國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的MEMS陀螺儀和傾角傳感器為港珠澳大橋?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)

今年，中航工業(yè)計(jì)量所成功監(jiān)測(cè)深水長(zhǎng)周期管節(jié)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，為港珠澳大橋島隧工程E11管節(jié)的順利對(duì)接提供了計(jì)量保證，這標(biāo)志著該所參與的國(guó)家重點(diǎn)工程——港珠澳大橋島隧工程建設(shè)首戰(zhàn)告捷。國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的MEMS陀螺儀和傾角傳感器，以及航空航天導(dǎo)航制導(dǎo)專用設(shè)備，共同組成了為港珠澳大橋量身定做的沉管運(yùn)動(dòng)姿態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

在世界上獨(dú)一無(wú)二的超級(jí)工廠里，制作一個(gè)個(gè)長(zhǎng)180米、重約8萬(wàn)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(yùn)輸?shù)绞┕ずＳ颍惭b到精心準(zhǔn)備的海底基槽中，一節(jié)節(jié)對(duì)接起來(lái)，形成一個(gè)海底隧道，專業(yè)術(shù)語(yǔ)叫沉管隧道。這便成為當(dāng)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(gè)8萬(wàn)噸龐然大物在大海中長(zhǎng)距離浮運(yùn)，并在海底40多米的指定位置進(jìn)行精確安裝，將會(huì)受到千變?nèi)f化的風(fēng)、浪、流等多種因素的影響。因此就要選擇一個(gè)風(fēng)平浪靜、海流舒緩的時(shí)間段，這就是”窗口期“。綜合考慮天氣、海浪、海流復(fù)雜性以及工程建設(shè)本身的各種約束，一個(gè)月中只有兩個(gè)窗口期。

國(guó)家級(jí)預(yù)測(cè)機(jī)構(gòu)專門(mén)為港珠澳大橋島隧工程建設(shè)提供專項(xiàng)預(yù)報(bào)，雖然已經(jīng)接近兩年，但這次預(yù)報(bào)對(duì)國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心來(lái)說(shuō)也是一個(gè)前所未有的挑戰(zhàn)。即便參與過(guò)“雪龍?zhí)?rdquo;和“蛟龍?zhí)?rdquo;項(xiàng)目，國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心現(xiàn)場(chǎng)預(yù)報(bào)員孫虎林仍然認(rèn)為，為港珠澳大橋第11節(jié)沉管安裝提供預(yù)測(cè)是他參與的難度最大的項(xiàng)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(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心功不可沒(méi)。在根據(jù)此前模型預(yù)測(cè)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(yù)報(bào)越來(lái)越成熟，安裝作業(yè)越來(lái)越規(guī)范。

港珠澳大橋工程投資超過(guò)700億元，近6公里的沉管隧道由33節(jié)沉管在海底次第對(duì)接而成，是整個(gè)工程的核心，任何一節(jié)沉管出了問(wèn)題，都會(huì)對(duì)工程建設(shè)產(chǎn)生致命的影響、對(duì)工程120年的使用壽命產(chǎn)生致命影響。而且，這項(xiàng)偉大的工程，在實(shí)際范圍內(nèi)可資借鑒的東西少之又少。全世界100多條沉管，超過(guò)40米水深的很少，深水安裝長(zhǎng)度超過(guò)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(zhǎng)度超過(guò)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(cè)量其左右、上下以及傾角方向上的擺幅。深水又導(dǎo)致了沉管運(yùn)動(dòng)的超低頻特點(diǎn)，如果傳感器沒(méi)有極高的靈敏度，壓根不可能測(cè)到。沉管在安裝之前要進(jìn)行幾十個(gè)小時(shí)的準(zhǔn)備工作，測(cè)量?jī)x器在水中時(shí)間長(zhǎng)了可能會(huì)出現(xiàn)虛假波動(dòng)，即“零漂影響測(cè)試結(jié)果。這都要求，要選擇靈敏度極高的傳感器，才能實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的MEMS陀螺儀和傾角傳感器，以及航空航天導(dǎo)航制導(dǎo)專用設(shè)備，共同組成了為港珠澳大橋量身定做的沉管運(yùn)動(dòng)姿態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

港珠澳大橋是我國(guó)又一重大基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，跨海逾35千米，相當(dāng)于9座深圳灣公路大橋，是世界最長(zhǎng)的跨海大橋。大橋?qū)⒔?千米多長(zhǎng)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(zhǎng)5664米，共33個(gè)管節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)180米、寬40米，高11米。其中有19個(gè)管節(jié)的安裝水深都超過(guò)40米，最深處超過(guò)45米，槽深在30米以上。

由于沉管在對(duì)接期間會(huì)承受水流力、錨纜、沉放駁等的綜合作用，會(huì)導(dǎo)致對(duì)接精度無(wú)法控制，還有可能直接影響到沉管的安全，引起對(duì)基床破壞等施工風(fēng)險(xiǎn)。為了保證深水環(huán)境中巨大管節(jié)的順利對(duì)接，中國(guó)交通建設(shè)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(jì)量所尋求幫助。

該所深入分析了深水管節(jié)對(duì)接問(wèn)題，決定采用監(jiān)測(cè)管節(jié)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的方法來(lái)保障管節(jié)的順利對(duì)接，在管節(jié)的前后端分別設(shè)有測(cè)試點(diǎn)，并在關(guān)鍵的前端設(shè)有6支備份傳感器，以保證測(cè)試信號(hào)的準(zhǔn)確可靠。監(jiān)測(cè)深水長(zhǎng)周期管節(jié)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)屬于超低頻微小幅值振動(dòng)，測(cè)試難度大，在國(guó)內(nèi)尚屬空白。為此，計(jì)量所安排振動(dòng)專業(yè)技術(shù)骨干通過(guò)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)模擬對(duì)比實(shí)驗(yàn)初步確定實(shí)驗(yàn)方案，確保測(cè)試萬(wàn)無(wú)一失。

通過(guò)近兩個(gè)月的努力，7月21日，經(jīng)過(guò)7個(gè)半小時(shí)的監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)，計(jì)量所順利完成了港珠澳大橋深水E11管節(jié)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的監(jiān)測(cè)任務(wù)。8月19日，經(jīng)過(guò)努力，計(jì)量所再次順利完成港珠澳大橋深水E12管節(jié)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的監(jiān)測(cè)任務(wù)，保證了對(duì)接成功。計(jì)量所將為后續(xù)的所有管節(jié)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為對(duì)接繼續(xù)提供計(jì)量保證。

此次港珠澳大橋深水長(zhǎng)周期管節(jié)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的成功監(jiān)測(cè)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在深水環(huán)境中超低頻微小幅值振動(dòng)測(cè)量的空白。這是繼計(jì)量所助力“神舟八號(hào)”與“天宮一號(hào)”順利對(duì)接之后完成的又一項(xiàng)國(guó)家重大工程項(xiàng)目，是先進(jìn)的國(guó)防計(jì)量技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的應(yīng)用，同時(shí)也展現(xiàn)了計(jì)量所在處理復(fù)雜計(jì)量問(wèn)題方面的科研能力。