計量服務(wù)產(chǎn)業(yè)經(jīng)典案例：“長城計量”助力港珠澳大橋海底隧道順利對接

一、服務(wù)對象

港珠澳大橋連接粵、港、澳三地，它的建成將極大地促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，提高地區(qū)綜合競爭力。港珠澳大橋島隧工程沉管隧道（見圖1、圖2）是迄今為止規(guī)模大的外海深埋沉管工程。沉管隧道工程全長5664m，兩端與東西兩座人工島暗埋段相連。隧道由33個管節(jié)組成，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長180米，寬37.95米，高11.4米，總重近八萬噸，是目前世界范圍內(nèi)體量大管節(jié)。其中，E9-E27段（過3公里深水深槽段）沉管基槽開挖底標(biāo)高約為-45m～-50m，基槽深度約為35m～40m，且深槽段與伶仃洋主航道交叉，海底地形和槽內(nèi)流態(tài)異常復(fù)雜，類似外海環(huán)境下的深水深槽安裝是世界范圍內(nèi)實施，對接精度控制難度和風(fēng)險巨大。

圖１　港珠澳大橋總體規(guī)劃圖

二、服務(wù)措施

國外已建跨海和海峽交通隧道安裝作業(yè)的技術(shù)文獻(xiàn)中未見有類似水下低頻運動監(jiān)測系統(tǒng)的研究或應(yīng)用資料，國內(nèi)現(xiàn)已建成的海底隧道都屬內(nèi)陸跨江、跨河的淺埋沉管隧道，沒有提出水下低頻運動的測量需求。

圖 2　港珠澳大橋沉管隧道縱向布置圖

為得到的實時對接監(jiān)測方案，保證沉管過程*，建設(shè)方在范圍內(nèi)尋找解決之道。荷蘭某世界隧道沉管浮運、沉放及對接專業(yè)公司開價近1億歐元，且只提供技術(shù)咨詢服務(wù)，既不負(fù)責(zé)安裝，也不提供設(shè)備。為滿足港珠澳大橋島隧工程沉管對接工程需求，建設(shè)方經(jīng)天津港口研究院推薦與航空工業(yè)三○四所（以下簡稱“304”）取得連系，通過與多位院士、建筑設(shè)計大師、各相關(guān)學(xué)科專家組織評審，終確定采用304所提出的基于慣性導(dǎo)航技術(shù)的“沉管管節(jié)姿態(tài)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)”方案。

工程依托304所在低頻振動和慣性計量測試領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，運用動態(tài)測試與校準(zhǔn)的理論方法，根據(jù)既得的海流、波浪、海水密度、纜力、風(fēng)速等多個環(huán)境參數(shù)簡化邊界條件，對系泊狀態(tài)的管節(jié)系統(tǒng)建立有限元模型，分析其固有模態(tài)，確定系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)頻率范圍；根據(jù)分析結(jié)果選擇組成監(jiān)測系統(tǒng)的各傳感器，并通過國防計量標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)其幅頻和相頻特性，篩選出滿足測試要求的傳感器；分析傳感器測試原理，設(shè)計測量單元，組建測試系統(tǒng)，研發(fā)管節(jié)姿態(tài)解算方法，設(shè)計管節(jié)姿態(tài)自動監(jiān)測系統(tǒng)軟件，并將監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于E11-E33歷次管節(jié)沉放對接過程中，監(jiān)測管節(jié)實時運動狀態(tài)，為沉放對接指揮決策提供實時數(shù)據(jù)。

該沉管管節(jié)姿態(tài)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)有效集成了低頻加速度傳感器、光纖陀螺儀、數(shù)據(jù)采集及分析模塊，解算加速度、角度、角速度、速度和位移，實時輸出水下沉管的位移及姿態(tài)；采用多參數(shù)耦合解析技術(shù)獲得高精度沉管運動姿態(tài)及位置，建立了適用于復(fù)雜工況的測量與數(shù)值分析模型，適用于水下工況條件復(fù)雜的環(huán)境，在23根大沉管外海沉放對接施工過程中，該系統(tǒng)的位移測量準(zhǔn)確度達(dá)到毫米級，滿足了港珠澳隧道沉管水下高精度無人沉放對接的監(jiān)測要求。

三、服務(wù)成果

水下沉管低頻運動監(jiān)測系統(tǒng)在國內(nèi)將慣性導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用于大沉管外海沉放對接施工作業(yè)（見圖3），系統(tǒng)測量準(zhǔn)確度高、監(jiān)測自動化，提高了我國建設(shè)領(lǐng)域的信息化水平，*。該監(jiān)測系統(tǒng)是由我國自主研制的外海海底隧道施工保障系統(tǒng)的組成部分，打破了國外行業(yè)技術(shù)壟斷，為國家節(jié)省了大量外匯。

圖３　監(jiān)測系統(tǒng)沉管現(xiàn)場安裝及測量

四、成果推廣

隨著我國跨海工程的推進(jìn)，未來可能考慮采用沉管隧道方案的有：深中通道、大連灣跨海交通工程、瓊州海峽、渤海灣、中國臺灣海峽等，該系統(tǒng)將產(chǎn)生更廣泛的經(jīng)濟效益和社會效益。

計量服務(wù)產(chǎn)業(yè)經(jīng)典案例：“長城計量”助力港珠澳大橋海底隧道順利對接