南昌紅谷隧道沉管浮運和對接關鍵技術和創(chuàng)新

張彥昌

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456；2.天津市水運工程測繪技術重點實驗室，天津 300456)

2016年8月31日，南昌紅谷隧道最后一節(jié)沉管成功對接，標志著我國最深的跨江河沉管隧道水下沉放全部完成，實現(xiàn)了贛江紅谷灘和對岸老城區(qū)的通途跨越。整個過程的導航定位測量工作包括沉管的浮運、安放和對接定位。歷時1年零4個月，完成12節(jié)沉管對接施工[1]。本項目中首次成功應用了完全為我國自主知識產權的全景智能化水上水下導航定位技術。實現(xiàn)了全程三維可視化、智能化的高精度導航定位。大大提高了工作效率，節(jié)約了成本。本工程規(guī)模宏大，定位導航應用了多項技術創(chuàng)新，解決了工程中三維坐標實時轉換、協(xié)同定位、信息互聯(lián)等諸多難點[1]，本文將就該項目中沉管浮運、對接的導航定位部分做一基本介紹，以闡述這些難點及創(chuàng)新，因鑒于篇幅所限和專業(yè)性較強，本文不做詳細的技術論證和分析。

1 項目概況

南昌紅谷隧道座落在南昌，位于南昌大橋、八一大橋之間，主線全長約2 650 m，其中過江段總長1 329 m，采用水下沉管技術施工。分為12節(jié)管節(jié)，每節(jié)標準管節(jié)長度115 m、高度8.3 m、寬度30 m、重量約2.8萬t。是國內內河規(guī)模最大、管節(jié)浮運距離最長的沉管隧道工程。沉管頂面水深在12～20 m，施工沉放中，除測量塔外，其他部分都將沒入水下。所以本項目屬于深水沉管對接。

沉管采用現(xiàn)場預制，預制廠位于隧址上游約9 km處。每預制一節(jié)后，浮運至隧址，然后完成對接。浮運前需要專門開挖航槽。在沉管浮運對接過程中，測量組負責所有的沉管浮運定位、對接定位、航道水深測量、水文測量等工作。采用了全站儀、RTK、慣導、多波束、姿態(tài)儀、ADCP、無線網橋、無線電等設備，通過自主研發(fā)的定位軟件，將數(shù)據完美結合在一起。在項目中我們開發(fā)和利用了多項創(chuàng)新技術，研制開發(fā)了針對該類工程需求的導航定位系統(tǒng)，以實現(xiàn)自動工控要求。下面按照浮運和對接兩部分介紹。

2 沉管浮運

預制廠位于隧址上游約9 km處，從預制廠浮運至隧址需要通過三座大橋：生米大橋、朝陽大橋、南昌大橋，橋面寬度約30～40 m(見圖1和圖2)。浮運前需要開挖專門的航道。浮運中由5～6艘拖輪前后左右拖運(如圖3)。為了節(jié)約成本，浮運航道開挖較窄，所以浮運過程中需要嚴格按照設計路線行駛導航，尤其是通過南昌大橋時，橋孔最大寬度62 m，通過時，兩側最大富余寬度僅6.9 m(圖4)。航行一旦出現(xiàn)偏差，碰上橋墩后果嚴重。所以項目對浮運過程中導航定位提出了很高的技術要求[2]：

圖1 浮運航道平面圖Fig.1 Waterway for float transport

(1)平面定位優(yōu)于0.2 m，艏向精度優(yōu)于0.1°[3]。

(2)對全部拖船及沉管同時顯示真實位置，相互可見，全部導航信息圖形集中傳輸?shù)娇刂剖?主船駕駛室)內，統(tǒng)一指揮。

(3)實時顯示沉管、水下地形、航道邊線、大橋等輔助信息。

(4)實時顯示沉管及各拖輪的航向、航速、艏向，警示距離等必要的信息。

就沉管浮運，本次導航定位系統(tǒng)采用了以下關鍵技術及創(chuàng)新成果：

圖2 紅谷隧道隧址 圖3 沉管浮運拖輪編隊圖 Fig.2 Address of Nanchang Honggu tunnelFig.3 Floating tug formation

(1)自主研制了專門的多源數(shù)據的水上水下導航定位軟件(沉管浮運模塊)，實現(xiàn)了無人值守局域網多船互操作和廣域網數(shù)據分發(fā)技術[3]?；诠I(yè)無線網橋和專門開發(fā)的客戶端軟件的軟硬件配合，通過自定義數(shù)據傳輸協(xié)議和信息信道，實現(xiàn)了多船的測量數(shù)據共享和指揮命令協(xié)同。并通過端口映射技術。實現(xiàn)了多船、多通道、多元導航信息的集控顯示和控制，便于現(xiàn)場統(tǒng)一指揮，并實時記錄和回放，如圖5。

(2)GPS-RTK羅經與光纖羅經并用，監(jiān)測每一個拖船及沉管的艏向方位，用于計算和顯示每一條駁船及浮運沉管的真實位置輪廓。

(3)采用了慣導技術。由于拖船的速度很慢，尤其在通過大橋時，速度1～2節(jié)。這樣GPS進入橋下方時會被遮擋收不到衛(wèi)星信號，進入盲區(qū)。此時需要切換到另一種定位模式——慣性導航。再通過軟件中的卡爾曼濾波技術，保證航跡的連續(xù)和很高的精度。直至完全通過大橋后再切換至GPS模式[3](圖4)。

(4)軟件中，將航槽、水深、地形、水流、潮位、大橋等信息全部顯示在屏幕上，為決策者提供足夠的導航信息。并提供了危險距離預警機制。

3 沉管對接定位

深水大型水下沉管對接定位技術目前是世界性難題。水下對接就是將在裝的沉管和前一節(jié)已裝的沉管對接面完全對接起來，并保證沉管的縱傾、橫傾，中軸線、立軸線對齊，完全符合設計要求[4-5]。本次對接的精度要求在3.5 cm之內。在水下受到非穩(wěn)態(tài)水流等作用下，實現(xiàn)兩個重達2.8萬t，長110 m的龐然大物的精準對接更是難上加難。本項目在沒有水下攝像設備、沒有水下觀測墩、水下控制點的條件下，實現(xiàn)了水下完全的“盲目對接”。項目中開發(fā)利用了以下關鍵創(chuàng)新技術：

(1)測量設備時間同步、空間標定及實時動態(tài)撓曲形變修正。

①針對因設備分布式測量和軟件集中計算的矛盾所導致的數(shù)據傳輸時間延遲問題，研究并實現(xiàn)了基于PPS(Pulse Per Second)的時間延遲同步改正，在標定各設備延遲參數(shù)后，根據標定延遲值修正各數(shù)據項的時間戳至格林尼治標準時間，建立數(shù)據隊列，保證計算模型中各個參數(shù)在時間維度上完整有效。

②研究并實現(xiàn)了設備在干塢靜止狀態(tài)下和動態(tài)浮動狀態(tài)下的標定技術，將常規(guī)基于全站儀直接觀測的靜態(tài)設備標定方法，發(fā)展為基于激光測距的空間交會法，并利用最小二乘法進行平差計算保證標定參數(shù)精度，消除了管段運動狀態(tài)影響，適應在管段運動狀態(tài)下的設備標定，解決了動態(tài)環(huán)境下的高精度設備校準的難題。

③針對設備校準初始值在風浪流等外力作用下發(fā)生撓曲形變而失真的問題，利用激光垂直照準技術對校準值進行實時動態(tài)修正，建立了測量體系中不同設備的補償模型，實現(xiàn)了對測量塔撓度的實時糾正，提高了沉管對接定位精度。該方法將惡劣環(huán)境下的對接定位精度提高至0.02 m，擴大了測量塔定位模式的應用范圍[5]。

(2)研發(fā)了國內首個專用于內河大規(guī)模沉管隧道施工、滿足浮拖及對接全過程需求的綜合輔助決策系統(tǒng)—全景智能化水上水下導航定位系統(tǒng)。在軟件功能、數(shù)據組織、顯示效果等多個方面均優(yōu)于國內外現(xiàn)有軟件系統(tǒng)，場景全要素回放和無人值守局域網多船互操作均為利用最新技術針對新問題的解決方案，為國內外同行業(yè)首次實現(xiàn)。

①研究并實現(xiàn)了無人值守局域網多船互操作和廣域網數(shù)據分發(fā)技術?；诠I(yè)無線網橋和專門開發(fā)的客戶端軟件的軟硬件配合，通過自定義數(shù)據傳輸協(xié)議和消息信道，實現(xiàn)了多船的測量數(shù)據共享和指揮命令協(xié)同。并通過端口映射技術，進一步實現(xiàn)了局域網和廣域網的融合，并研發(fā)了系統(tǒng)中沉管管段測量數(shù)據的數(shù)據分發(fā)廣播，實現(xiàn)了現(xiàn)場實時測量，多處實時直播監(jiān)控。

②針對系統(tǒng)中測量設備多、更新頻率快和系統(tǒng)實時性要求高的問題，研究并實現(xiàn)了高頻并發(fā)數(shù)據的分布處理技術，適應多核CPU進行優(yōu)化的調度算法將數(shù)據路由至多個獨立數(shù)據處理模塊，充分利用現(xiàn)代計算機計算能力，在完成解算后再同步至數(shù)據更新模塊。

③研發(fā)了基于時間戳數(shù)據組織方式的施工場景回放技術，更好的分析事故原因，演練施工方案。在接收到完整數(shù)據項并進行延遲改正后，記錄包含時間戳的數(shù)據至原始數(shù)據文件中，在場景回放時，根據時間戳信息載入數(shù)據至對應設備，實現(xiàn)包括沉管歷史位置和姿態(tài)等內容的全要素場景回溯。

④基于自主研發(fā)的WPF技術下輕量級電子地圖引擎和托管環(huán)境下三維渲染引擎，實現(xiàn)了二維平面和三維立體同步，多屏幕、多視角的施工場景展示，更加直觀高效的展示實時沉管施工情景[6](圖6)。

6-a 管段拖航船隊指揮協(xié)作 6-b 多視角對接輔助測控模塊 6-c 應用現(xiàn)場情景圖6 沉管隧道施工輔助決策系統(tǒng)Fig.6 Auxiliary decision-making system for immersed tube tunnel

4 全景智能化沉管對接定位的基本原理[7]

沉管，是最終要沉入江(海)底的管段，施工中必須全部沒入水中(圖7和圖8)。對于較小規(guī)模、水深較淺的跨江隧道沉管，施工中可以采用全站儀直接定位的方法完成對接。其對接定位可以不顧及沉管的縱橫搖和運動，看作是靜態(tài)定位；而對于深水大型沉管則必須采用更加復雜的動態(tài)定位技術。鑒于水下聲學定位技術精度不高，且受到噪聲、濁度、以及聲波反射、繞射、多路徑等影響，定位無法滿足高精度施工要求。故采用以水面RTK定位為基本位置數(shù)據源，同時采用姿態(tài)儀、羅經實時測定縱橫搖及艏向。通過數(shù)據融合完成沉管對接定位。RTK及光纖姿態(tài)儀的精度是保障沉管最終對接精度達到厘米級的基礎[8]。

圖7 吊裝測量塔 圖8 沉放過程中Fig.7 Hoisting measuring tower Fig.8 Being submerged into water

測量塔是沉管入水后唯一露出水面的部分。測量塔上安裝RTK-GPS，是定位的初始位置數(shù)據源，另外沉管內部的姿態(tài)儀、電羅經等設備同時測得沉管姿態(tài)和方位。沉管的建模過程是獲得沉管本身尺寸和獨立坐標的過程。通過對上述多組數(shù)據的融合處理和計算，就可以獲得沉管水下個角點的實時三維坐標，并顯示。系統(tǒng)的基本組成如下：

測量塔+RTK +姿態(tài)儀(羅經)+撓度系統(tǒng)+QC控制系統(tǒng)+三維顯示系統(tǒng)+三維地形場景。

三維坐標轉換改正數(shù)學模型如下[7]：

設X為沉管上某點的沉管坐標，X′為其相應的地理坐標[9]，

根據三維坐標轉換原理，則：X′=RZ·Ry·Rx·X

其中：

顧及坐標原點的平移，則：X′=Rz·Ry·Rx·(X-X0)+XP

式中：X0=(x0，y0,z0)T為GPS天線位置在沉管坐標系中的坐標；XP=(xp，yp，hp)T為GPS天線位置在地理坐標系中的坐標，即RTK實測坐標值；X為管段上特征點在沉管坐標系中的坐標；X′為上述特征點的最終地理坐標。

5 結語

基于RTK-GPS+測量塔的水下沉管對接技術適用于較深水的海底及跨江隧道沉管建設。該技術屬于國內首創(chuàng)，在南昌紅谷隧道、香港沙中隧道等項目中得到了成功的應用。其主要優(yōu)點是，工作效率高，對接精度高，而且設備成本大大降低。采用了高精度姿態(tài)監(jiān)測技術[10]，克服了全站儀作業(yè)距離近、無法顧及沉管縱橫搖的缺點。其中實現(xiàn)了許多的創(chuàng)新技術，包括三維實時坐標轉換及可視化技術，數(shù)據全程記錄和回放技術，還有遠端多終端實時同步播放技術等等。在浮運階段，高精度的導航定位技術在項目中起了重要作用。該技術在目前的沉管隧道建設中具有廣闊的應用前景，并越來越多地被許多施工單位認可。