國內最先進的MEMS陀螺儀和傾角傳感器為港珠澳大橋實時監(jiān)測
今年,中航工業(yè)計量所成功監(jiān)測深水長周期管節(jié)運動姿態(tài),為港珠澳大橋島隧工程E11管節(jié)的順利對接提供了計量保證,這標志著該所參與的國家重點工程——港珠澳大橋島隧工程建設首戰(zhàn)告捷。國內最先進的MEMS陀螺儀和傾角傳感器,以及航空航天導航制導專用設備,共同組成了為港珠澳大橋量身定做的沉管運動姿態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)。
在世界上獨一無二的超級工廠里,制作一個個長180米、重約8萬噸,尺寸類似于一幢60層樓房的巨大混凝土沉管,然后把它運輸到施工海域,安裝到精心準備的海底基槽中,一節(jié)節(jié)對接起來,形成一個海底隧道,專業(yè)術語叫沉管隧道。這便成為當今世界上土木工程界最難的工程之一——港珠澳大橋島隧工程。
大家都知道,衛(wèi)星發(fā)射需要天氣“窗口這里也需要”窗口“。一個8萬噸龐然大物在大海中長距離浮運,并在海底40多米的指定位置進行精確安裝,將會受到千變萬化的風、浪、流等多種因素的影響。因此就要選擇一個風平浪靜、海流舒緩的時間段,這就是”窗口期“。綜合考慮天氣、海浪、海流復雜性以及工程建設本身的各種約束,一個月中只有兩個窗口期。
國家級預測機構專門為港珠澳大橋島隧工程建設提供專項預報,雖然已經接近兩年,但這次預報對國家海洋環(huán)境預報中心來說也是一個前所未有的挑戰(zhàn)。即便參與過“雪龍?zhí)?rdquo;和“蛟龍?zhí)?rdquo;項目,國家海洋環(huán)境預報中心現場預報員孫虎林仍然認為,為港珠澳大橋第11節(jié)沉管安裝提供預測是他參與的難度最大的項目。
2013年5月,港珠澳大橋沉管隧道成功安裝第一節(jié)沉管。國家海洋環(huán)境預報中心功不可沒。在根據此前模型預測提供的窗口,到2014年3月,港珠澳大橋由淺入深成功完成了10節(jié)沉管。第10節(jié)沉管最深處在43米處。“窗口期”預報越來越成熟,安裝作業(yè)越來越規(guī)范。
港珠澳大橋工程投資超過700億元,近6公里的沉管隧道由33節(jié)沉管在海底次第對接而成,是整個工程的核心,任何一節(jié)沉管出了問題,都會對工程建設產生致命的影響、對工程120年的使用壽命產生致命影響。而且,這項偉大的工程,在實際范圍內可資借鑒的東西少之又少。全世界100多條沉管,超過40米水深的很少,深水安裝長度超過2公里的更少。港珠澳大橋沉管隧道槽深30米左右,這在全世界還是第一次;深水安裝的長度超過3公里,在全世界也是第一次。
沉管就像海底的大鐘擺,需要精確測量其左右、上下以及傾角方向上的擺幅。深水又導致了沉管運動的超低頻特點,如果傳感器沒有極高的靈敏度,壓根不可能測到。沉管在安裝之前要進行幾十個小時的準備工作,測量儀器在水中時間長了可能會出現虛假波動,即“零漂影響測試結果。這都要求,要選擇靈敏度極高的傳感器,才能實現精確測量。國內最先進的MEMS陀螺儀和傾角傳感器,以及航空航天導航制導專用設備,共同組成了為港珠澳大橋量身定做的沉管運動姿態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)。
港珠澳大橋是我國又一重大基礎設施項目,跨海逾35千米,相當于9座深圳灣公路大橋,是世界最長的跨海大橋。大橋將建6千米多長的海底隧道,是集橋、島、隧為一體的超大型跨海通道,由沉管隧道、東西人工島三大部分組成,其中沉管隧道是目前世界上綜合難度最大的沉管隧道之一,全長5664米,共33個管節(jié),標準管節(jié)長180米、寬40米,高11米。其中有19個管節(jié)的安裝水深都超過40米,最深處超過45米,槽深在30米以上。
由于沉管在對接期間會承受水流力、錨纜、沉放駁等的綜合作用,會導致對接精度無法控制,還有可能直接影響到沉管的安全,引起對基床破壞等施工風險。為了保證深水環(huán)境中巨大管節(jié)的順利對接,中國交通建設股份有限公司下屬中交天津港灣工程研究院于今年5月向中航工業(yè)計量所尋求幫助。
該所深入分析了深水管節(jié)對接問題,決定采用監(jiān)測管節(jié)運動姿態(tài)的方法來保障管節(jié)的順利對接,在管節(jié)的前后端分別設有測試點,并在關鍵的前端設有6支備份傳感器,以保證測試信號的準確可靠。監(jiān)測深水長周期管節(jié)運動姿態(tài)屬于超低頻微小幅值振動,測試難度大,在國內尚屬空白。為此,計量所安排振動專業(yè)技術骨干通過實驗室驗證試驗,現場模擬對比實驗初步確定實驗方案,確保測試萬無一失。
通過近兩個月的努力,7月21日,經過7個半小時的監(jiān)測與預報,計量所順利完成了港珠澳大橋深水E11管節(jié)運動姿態(tài)的監(jiān)測任務。8月19日,經過努力,計量所再次順利完成港珠澳大橋深水E12管節(jié)運動姿態(tài)的監(jiān)測任務,保證了對接成功。計量所將為后續(xù)的所有管節(jié)運動姿態(tài)的進行監(jiān)測,為對接繼續(xù)提供計量保證。
此次港珠澳大橋深水長周期管節(jié)運動姿態(tài)的成功監(jiān)測,填補了國內在深水環(huán)境中超低頻微小幅值振動測量的空白。這是繼計量所助力“神舟八號”與“天宮一號”順利對接之后完成的又一項國家重大工程項目,是先進的國防計量技術在國民經濟建設中的應用,同時也展現了計量所在處理復雜計量問題方面的科研能力。