤其是高填方機(jī)場(chǎng)，沉降監(jiān)測(cè)范圍廣、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量龐大，常規(guī)監(jiān)測(cè)方法（如水準(zhǔn)測(cè)量）需要大量的人工測(cè)量。新型的攝影測(cè)量由于攝影距離和價(jià)格受限，在變形檢測(cè)中的應(yīng)用尚不普及；也有學(xué)者利用傳感元件將沉降變形轉(zhuǎn)化為電壓、電阻、振弦頻率等指標(biāo)，并進(jìn)一步引入光纖傳感技術(shù)，提高沉降變形監(jiān)測(cè)的質(zhì)量，如施斌等[2，3]采用分布式光纖監(jiān)測(cè)地面變形等，但應(yīng)用光纖技術(shù)的地基內(nèi)部和深層變形監(jiān)測(cè)研究有待進(jìn)一步實(shí)踐和驗(yàn)證。InSAR 技術(shù)是近年興起的新型監(jiān)測(cè)手段，通過(guò)衛(wèi)星圖像獲取間隔時(shí)間內(nèi)的沉降變形結(jié)果，實(shí)現(xiàn)廣域非接觸監(jiān)測(cè)，在機(jī)場(chǎng)、大壩、邊坡等領(lǐng)域也有相關(guān)應(yīng)用[4-7]，屬于全域沉降監(jiān)測(cè)的新方向。本文針對(duì)西安咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)的特殊地質(zhì)和下穿工程條件，面向智慧跑道的建設(shè)需求，充分引入地基沉降監(jiān)測(cè)新技術(shù)和新手段，構(gòu)建建設(shè)-運(yùn)營(yíng)一體化的地基沉降監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方案。

2 地基沉降智能監(jiān)測(cè)目標(biāo)和重點(diǎn)

西安機(jī)場(chǎng)三期擴(kuò)建受到土質(zhì)條件、新老交界和下穿工程等因素影響，地基建設(shè)復(fù)雜且困難，難點(diǎn)來(lái)自濕陷性黃土及其分布厚度差異、防水層下濕度聚集效應(yīng)、不同地基處理方式帶來(lái)的地基剛度差異、施工期間降雨后地表匯水對(duì)濕陷性黃土的短期浸泡、不停航施工對(duì)既有跑道的沉降變形控制要求高等。因此，機(jī)場(chǎng)地基沉降智慧化監(jiān)測(cè)有必要充分考慮上述多因素的共同影響，通過(guò)先進(jìn)傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)跑道地基不均勻沉降和邊坡變形的高精度、主動(dòng)式監(jiān)測(cè)和預(yù)警，為施工控制和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)，為運(yùn)營(yíng)期道面養(yǎng)護(hù)決策提供參考。

南、北側(cè)飛行區(qū)的土方修筑和地基處理狀況不同，南側(cè)高填方多，沉降失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)高，新建南跑道S2 和聯(lián)絡(luò)道的地基不均勻沉降更應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，同時(shí)，新建道面對(duì)既有道面的影響與高邊坡變形也是重要考慮因素。北側(cè)飛行區(qū)重點(diǎn)考慮道槽區(qū)地基頂面不均勻變形及濕度聚集影響。因此，結(jié)合不同區(qū)域地基沉降監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，本文擬采用全域沉降監(jiān)測(cè)、重點(diǎn)部位點(diǎn)式沉降監(jiān)測(cè)、地基濕度監(jiān)測(cè)和邊坡支擋變形監(jiān)測(cè)等方式。

2.1 全域沉降監(jiān)測(cè)

InSAR 技術(shù)具有全天候、大范圍、低干擾、無(wú)須地面人工干預(yù)等優(yōu)勢(shì)，采集衛(wèi)星雷達(dá)累計(jì)時(shí)段內(nèi)的影像數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)解析飛行區(qū)施工、運(yùn)營(yíng)期的全域地基和道面沉降信息。

2.2 重點(diǎn)部位點(diǎn)式沉降監(jiān)測(cè)

從不均勻沉降的實(shí)時(shí)和施工便利性考慮，采用智能沉降儀監(jiān)測(cè)原地基表面沉降變化，選擇單（多）點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)地基填筑體表面和內(nèi)部的分層沉降。

2.3 地基濕度狀態(tài)監(jiān)測(cè)

地基濕度監(jiān)測(cè)是在地基土體內(nèi)部埋設(shè)體積含水量傳感器，感知降雨入滲過(guò)程中土體含水量的實(shí)時(shí)變化，尤其是咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)址內(nèi)普遍存在的濕陷性黃土，降雨入滲對(duì)黃土濕陷的影響巨大，因此，有必要對(duì)地基濕度進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

2.4 邊坡支擋變形監(jiān)測(cè)

邊坡支擋變形監(jiān)測(cè)是針對(duì)機(jī)場(chǎng)的高填方擋墻，采用光纖測(cè)斜管監(jiān)測(cè)高填方填土的水平側(cè)向變形，進(jìn)而分析邊坡支擋變形。

3 智慧跑道地基沉降監(jiān)測(cè)方案

3.1 傳感器布設(shè)位置

3.1.1 南側(cè)飛行區(qū)

南側(cè)飛行區(qū)重點(diǎn)考慮高填方、濕陷性黃土、填挖交界不均勻沉降、跑道起降帶、高填方邊坡支擋等因素，傳感器埋設(shè)位置包括新建跑道S2、平滑道和部分聯(lián)絡(luò)道等，傳感器平面布置分布如圖1 所示。其中，跑道位置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)在2 個(gè)跑道起降帶中間的間隔約100 m，部分測(cè)點(diǎn)接近飛機(jī)滑行轉(zhuǎn)彎較多的快滑出入口。地基沉降監(jiān)測(cè)傳感器縱斷面布置如圖2 所示。傳感器類(lèi)型包括32 個(gè)單點(diǎn)沉降計(jì)、10 個(gè)多點(diǎn)沉降計(jì)、52 個(gè)濕度計(jì)、23 套智能沉降儀、6 個(gè)儲(chǔ)液罐和8 個(gè)光纖測(cè)斜儀。其中，道基頂面埋設(shè)濕度計(jì)、智能沉降儀、單（多）點(diǎn)沉降計(jì)等，沉降計(jì)下端部均設(shè)置于土基底部下方2 m 處的黃土層。

圖1 南側(cè)飛行區(qū)地基沉降監(jiān)測(cè)傳感器平面布置圖

圖2 南側(cè)飛行區(qū)地基沉降監(jiān)測(cè)傳感器縱斷面圖

3.1.2 北側(cè)飛行區(qū)

北側(cè)飛行區(qū)重點(diǎn)考慮濕陷性黃土、新舊道面、下穿工程、跑道起降帶等因素，埋設(shè)傳感器的位置包括新建跑道N1 和N2、平滑道和部分聯(lián)絡(luò)道等，地基沉降監(jiān)測(cè)傳感器平面布置如圖3 所示。跑道監(jiān)測(cè)點(diǎn)大部分位于兩端起降帶之間區(qū)域，并且快滑道出入口、平滑道和聯(lián)絡(luò)道的測(cè)點(diǎn)可位于新老道面交界不均勻沉降處。傳感器類(lèi)型包括62 個(gè)單點(diǎn)沉降計(jì)、3 個(gè)多點(diǎn)沉降計(jì)、56 套智能沉降儀、14 個(gè)儲(chǔ)液罐和45 個(gè)濕度計(jì)。其中，道基頂面設(shè)置濕度計(jì)、智能沉降儀、單（多）點(diǎn)沉降計(jì)等。

圖3 北側(cè)飛行區(qū)地基沉降監(jiān)測(cè)傳感器平面布置圖

3.2 傳感器布設(shè)施工

地基傳感器包括沉降儀、濕度計(jì)等，采用開(kāi)槽+鉆孔方法，槽內(nèi)鋪設(shè)底層砂，上層回填商品混凝土。具體而言，單點(diǎn)/多點(diǎn)沉降計(jì)施工包括鉆孔、鉆孔回填、引線開(kāi)槽等。鉆孔深度必須穿透填筑層，達(dá)到穩(wěn)定土層。鉆孔下放導(dǎo)錘后回填水泥漿、中粗砂、膨脹土球等。智能沉降儀施工包括下基層開(kāi)槽、布設(shè)土工布、槽內(nèi)鋪設(shè)底層砂、埋設(shè)智能沉降儀、固定與保護(hù)傳感器、鋪設(shè)保護(hù)砂層、反包土工布、槽內(nèi)回填混凝土等。濕度計(jì)施工是在道基頂面開(kāi)槽后，將濕度計(jì)插入坑槽底部，然后，采用細(xì)粒土回填坑槽并壓實(shí)。

對(duì)于光纖測(cè)斜管，在邊坡逐層填筑時(shí)，每層填筑后，在表面打孔、埋設(shè)測(cè)斜儀。用測(cè)斜儀測(cè)量測(cè)斜管的傾斜，同時(shí)，測(cè)量測(cè)斜管的有效深度，根據(jù)孔深和管口高程計(jì)算孔底高程。在安裝儀器時(shí)使用安全鋼纜，保證儀器在進(jìn)入測(cè)斜管內(nèi)意外脫落時(shí)可用安全繩將儀器拉回。傳感器沉入鉆孔后，應(yīng)將線纜盤(pán)起，隨著儀器的下沉，逐漸放入，以免電纜相互干擾。完成儀器安裝后即可開(kāi)始監(jiān)測(cè)。

InSAR 非接觸式沉降監(jiān)測(cè)對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道、滑行道、下穿建（構(gòu)）筑物的地表開(kāi)展全覆蓋沉降變形監(jiān)測(cè)，并定期更新監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)報(bào)告。有必要時(shí)可在飛行區(qū)土面區(qū)布設(shè)角反射器，增強(qiáng)遙感衛(wèi)星的監(jiān)測(cè)識(shí)別能力，獲取整個(gè)場(chǎng)區(qū)的不均勻沉降變形數(shù)擾，為全域不均勻沉降分析管理提供更多的數(shù)據(jù)依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文依托西安咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)三期智慧跑道項(xiàng)目，從地基處理和特殊地質(zhì)條件出發(fā)，設(shè)計(jì)和優(yōu)化了智慧跑道地基沉降變形監(jiān)測(cè)方案，運(yùn)用了機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道地基沉降監(jiān)測(cè)新技術(shù)，對(duì)于控制機(jī)場(chǎng)全域和重點(diǎn)區(qū)域的沉降變形和邊坡失穩(wěn)變形具有重要的作用。結(jié)合地基監(jiān)測(cè)方案，本文也進(jìn)一步思考了機(jī)場(chǎng)智慧跑道建設(shè)方向，例如，通過(guò)改進(jìn)傳感器設(shè)備，進(jìn)一步保障監(jiān)測(cè)傳感器壽命、提高監(jiān)測(cè)精度，增強(qiáng)建設(shè)期與運(yùn)營(yíng)期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共享與利用等。