點線融合的機場跑道地基沉降全壽命監(jiān)測與預估方法

1 引言

地基是機場道面結(jié)構(gòu)的重要支撐平臺，在原地表狀況、地基填方高度、施工水平和水文地質(zhì)條件等的綜合影響下，地基會產(chǎn)生工后差異沉降。 這種差異沉降將降低地基對道面結(jié)構(gòu)的承載能力，導致局部應力、應變的增大，引發(fā)跑道斷板、接縫損壞、錯臺等病害，縮短跑道使用壽命并嚴重威脅飛機滑跑安全[1]。因此，準確監(jiān)測地基沉降，合理預測其發(fā)展趨勢并進行科學評估十分必要。

傳統(tǒng)的地基沉降監(jiān)測主要采用水準儀、 全站儀等設(shè)備進行人工點式操作，自動化水平低、費時費力，對機場施工干擾較大[2]。 通過分層沉降儀、磁環(huán)沉降儀等可實時獲取地基內(nèi)部各層的沉降，但傳感器埋設(shè)過程復雜，施工難度和成本高，適用于少數(shù)代表性點位的沉降監(jiān)測[3-4]。 新興的合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)（InSAR）可無干擾地獲取飛行區(qū)全域的沉降信息，但其主要進行地表測量， 難以得到道面結(jié)構(gòu)以下的地基沉降數(shù)據(jù)[5]。因此，本文綜合采用單點沉降計和智能沉降儀，通過點線融合的方式， 實現(xiàn)沿跑道縱向或橫向地基沉降的全壽命監(jiān)測，在此基礎(chǔ)上進行地基沉降的計算和預估。

2 地基沉降監(jiān)測

2.1 傳感器選型

2.1.1 單點沉降計

采用單點沉降計感知單個監(jiān)測點位的絕對沉降量。 單點沉降計基于光纖光柵技術(shù)感知外界環(huán)境變化， 可通過光信號（波長）實現(xiàn)解調(diào)和傳輸。 通過鉆孔埋設(shè)，將傳感器的錨固端固定在穩(wěn)定土層中，而活動端固定在土體表面。 當土體發(fā)生沉降時，傳感器的活動端跟隨移動，導致光的波長發(fā)生改變，通過獲取變化的波長數(shù)據(jù)即可換算出土體絕對沉降。

2.1.2 智能沉降儀

采用智能沉降儀感知多個監(jiān)測點位之間的相對沉降量。智能沉降儀基于光纖光柵技術(shù)或振弦技術(shù)感知外界壓力變化，通過光信號（波長）或者電信號（電壓）實現(xiàn)解調(diào)和傳輸。 傳感器置于充滿液體的裝置中，土體發(fā)生沉降時，沉降儀同步移動而產(chǎn)生液壓差， 從而引起傳感器的光信號或者電信號發(fā)生改變， 通過獲取變化的信號數(shù)據(jù)即可換算各個點位之間的相對沉降。

2.1.3 傳感器技術(shù)要求

地基沉降監(jiān)測面向跑道建設(shè)和運維的全壽命周期， 傳感器埋設(shè)后難以更換，因此，單點沉降計和智能沉降儀的壽命至少應與跑道設(shè)計壽命一致，對于瀝青跑道不小于20 年，水泥跑道不小于30 年。 綜合考慮地基沉降量的監(jiān)測范圍和精度要求，上述兩個傳感器的量程應不小于1 000 mm，精度應不大于1.0‰FS。

2.2 傳感器點線融合布設(shè)

在各個監(jiān)測斷面的地基填筑體頂面布設(shè)傳感器， 主要獲取地基全局差異沉降狀況， 為分析道面結(jié)構(gòu)安全評估提供依據(jù)。 其中，布設(shè)一個單點沉降計和若干個智能沉降儀，單點沉降計與其中一個智能沉降儀布設(shè)在同一點位，如圖1 所示。 智能沉降儀獲取的各點位之間的相對沉降量與單點沉降計獲取的其中一個點位的絕對沉降量疊加即可得到各點位的絕對沉降。 通過兩類傳感器的互相配合，實現(xiàn)地基沉降監(jiān)測的點線融合布設(shè)，以獲取地基沿跑道縱向或橫向的沉降情況。

圖1 單點沉降計和智能沉降儀的點線融合布設(shè)方案圖

2.3 傳感器協(xié)同施工

采用施工同步技術(shù)埋設(shè)單點沉降計和智能沉降儀。 各個監(jiān)測斷面施工時， 均采用溝槽開挖—單點沉降計安裝—智能沉降儀安裝—溝槽回填的方式，同時布設(shè)上述兩類傳感器，以增大傳感器的存活率和互相的關(guān)聯(lián)性，并加快施工速度。

3 地基沉降計算

3.1 絕對沉降

絕對沉降，即地基自開始施工至某一時刻產(chǎn)生的沉降，可采用上文的單點沉降計獲取監(jiān)測斷面沿縱向或橫向的絕對沉降量。

3.2 工后沉降

工后沉降，即地基自竣工至當前時刻產(chǎn)生的沉降，計算公式如下：

式中，ΔSi為工后沉降，i 為0、1、2、3；Si，2為監(jiān)測點當前時刻絕對沉降，i 為0、1、2、3；Si，1為監(jiān)測點竣工時刻絕對沉降，i 為0、1、2、3。

3.3 工后差異沉降

地基相鄰監(jiān)測點工后沉降的差值與其水平距離之比即為工后差異沉降。 工后差異沉降是對跑道地基沉降變形性能的描述，表征地基不均勻沉降狀況。 本方法采用智能沉降儀計算監(jiān)測工后差異沉降，差異沉降的計算方法如式（2）所示：

式中，Di為工后差異沉降，i 為0、1、2、3；Li為相鄰監(jiān)測點水平距離，i 為0、1、2、3。

相鄰智能沉降儀數(shù)據(jù)的差值除以其水平間距得差異沉降Ci：

式中，Hi為智能沉降儀基于儲液罐的沉降。

由式（3）可以求得，竣工時刻差異沉降Ci，1，當前時刻差異沉降Ci，2。 那么工后差異沉降計算如式（4）所示：

4 沉降預估

4.1 沉降預估方法

本文采用雙曲線模型預估跑道地基全壽命周期內(nèi)的絕對沉降量， 相較于常用的對數(shù)模型計算結(jié)果不依賴于參考計算點位選取，避免了點位選取的隨機性所帶來計算偏差。

假定地基沉降變形與時間近似為雙曲線函數(shù)關(guān)系如式（5）所示：

將待定參數(shù)s∞和α 提取到等式右邊可將式（5）寫成：

4.2 沉降控制標準

根據(jù)場道地基的變形特點及要求，確定地基沉降控制標準：

1）MH/T 5027—2013《民用機場巖土工程設(shè)計規(guī)范》規(guī)定跑道地基工后沉降應控制在0.2~0.3 m，如表1 所示。

表1 工后沉降和工后差異沉降規(guī)范要求

2）最大殘余變形形成后，道面區(qū)標高不低于土面區(qū)標高，且兩者未形成明顯高差，以保證飛行安全。

3）地基不協(xié)調(diào)變形所引起的道面板傾斜不致造成道面接縫的破損。

4）所形成的沉降控制標準可通過對設(shè)計過程、施工過程等的控制予以實現(xiàn)，即所提出的控制標準必須具備“可實現(xiàn)性”。

5）為實現(xiàn)地基沉降控制標準，所采取的措施與當前的經(jīng)濟水平相適應，即具有經(jīng)濟合理性。

5 計算案例

在北方某機場實際監(jiān)測了地基沉降情況， 圖2 為單點沉降計的沉降時域曲線。 2017 年9 月至2018 年7 月，地基沉降量大、沉降速度快，絕對沉降約28 cm；2018 年7 月至2020 年3 月，沉降增長緩慢，絕對沉降量2 cm；2020 年3 月至2022年，地基沉降趨于穩(wěn)定，保持在29 cm 左右。

圖2 單點沉降時域曲線

基于上述方法對機場的實際工后沉降情況進行計算分析，各點的工后沉降與差異沉降分布如圖3 所示，可得工后沉降最大值為3.6 cm，最小值為0.3 cm，中位數(shù)為1.1 cm，工后差異沉降最大值為0.4‰，最小值為0.1‰，中位數(shù)為0.25‰，工后沉降顯著小于規(guī)范要求80 cm，工后差異沉降顯著小于規(guī)范要求的1.5‰。 計算結(jié)果證明，傳感器埋設(shè)成功且運行狀態(tài)良好，同時地基工后差異沉降得到有效控制，不均勻沉降處治效果達到預期。

6 結(jié)論