南昌紅谷隧道沉管浮運(yùn)、沉放安裝監(jiān)測(cè)技術(shù)

摘要：本文主要介紹針對(duì)南昌紅谷隧道工程江中段沉管浮運(yùn)、沉放安裝監(jiān)測(cè)技術(shù)方法，采用RTK定位與姿態(tài)儀監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)沉管的三維姿態(tài)信息。開發(fā)沉管浮運(yùn)施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，指導(dǎo)沉管浮運(yùn)及水下對(duì)接。

關(guān)鍵詞：南昌紅谷隧道；沉管浮運(yùn)；沉管沉放水下對(duì)接；RTK；拉力儀；姿態(tài)儀；沉管浮運(yùn)施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件

1、引言

南昌紅谷隧道主線長(zhǎng)2650米，工程總投資42.2億元。管段浮運(yùn)航道總長(zhǎng)度為8510米，穿過生米大橋、朝陽大橋、南昌大橋三座大橋。江中沉管長(zhǎng)為1305米，共分12節(jié)，管節(jié)外寬30米，外高8.3米，管節(jié)長(zhǎng)度分為115米與90米兩種。115米長(zhǎng)管節(jié)重約2.5萬噸，90米長(zhǎng)管節(jié)重約2萬噸，沉管管底最低標(biāo)高為-7.726米。為了安裝南昌紅谷隧道沉管，必須對(duì)浮運(yùn)、安裝過程進(jìn)行精密測(cè)量和監(jiān)測(cè)，以確定沉管浮運(yùn)、安裝過程的拖輪拉力大小、精確位置和姿態(tài)。筆者根據(jù)工程需要和工程特點(diǎn)，采用RTK定位技術(shù)、姿態(tài)監(jiān)控技術(shù)、拉力監(jiān)控技術(shù)、數(shù)字電臺(tái)傳輸技術(shù)、開發(fā)出沉管浮運(yùn)施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，通過可視化模擬軟件，指導(dǎo)沉管浮運(yùn)和水下對(duì)接。

2、沉管浮運(yùn)、沉放定位的主要技術(shù)要求及難點(diǎn)

沉管浮運(yùn)定位的主要要求沉管不能偏離浮運(yùn)中心航線10cm，沉管安裝定位的主要要求如下：沉管管段首端（與前一塊對(duì)接端）稱為A端，末端稱為B端。AB端的定位精度應(yīng)達(dá)到±3cm。這一定位精度對(duì)水下定位的要求是相當(dāng)高的，目前單純的水下聲學(xué)定位是無法實(shí)現(xiàn)的。

在沉管浮運(yùn)、安裝過程中要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其沉管的坐標(biāo)，航向，航速，及拖輪的坐標(biāo)、航向，航速，錨鏈的拉力大小等信息，從而指導(dǎo)浮運(yùn)及安裝。

3、監(jiān)測(cè)的基本思路

在分析研究南昌市紅谷隧道工程項(xiàng)目的技術(shù)文件及測(cè)區(qū)已有資料的基礎(chǔ)上，精心組織，優(yōu)化設(shè)計(jì)，既考慮到利用現(xiàn)代先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)進(jìn)行施工，又要兼顧到現(xiàn)場(chǎng)施工條件，將采用沉管浮運(yùn)施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。沉管浮運(yùn)施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由控制中心、沉管導(dǎo)航中心、拖輪導(dǎo)航中心及實(shí)況顯示中心四部分組成。（如下圖所示）

系統(tǒng)示意圖

在沉管測(cè)量塔兩端各安裝一套R(shí)TK GPS，在沉管里安裝傾斜儀，這樣得到沉管的三維坐標(biāo)及傾斜角度，數(shù)據(jù)直接顯示在本中心電腦上，同時(shí)通過數(shù)據(jù)鏈將數(shù)據(jù)發(fā)到控制中心；在每條拖輪上安裝定位定向儀DGPS及拉力計(jì)，每條拖輪可以顯示自己的坐標(biāo)及拉力，也將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心。控制中心的數(shù)據(jù)采集器將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理后傳送到沉管導(dǎo)航中心和拖輪導(dǎo)航中心以及實(shí)況顯示中心，因此每個(gè)中心的電腦不但可以顯示自己的數(shù)據(jù)，也將同時(shí)顯示其他拖輪及沉管的坐標(biāo)方位。

3.1 RTK原理

RTK基站架設(shè)在隧址附近樓頂固定位置，連續(xù)接收所有可視GPS衛(wèi)星信號(hào)，并將測(cè)站坐標(biāo)、觀測(cè)值、衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)及接收機(jī)工作狀態(tài)通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送出去，沉管上的接收機(jī)在跟蹤GPS衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理模塊使用動(dòng)態(tài)差分定位的方式確定出流動(dòng)站相對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)站的位置，然后根據(jù)基準(zhǔn)站的坐標(biāo)求得自己的精確坐標(biāo)高程。

3.2拖輪導(dǎo)航中心

為了得到拖輪的實(shí)時(shí)位置信息，將在拖輪頂部安裝一套定位定向儀DGPS，DGPS數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)匠凉芨∵\(yùn)施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件中并實(shí)時(shí)顯示自己的坐標(biāo)航向，再通過發(fā)射電臺(tái)將數(shù)據(jù)傳送到控制中心，經(jīng)控制中心數(shù)據(jù)合成后再由控制中心發(fā)射電臺(tái)將數(shù)據(jù)傳送出去，其它拖輪上的接收電臺(tái)將數(shù)據(jù)接受并傳送到沉管浮運(yùn)施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件中，因此每條拖輪不僅能顯示自己的坐標(biāo)航向，也可以顯示其他拖輪的坐標(biāo)航向。

3.3 沉管導(dǎo)航中心

沉管位置需要高精度監(jiān)測(cè)，所以要安裝兩臺(tái)高精度GPS，其中一臺(tái)作為定位，另外一臺(tái)作為定向，來監(jiān)控沉管的坐標(biāo)與航向，傾斜儀可以監(jiān)測(cè)沉管的傾斜角度，拉力計(jì)用來監(jiān)測(cè)拖輪纜繩的受力情況，以上數(shù)據(jù)都將實(shí)時(shí)顯示在本中心電腦上，同時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心，控制中心經(jīng)過處理后將數(shù)據(jù)發(fā)送到其他中心電腦端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

3.4 控制中心

控制中心主要由多臺(tái)電臺(tái)及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器電腦組成，接收各個(gè)中心發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行處理，然后將全部數(shù)據(jù)處理后發(fā)送到每個(gè)電腦，從而實(shí)現(xiàn)整體監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)互通。

控制中心負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的指揮、調(diào)控、數(shù)據(jù)調(diào)試，它可以自動(dòng)、手動(dòng)向設(shè)備請(qǐng)求船型和安裝參數(shù)，可以定期檢查設(shè)備的啟動(dòng)運(yùn)行情況，保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3.5實(shí)況顯示中心

實(shí)況顯示中心由接收電臺(tái)及電腦組成，地點(diǎn)可以選在項(xiàng)目部，其功能主要是為不在施工現(xiàn)場(chǎng)的人提供一個(gè)施工實(shí)時(shí)畫面，來查看工程進(jìn)度。

4、預(yù)防措施

沉管上的GPS安裝要事先跟有關(guān)人員溝通協(xié)商，安裝位置要盡量選在纜繩等設(shè)備碰撞不到的地方，沉管控制中心要設(shè)置遮雨棚，避免電腦、電臺(tái)等設(shè)備被雨水淋濕，以保證施工能順利進(jìn)行不受天氣影響。

在浮運(yùn)過程中為了保證沉管浮運(yùn)的連續(xù)性與安全性，將在沉管上備用一臺(tái)GPS，當(dāng)一臺(tái)出現(xiàn)故障或損壞時(shí)可以及時(shí)替換（本系統(tǒng)均采用新設(shè)備，故障率極低）。

如果某一條拖輪上的設(shè)備出現(xiàn)故障，也可以顯示其他拖輪的位置，即使所有電臺(tái)均不能正常工作，沉管導(dǎo)航中心也可以獨(dú)立監(jiān)測(cè)沉管的坐標(biāo)與航向，并沿著計(jì)劃航線浮運(yùn)，從而保證沉管能安全浮運(yùn)至目的地。

為了保證整套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能順利正常運(yùn)行，需要進(jìn)行模擬沉管浮運(yùn)一次，模擬方法是找一條交通船，將所有設(shè)備安裝在船上，模擬沉管浮運(yùn)狀態(tài)，查看各項(xiàng)數(shù)據(jù)能否正常發(fā)送接收。

5、結(jié)束語

南昌紅谷隧道工程江中段沉管浮運(yùn)、沉放安裝監(jiān)測(cè)工作是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，本文提出的方法是具有可行性和最優(yōu)化的方法之一。系統(tǒng)軟件有如下功能和優(yōu)點(diǎn)：

基本功能：

1）軟件導(dǎo)入CAD圖形

2）坐標(biāo)系統(tǒng)可以獨(dú)立保存文件

3）鼠標(biāo)位置實(shí)時(shí)顯示

4）調(diào)入幾百兆的底圖可以用鼠標(biāo)快速滾動(dòng)瀏覽

5）夜間施工時(shí)可以切換夜間模式

6）原始數(shù)據(jù)備份并可模擬還原

7）偏航指示

系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：

1）全天候?qū)崟r(shí)導(dǎo)航

2）實(shí)時(shí)施工校正

3）安全航行

4）監(jiān)測(cè)精度高

5）顯示直觀、方便

6）節(jié)省人力、物力

作者簡(jiǎn)介：

胡燕標(biāo)，男，漢族，黨員，1979年12月25 日出生于廣東省五華縣安流鎮(zhèn)洑溪村，1997年9月進(jìn)入湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子技術(shù)應(yīng)用專業(yè)，2002年進(jìn)入中國(guó)地質(zhì)大學(xué)土木工程系，大學(xué)本科?，F(xiàn)任廣州精勘測(cè)繪科技有限公司總經(jīng)理，廣州市孛特勘測(cè)技術(shù)科技有限公司副總經(jīng)理，廣東中小企業(yè)文化建設(shè)促進(jìn)會(huì)理事，2012年獲得廣州市科信局立項(xiàng)創(chuàng)新基金，2013年獲得國(guó)家科技部立項(xiàng)創(chuàng)新基金，2014年獲得10項(xiàng)“實(shí)用新型專利證書”，獲得三項(xiàng)計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)。