机场智慧跑道监测体系设计与优化

文｜西北民航机场建设集团有限责任公司 张奇 王荔

前言

西北地区部分机场场区地形起伏大，原地面土层类别存在差异或出现填挖交界，会引起跑道的不均匀沉降，大温差也会导致温度翘曲脱空，容易发生结构断板问题。此外在环境和荷载双重作用下，道面相邻的水泥混凝土板在接缝处容易出现伸缩变形较大，导致接缝传感能力不足，进而引发道面接缝破碎和雨水下渗的问题。上述问题给机场道面及运行带来潜在安全隐患，有必要构建机场智慧监测系统，降低跑道变形与结构安全风险，提高道面诊断自动化水平。

作为新基建的代表、智慧机场建设的成果之一，鄂州机场自立项以来获得了行业内外的广泛关注[1]。在未来，行业将向着数字化、智能化与智慧化转型升级，可能利用RFID（射频识别）技术、ZigBee 无线网络技术或GPS 定位技术，在机场内部架设传感网络，实现对机场装备的实时信息获取[2]。2020年，民航局发布了建设“平安、绿色、智慧、人文”四型机场的五年纲要，其中“智慧机场”是指建设生产要素全面物联、数据共享、协同高效、智能运行的机场[3]。智能化机场建设是实现其他三型机场的必要保证，是建设四型机场的重中之重，而物联网、云计算、大数据等数字化信息技术为提升机场智能化水平起到了重要推动作用[4]。当前，智慧机场建设不再局限于单一的系统或应用，更多的是融合多项技术、打通数据流动、并联多个平台，如枢纽机场联通轨道交通成为区域性综合交通中心[5]。

本项目针对飞行区地质条件、机场运行性质及荷载特征，选择重点截面布设传感器，采用新型建设方法，开发建立道面智能化监测系统，实现道面设计、施工到运行的全寿命周期一体化监测与管控，提高飞行区道面维修效率。

1.智慧跑道监测研究内容

本项目针对机场的道面变形、道面环境荷载以及道面环境安全进行监测和研究，最后提出得到机场智慧跑道体系监测的优化设计，具体监测内容如下：

（1）机场全生命周期的变形监测

西北部分地区机场道面不均匀沉降和边坡稳定性问题突出，本项目采用综合变形监测系统对填筑体顶面沉降、填筑体分层沉降、不均匀沉降以及边坡位移进行连续观测，以获得整个机场全生命周期的变形数据，为工程施工期的安全风险识别以及运营期维护提供数据支撑和决策依据。

（2）道面环境荷载监测

当机场环境温差大，水泥混凝土板结构在道面板内存在有较大的温度梯度，将导致道板形成温度翘曲变形，在飞机荷载作用下易形成断板，因此要对内部温度场进行监测。此外还要考虑到飞机荷载对结构响应的作用，实现传感器激励信号源的捕捉。

（3）道面结构安全监测

填挖交界、承受冲击荷载以及温差较大的关键位置进行道面结构安全监测。具体内容包括：道面结构翘曲变形监测、道面板底脱空监测。以上都可能导致道面结构产生脱空、断板、不平整等等病害，重点要对跑道上起降带等关键截面的结构疲劳监测、道面结构接缝伸缩状况及传荷能力监测。

2.智慧跑道传感器监测方案

传感器是跑道监测的工具与基础，本项目依据机场的特点，从沉降变形、边坡失稳、结构安全、运行安全以及交通荷载等方面，明确了监测的指标及拟采用的传感器类型，为随后的研究提供基础。

2.1 传感器布设位置

2.1.1 变形监测

（1）地基沉降监测

机场填方与填挖交界处容易产生不均匀沉降，会造成跑道变形，对机场的运行产生很大风险，因此对跑道、滑行道上的重点截面实时监测，以填方区域、填挖交界处、挖方区域为重点截面选取原则，采用单点沉降计、分层沉降计和智能沉降仪等监测传感器监测重点截面的绝对沉降、差异沉降，获取道面的绝对沉降量、沉降速率、差异沉降等指标。变形监测分为施工期监测和运营期监测，施工期监测时，填方区选1 个位置，钻孔埋设2 个单点沉降计；运营期监测时，跑道填方区域约400 m 布置1 个测点，填挖交界和挖方区域约200 m布置1 个测点；平滑道约每隔350 m～500 m布设一个测点，图1为沉降仪布设示意图。

图1 沉降仪布设示意图

图2 GNSS 自动化监测系统

图3 GNSS 监测站

（2）边坡变形监测

边坡稳定性同样是影响机场安全的重要因素之一，必须对边坡的变形进行监测以掌握其情况，保障机场运行安全。重点截面选择填方边坡处与挖方边坡处，采用GNSS 自动化监测系统和固定式测斜仪来监测重点截面的填方的坡顶表面位移、深层水平位移，挖方的坡顶表面位移，降雨量等指标。

2.1.2 道面环境荷载监测

环境温差大的地区，水泥混凝土板结构在道面板内存在有较大的温度梯度，将导致道板形成温度翘曲变形，在飞机荷载作用下易形成断板，因此要对内部温度场进行监测。此外还要考虑到飞机荷载对结构响应的作用，实现传感器激励信号源的捕捉。一般采用埋入式温度计来监测重点截面的表面温度和结构内部温度，分别设在板中和边角，并按照上、中、下三层埋设。选取三个截面，每个截面布设2 块板，一块板位于在中线一侧，另一块板位于同侧道面边缘；每块板埋设6 个。跑道接地带布设两组水膜冰雪传感器，土面区布设激光轮迹和红外热像仪辅助进行环境荷载监测。

2.1.3 道面结构安全监测

针对机场的道面结构安全，本项目采用动态应变计、加速度计、测缝计和静态应变计来监测跑道起降带以及中间位置区域和滑行道端头位置等典型截面的翘曲变形、地基支撑情况，以及对板底脱空及结构疲劳情况以及接缝传荷能力进行监测。跑道和滑行道分别选取两个典型截面，在板中、板边和板角埋设动态应变计，跑道每个截面布设6 块板，平滑道每个截面布设4 块板，均沿中线两侧布设，每块板埋设9 个动态应变计。同时，分别在板中和板边，并按照双层埋设静态应变计，跑道每个典型截面布设4 块板，平滑道每个典型截面布设2块板，均埋设在道面边板，每块板埋设4 个。测缝计在跑道典型截面每个埋设4 个；平滑道典型截面，每个截面埋设2 个。

图4 环境荷载传感器布设示意图

2.2 传感器安装施工

（1）地基沉降监测系统传感器施工

地基沉降监测系统传感器主要包含单点沉降计与智能沉降仪，首先于地基工作面上钻孔，将沉降计拉至满量程后分段绑扎到钢丝绳上，放入钻孔内部，随后将钢丝绳固定绑扎在钻孔上方架子上。下基层水稳施工完成后，采用RTK 实地放线开挖沟槽，把智能沉降仪均埋设于槽内，并将智能沉降仪通讯光纤、智能沉降仪主水管、智能沉降仪通气管引入PPR 管。将线缆通道汇集至道面边线旁土面区的沟槽，并将单点沉降计通讯光纤、智能沉降仪通讯光纤与光缆主缆熔接。线缆汇集通道与“采集仪保护箱”相接，在采集仪保护箱中布设6 通道数据采集仪、基康8 通道数据采集仪和无线传输模块及其传输存储平台。在场务用房中布设16 通道柜式光纤光栅解调仪，光缆主缆通过光纤接续盒与光纤跳线熔接，光纤跳线与解调仪连接。

（2）边坡监测传感器施工

边坡监测传感器主要包括了GNSS 表面位移监测系统与固定式测斜仪。采用钢筋混凝土建设GNSS 监测站观测墩，在边坡逐层填筑时，在每层表面打孔、埋设固定式测斜仪，根据监测需求相隔一定深度设置一个测点。在GNSS 和固定测斜仪附近设立金属立柱，该立柱用于安装太阳能板和无线传输模块，立柱下端也采用混凝土墩作为支撑体。

（3）道面结构监测传感器施工

本项目中道面结构监测传感器主要包含了应变计、温度传感器、加速度计与测缝计。应变计在道面板浇筑之前安装，首先在出线处的基层顶面刻槽，埋入MPP 管，将需要布设的传感器绑扎于钢筋支架上，在基层顶面相应位置钻6 个孔，插入螺纹钢筋。温度传感器要三层布设于道面板，在出线处的基层顶面刻槽，埋入MPP 管，在基层相应位置钻孔，将单根螺纹钢筋插入钻孔，用水泥砂浆填充空隙，并选取螺纹钢，在相应位置绑扎温度传感器，将温度传感器并联熔接，将每个并联支路引出的铠装光缆穿入已埋设的MPP 管中。加速度计与测缝计安装也是相同的步骤。

3.结论

本次项目依托实际工程，以解决机场地基不均匀沉降、边坡稳定性差、早晚温差过大等问题为目的，着眼于机场全生命周期的变形监测，道面环境荷载监测与道面结构安全监测，致力于建立道面智能监测与运维一体化综合管理平台，实现了机场飞行区运行安全风险的评估与预警与道面设施精准维护与智慧决策，大幅降低道面测试人工参与度，提高了机场管理水平。本项目实践应用了监测机场地基沉降的新技术，对智慧跑道地基沉降变形监测方案进行了优化，对于控制机场全域和重点区域的沉降变形具有重要的作用，同时改进了传感器设备提升了监测传感器寿命，提高了监测的精度，使监测数据的共享与利用变得更加快速简单。