计量服务产业经典案例:“长城计量”助力港珠澳大桥海底隧道顺利对接

  XZKL1234 ·  2018-12-07 13:19  ·  9106 次点击
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一、服务对象
港珠澳大桥连接粤、港、澳三地,它的建成将极大地促进地区经济发展,提高地区综合竞争力。港珠澳大桥岛隧工程沉管隧道(见图1、图2)是迄今为止规模最大的外海深埋沉管工程。沉管隧道工程全长5664m,两端与东西两座人工岛暗埋段相连。隧道由33个管节组成,标准管节长180米,宽37.95米,高11.4米,总重近八万吨,是目前世界范围内体量最大管节。其中,E9-E27段(超过3公里深水深槽段)沉管基槽开挖底标高约为-45m~-50m,基槽深度约为35m~40m,且深槽段与伶仃洋主航道交叉,海底地形和槽内流态异常复杂,类似外海环境下的深水深槽安装是世界范围内首次实施,对接精度控制难度和风险巨大。
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图1港珠澳大桥总体规划图
二、服务措施
国外已建跨海和海峡交通隧道安装作业的技术文献中未见有类似水下超低频运动监测系统的研究或应用资料,国内现已建成的海底隧道都属内陆跨江、跨河的浅埋沉管隧道,没有提出水下超低频运动的测量需求。
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图2港珠澳大桥沉管隧道纵向布置图
为得到精确的实时对接监测方案,保证沉管过程万无一失,建设方在全球范围内寻找解决之道。荷兰某世界著名隧道沉管浮运、沉放及对接专业公司开价近1亿欧元,且只提供技术咨询服务,既不负责安装,也不提供设备。为满足港珠澳大桥岛隧工程沉管对接工程需求,建设方经天津港口研究院推荐与航空工业三○四所(以下简称“304”)取得联系,通过与多位院士、建筑设计大师、各相关学科专家组织评审,最终确定采用304所提出的基于惯性导航技术的“沉管管节姿态动态监测系统”方案。
工程依托304所在超低频振动和惯性计量测试领域的技术优势,运用动态测试与校准的理论方法,根据既得的海流、波浪、海水密度、缆力、风速等多个环境参数简化边界条件,对系泊状态的管节系统建立有限元模型,分析其固有模态,确定系统的动态响应频率范围;根据分析结果选择组成监测系统的各传感器,并通过国防最高计量标准装置校准其幅频和相频特性,筛选出满足测试要求的传感器;分析传感器测试原理,设计测量单元,组建测试系统,研发管节姿态解算方法,设计管节姿态自动监测系统软件,并将监测系统应用于E11-E33历次管节沉放对接过程中,监测管节实时运动状态,为沉放对接指挥决策提供实时数据。
该沉管管节姿态动态监测系统有效集成了超低频加速度传感器、光纤陀螺仪、数据采集及分析模块,解算加速度、角度、角速度、速度和位移,实时输出水下沉管的位移及姿态;采用多参数耦合解析技术获得高精度沉管运动姿态及位置,建立了适用于复杂工况的测量与数值分析模型,适用于水下工况条件复杂的环境,在23根超大沉管外海沉放对接施工过程中,该系统的位移测量准确度达到毫米级,满足了港珠澳隧道沉管水下高精度无人沉放对接的监测要求。
三、服务成果
水下沉管超低频运动监测系统在国内首次将惯性导航技术应用于超大沉管外海沉放对接施工作业(见图3),系统测量准确度高、监测自动化,提高了我国建设领域的信息化水平,填补了国内空白。该监测系统是由我国自主研制的外海海底隧道施工保障系统的组成部分,打破了国外行业技术垄断,为国家节省了大量外汇。
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图3监测系统沉管现场安装及测量
四、成果推广
随着我国跨海工程的推进,未来可能考虑采用沉管隧道方案的有:深中通道、大连湾跨海交通工程、琼州海峡、渤海湾、台湾海峡等,该系统将产生更广泛的经济效益和社会效益。

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