南昌紅谷隧道沉管浮運、沉放安裝監測技術

摘要：本文主要介紹針對南昌紅谷隧道工程江中段沉管浮運、沉放安裝監測技術方法，采用RTK定位與姿態儀監測技術相結合，實現實時監測沉管的三維姿態信息。開發沉管浮運施工監測系統軟件，指導沉管浮運及水下對接。

關鍵詞：南昌紅谷隧道；沉管浮運；沉管沉放水下對接；RTK；拉力儀；姿態儀；沉管浮運施工監測系統軟件

1、引言

南昌紅谷隧道主線長2650米，工程總投資42.2億元。管段浮運航道總長度為8510米，穿過生米大橋、朝陽大橋、南昌大橋三座大橋。江中沉管長為1305米，共分12節，管節外寬30米，外高8.3米，管節長度分為115米與90米兩種。115米長管節重約2.5萬噸，90米長管節重約2萬噸，沉管管底最低標高為-7.726米。為了安裝南昌紅谷隧道沉管，必須對浮運、安裝過程進行精密測量和監測，以確定沉管浮運、安裝過程的拖輪拉力大小、精確位置和姿態。筆者根據工程需要和工程特點，采用RTK定位技術、姿態監控技術、拉力監控技術、數字電臺傳輸技術、開發出沉管浮運施工監測系統軟件，通過可視化模擬軟件，指導沉管浮運和水下對接。

2、沉管浮運、沉放定位的主要技術要求及難點

沉管浮運定位的主要要求沉管不能偏離浮運中心航線10cm，沉管安裝定位的主要要求如下：沉管管段首端（與前一塊對接端）稱為A端，末端稱為B端。AB端的定位精度應達到±3cm。這一定位精度對水下定位的要求是相當高的，目前單純的水下聲學定位是無法實現的。

在沉管浮運、安裝過程中要實時監測其沉管的坐標，航向，航速，及拖輪的坐標、航向，航速，錨鏈的拉力大小等信息，從而指導浮運及安裝。

3、監測的基本思路

在分析研究南昌市紅谷隧道工程項目的技術文件及測區已有資料的基礎上，精心組織，優化設計，既考慮到利用現代先進設備和技術進行施工，又要兼顧到現場施工條件，將采用沉管浮運施工監測系統。沉管浮運施工監測系統由控制中心、沉管導航中心、拖輪導航中心及實況顯示中心四部分組成。（如下圖所示）

系統示意圖

在沉管測量塔兩端各安裝一套RTK GPS，在沉管里安裝傾斜儀，這樣得到沉管的三維坐標及傾斜角度，數據直接顯示在本中心電腦上，同時通過數據鏈將數據發到控制中心；在每條拖輪上安裝定位定向儀DGPS及拉力計，每條拖輪可以顯示自己的坐標及拉力，也將數據發送到控制中心。控制中心的數據采集器將所有數據統一處理后傳送到沉管導航中心和拖輪導航中心以及實況顯示中心，因此每個中心的電腦不但可以顯示自己的數據，也將同時顯示其他拖輪及沉管的坐標方位。

3.1 RTK原理

RTK基站架設在隧址附近樓頂固定位置，連續接收所有可視GPS衛星信號，并將測站坐標、觀測值、衛星跟蹤狀態及接收機工作狀態通過數據鏈發送出去，沉管上的接收機在跟蹤GPS衛星信號的同時接收來自基準站的數據，數據處理模塊使用動態差分定位的方式確定出流動站相對應基準站的位置，然后根據基準站的坐標求得自己的精確坐標高程。

3.2拖輪導航中心

為了得到拖輪的實時位置信息，將在拖輪頂部安裝一套定位定向儀DGPS，DGPS數據通過數據線傳輸到沉管浮運施工監測系統軟件中并實時顯示自己的坐標航向，再通過發射電臺將數據傳送到控制中心，經控制中心數據合成后再由控制中心發射電臺將數據傳送出去，其它拖輪上的接收電臺將數據接受并傳送到沉管浮運施工監測系統軟件中，因此每條拖輪不僅能顯示自己的坐標航向，也可以顯示其他拖輪的坐標航向。

3.3 沉管導航中心

沉管位置需要高精度監測，所以要安裝兩臺高精度GPS，其中一臺作為定位，另外一臺作為定向，來監控沉管的坐標與航向，傾斜儀可以監測沉管的傾斜角度，拉力計用來監測拖輪纜繩的受力情況，以上數據都將實時顯示在本中心電腦上，同時將數據發送到控制中心，控制中心經過處理后將數據發送到其他中心電腦端，實現數據共享。

3.4 控制中心

控制中心主要由多臺電臺及數據轉換器電腦組成，接收各個中心發送來的數據，并對其進行處理，然后將全部數據處理后發送到每個電腦，從而實現整體監測，數據互通。

控制中心負責整個系統的指揮、調控、數據調試，它可以自動、手動向設備請求船型和安裝參數，可以定期檢查設備的啟動運行情況，保證整個系統的正常運行。

3.5實況顯示中心

實況顯示中心由接收電臺及電腦組成，地點可以選在項目部，其功能主要是為不在施工現場的人提供一個施工實時畫面，來查看工程進度。

4、預防措施

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

在浮運過程中為了保證沉管浮運的連續性與安全性，將在沉管上備用一臺GPS，當一臺出現故障或損壞時可以及時替換（本系統均采用新設備，故障率極低）。

如果某一條拖輪上的設備出現故障，也可以顯示其他拖輪的位置，即使所有電臺均不能正常工作，沉管導航中心也可以獨立監測沉管的坐標與航向，并沿著計劃航線浮運，從而保證沉管能安全浮運至目的地。

為了保證整套監測系統能順利正常運行，需要進行模擬沉管浮運一次，模擬方法是找一條交通船，將所有設備安裝在船上，模擬沉管浮運狀態，查看各項數據能否正常發送接收。

5、結束語

南昌紅谷隧道工程江中段沉管浮運、沉放安裝監測工作是一項復雜的系統工程，本文提出的方法是具有可行性和最優化的方法之一。系統軟件有如下功能和優點：

基本功能：

1）軟件導入CAD圖形

2）坐標系統可以獨立保存文件

3）鼠標位置實時顯示

4）調入幾百兆的底圖可以用鼠標快速滾動瀏覽

5）夜間施工時可以切換夜間模式

6）原始數據備份并可模擬還原

7）偏航指示

系統優點：

1）全天候實時導航

2）實時施工校正

3）安全航行

4）監測精度高

5）顯示直觀、方便

6）節省人力、物力

作者簡介：

胡燕標，男，漢族，黨員，1979年12月25 日出生于廣東省五華縣安流鎮洑溪村，1997年9月進入湖南鐵道職業技術學院電子技術應用專業，2002年進入中國地質大學土木工程系，大學本科。現任廣州精勘測繪科技有限公司總經理，廣州市孛特勘測技術科技有限公司副總經理，廣東中小企業文化建設促進會理事，2012年獲得廣州市科信局立項創新基金，2013年獲得國家科技部立項創新基金，2014年獲得10項“實用新型專利證書”，獲得三項計算機軟件著作權。