長距離沉管隧道施工通訊工藝及控制方法

孫健，魏紅波，馬宗豪

1　概述

港珠澳大橋沉管隧道是典型的長距離沉管隧道[1]，隧道部分總長約5 990 m，由西島暗埋段、沉管隧道、東島暗埋段組成。其中，沉管隧道全長5 664 m，33節管節采用兩孔一管廊的截面形式[2]，最終接頭位于E29與E30管節之間，按照航道轉換的需要和施工步序的安排，沉管浮運安裝總體分為5個階段，分別為：E1—E10安裝，E11—E15安裝，E16—E28安裝，E29—E33安裝，最終接頭施工。通訊系統（如圖1所示）除了需要滿足已安裝沉管隧道的日常通訊外，還需要保證沉管安裝期間管內部分與安裝船之間的不間斷通訊。

2　施工工藝

2.1　工藝簡介

沉管安裝需要從西人工島對接E1—E29管節，從東人工島安裝E30—E33，最終接頭設在E29和E30之間，因此將唯一基站安置在西島暗埋段內通過八木天線完成管內信號覆蓋，在西人工島選擇一處架放玻璃鋼增益天線位置，以保證海上信號覆蓋。

圖1　通訊系統示意圖Fig.1　Communication system diagram

沉管隧道以管節形式對接完成，每節管節首尾用鋼封門進行封堵，沉管安裝完成后利用鋼封門上的人孔門進入管內以完成貫通測量，在后續管內施工中拆除鋼封門，完成隧道全面貫通。受限于鋼封門的拆除進度影響，管內信號覆蓋需要分兩個部分，拆除封門部分即貫通部分，通訊信號可以通過光纖和直放站的形式進行信號覆蓋，未拆除封門部分通過2臺車臺進行背靠背形式[3]連接，將信號以接力棒形式進行傳輸。

東島暗埋段內設置無線近端機將西島基站信號引入隧道內，完成信號覆蓋，隧道內信號與西島隧道內信號覆蓋方式相同。

通訊系統主要組成：基站、基站耦合光纖直放站近端機、無線耦合光纖直放站近端機、光纖直放站遠端機、光纖、全向玻璃鋼增益天線、八木天線、吸盤天線、車臺、手臺等。

2.2　工藝內容

1）通訊信號測試

經過實地電測發現，西人工島至東人工島之間海域的電磁環境在450 MHz頻段無人使用，所以數字機采用450 MHz頻段的頻點。

2）隧道內貫通部分信號覆蓋

隧道建設從西人工島E1管節開始，通過西島隧道內的基站天線，能夠覆蓋隧道入口處200～300 m左右的范圍；通過分布在管內的直放站遠端機拉出的天線，對E1—E29節沉管進行信號的覆蓋[4]。按照工程進度，隨著隧道建設不斷延伸，直放站遠端機與天線也會隨著隧道建設進度進行延伸，分批完成遠端機及天線的布設，直到覆蓋E1—E29。

當隧道從東島E33開始安裝時，通過東島隧道無線耦合近端機的天線接收到西島基站的信號，分布給管內遠端機，用同樣的方法對東島E30—E33管內進行信號的覆蓋。

隧道內由暗埋段進行光纖的鋪設延伸至隧道尾端，由于西島兩臺基站耦合式近端機為一拖四設備，因此在西島隧道內鋪設2條光纖，分別為8芯（4芯用4芯備用）、4芯（2芯用2芯備用），E1—E25共布置6臺遠端機完成信號的覆蓋[5]。

光纖直放站通過天饋器件，分出3路信號，如圖2所示，由于中間的安全通道容積較小，可分出較弱的信號進行覆蓋；兩側的南北車道容積較大，分出較強的信號進行覆蓋。根據對環境的勘察，能夠滿足單向各300～500 m的信號覆蓋。

圖2　光纖直放站遠端機信號覆蓋Fig.2　Optical fiber repeater remotesignal coverage

3）隧道內未貫通部分信號覆蓋

沉管隧道以管節形式對接完成，通訊系統通常需要在未拆除封門管節內安裝兩組背靠背相連的車臺進行信號的傳輸。A車臺與數字手臺頻點一致，負責與基站進行通訊，天線放置在隧道的貫通部分。B車臺頻點與A車臺相同，但是收發頻點相反，將天線放置在未拆除封門的沉管內，將吸盤天線吸附在鐵板高處。

通過雙車臺背靠背技術，如圖3所示，將未拆除封門管節內手臺的信號通過B車臺接收并引出，通過背靠背連接線轉發到A車臺，此時A車臺和數字手臺一樣，通過無線信號轉發到基站，再通過基站廣播給其他手持機，這樣就實現了隧道未貫通部分與貫通部分的語音通信，通過這個方法實現管內的信號覆蓋。

4）人工島之間海域信號覆蓋

圖3　背靠背技術示意圖Fig.3　Back to back technology diagram

在西人工島內選擇一處無遮擋位置，將天線架高，測試信號在人工島之間海域的覆蓋。對比板狀定向天線只有120°的覆蓋區間，選擇帶有增益功能的玻璃鋼全向天線，將天線架設在開闊處，確保信號在人工島之間海域的覆蓋。

3　控制方法

3.1　控制目的

長距離沉管隧道施工中受很多因素的干擾導致信號減弱，因此必須采取可行的措施減少通訊信號的損耗。

3.2　影響因素

1）長距離造成信號衰減。

2）直放站數量增加造成信號衰減。

3）背靠背車臺的采用造成信號衰減。

4）交叉作業造成信號衰減。

5）惡劣天氣條件造成信號衰減。

3.3　控制措施

1）克服長距離造成的信號衰減

如圖4所示，將基站外置天線（1）選用增益效果好的玻璃鋼全向天線，天線設置不僅要在空曠位置，架設高度應滿足前方無遮擋，周圍盡量避開對信號吸附較強的金屬材料。東人工島處，無線耦合式光纖直放站近端機外置天線（13）可選用定向板式天線，天線中心面向西島基站方向。

圖4　通訊系統平面布置圖Fig.4　Communication system plan layout diagram

2）克服直放站數量增加造成信號衰減

西島隧道內由基站以耦合形式分兩路進行信號傳輸，信號在一定程度上發生衰減，調整遠端機的上行下行發射功率，在沉管安裝期間調大尾端直放站近端機（9、10）的上下行功率，必要時可暫停前面幾臺近端機（5、6、7、8）以確保未貫通部分信號輸入強度。

3）克服背靠背車臺的采用造成信號衰減

在施工中，應盡量減少背靠背車臺（14、15）的使用數量。受鋼封門拆除進度的影響，在施工中經常遇到3個管節未拆除封門的情況，根據現場經驗，利用八木天線定向傳輸效果好，吸盤天線覆蓋傳輸效果好的特點，在第1個管節內設置1組背靠背車臺，向貫通部分采用八木天線，向尾端也采用八木天線，測試信號可以滿足第2個管節中廊道覆蓋。由于未拆除封門管節只開中廊道人孔門，而沉管安裝也主要集中在最尾端管節，因此第2管節僅覆蓋中廊道足以。在最尾端管節設置1組背靠背車臺，收發第1個管節八木天線信號，在最尾端管節內采用吸盤天線進行覆蓋，這樣便可以減少1組背靠背車臺的使用，以達到減少信號衰弱作用。

4）克服交叉作業造成信號衰減

由于安裝船上各種通訊設備非常集中，導致信號受到干擾，再加上安裝船操作室的屏蔽作用，對海上信號傳輸造成一定的影響。因此在安裝船增加1部車臺，將頻點設置與手臺相同，并且安裝八木天線作為外置天線朝向基站方向，由于車臺本身功率較大，且天線外置避免信號干擾，大大改善了海上信號的傳輸。

管內合理布設光纖，減少中廊道施工時對光纖造成的破壞，采用8芯和4芯光纖，每個直放站處留2根尾纖，一用一備，減少由于光纖破損造成的信號衰弱。

交叉作業造成的意外斷電常常影響通訊，為確保管節安裝期間通訊的穩定性，在通訊系統關鍵部位，如基站（2）、近端機（3、12）、遠端機（9、10）以及背靠背車臺組（14、15）處，適當增加不間斷電源UPS。

5）克服惡劣天氣條件造成的信號衰減

港珠澳大橋施工水域雨季持續時間較長，施工作業窗口的選擇首先針對流速和風速，施工中發現在云層和降雨影響期間信號阻隔較明顯，無法在此環境下通訊時應將無線耦合式光纖直放站近端機（12）的上行和下行功率、基站的上行功率調大，必要時關閉幾臺隧道內覆蓋信號用的光纖直放站遠端機（5、6、7、8），以保證基站的輸出功率，同時要檢查基站和近端機的防雷設施[6]。

4　結語

以港珠澳大橋沉管隧道為例，對沉管隧道施工期間通訊工藝進行研究和說明，克服長距離對信號衰弱的影響，在施工中不斷總結、改進，并通過研究改進更好的控制通訊工藝，滿足隧道施工日常通訊，尤其是針對沉管對接時采取的一系列措施，對后續工作具有一定的指導意義。

參考文獻：

[1] 崔之鑒.交通隧道規劃與設計[M].成都：西南交通大學出版社，2006.CUI Zhi-jian.Traffic tunnel planning and design[M].Chengdu:Southwest Jiaotong University Press,2006.

[2]中交公路規劃設計院有限公司.港珠澳大橋主體工程島隧工程施工圖設計[R].2012.CCCC Highway Consultants Co.,Ltd.Construction drawing of island and tunnel project of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge main project[R].2012.

[3]GB 8702—1988，電磁輻射防護規范[S].GB 8702—1988,Regulations for electromagnetic radiation protection[S].

[4]YD 5039—2009，通訊工程建設環境保護技術暫行規定[S].YD 5039—2009,Provisional specifications on environment protection for engineeringconstruction of telecommunications[S].

[5]GB/T 50311—2000，建筑與建筑群綜合布線系統工程設計規范[S].GB/T 50311—2000,Codefor engineeringdesign of generic cabling systemfor buildingand campus[S].

[6]YD 5098—2005，通信局（站）防雷與接地工程設計規范[S].YD 5098—2005,Specificationsof engineering design for lightning protection and earthing design for telecommunication bureaus(stations)[S].