国内高速度倾角传感器为港珠澳大桥实时监测
2015-05-27
近日，中航工业计量所成功监测深水长周期管节运动姿态，为港珠澳大桥岛隧工程E11管节的顺利对接提供了计量保证，这标志着该所参与的国家重点工程——港珠澳大桥岛隧工程建设首战告捷。国内最先进的微机械陀螺和高速度倾角传感器，以及航空航天导航制导专用设备，共同组成了为港珠澳大桥量身定做的沉管运动姿态实时监测系统。
在世界上独一无二的超级工厂里，制作一个个长180米、重约8万吨，尺寸类似于一幢60层楼房的巨大混凝土沉管，然后把它运输到施工海域，安装到精心准备的海底基槽中，一节节对接起来，形成一个海底隧道，专业术语叫沉管隧道。这便成为当今世界上土木工程界最难的工程之一——港珠澳大桥岛隧工程。
大家都知道，卫星发射需要天气“窗口这里也需要”窗口“。一个8万吨庞然大物在大海中长距离浮运，并在海底40多米的指定位置进行精确安装，将会受到千变万化的风、浪、流等多种因素的影响。因此就要选择一个风平浪静、海流舒缓的时间段，这就是”窗口期“。综合考虑天气、海浪、海流复杂性以及工程建设本身的各种约束，一个月中只有两个窗口期。
国家级预测机构专门为港珠澳大桥岛隧工程建设提供专项预报，虽然已经接近两年，但这次预报对国家海洋环境预报中心来说也是一个前所未有的挑战。即便参与过“雪龙号”和“蛟龙号”项目，国家海洋环境预报中心现场预报员孙虎林仍然认为，为港珠澳大桥第11节沉管安装提供预测是他参与的难度最大的项目。
2013年5月，港珠澳大桥沉管隧道成功安装第一节沉管。国家海洋环境预报中心功不可没。在根据此前模型预测提供的窗口，到2014年3月，港珠澳大桥由浅入深成功完成了10节沉管。第10节沉管最深处在43米处。“窗口期”预报越来越成熟，安装作业越来越规范。
港珠澳大桥工程投资超过700亿元，近6公里的沉管隧道由33节沉管在海底次第对接而成，是整个工程的核心，任何一节沉管出了问题，都会对工程建设产生致命的影响、对工程120年的使用寿命产生致命影响。而且，这项伟大的工程，在实际范围内可资借鉴的东西少之又少。全世界100多条沉管，超过40米水深的很少，深水安装长度超过2公里的更少。港珠澳大桥沉管隧道槽深30米左右，这在全世界还是第一次；深水安装的长度超过3公里，在全世界也是第一次。
沉管就像海底的大钟摆，需要精确测量其左右、上下以及倾角方向上的摆幅。深水又导致了沉管运动的超低频特点，如果传感器没有极高的灵敏度，压根不可能测到。沉管在安装之前要进行几十个小时的准备工作，测量仪器在水中时间长了可能会出现虚假波动，即“零漂影响测试结果。这都要求，要选择灵敏度极高的传感器，才能实现精确测量。国内最先进的微机械陀螺和高速度倾角传感器，以及航空航天导航制导专用设备，共同组成了为港珠澳大桥量身定做的沉管运动姿态实时监测系统。
港珠澳大桥是我国又一重大基础设施项目，跨海逾35千米，相当于9座深圳湾公路大桥，是世界最长的跨海大桥。大桥将建6千米多长的海底隧道，是集桥、岛、隧为一体的超大型跨海通道，由沉管隧道、东西人工岛三大部分组成，其中沉管隧道是目前世界上综合难度最大的沉管隧道之一，全长5664米，共33个管节，标准管节长180米、宽40米，高11米。其中有19个管节的安装水深都超过40米，最深处超过45米，槽深在30米以上。
由于沉管在对接期间会承受水流力、锚缆、沉放驳等的综合作用，会导致对接精度无法控制，还有可能直接影响到沉管的安全，引起对基床破坏等施工风险。为了保证深水环境中巨大管节的顺利对接，中国交通建设股份有限公司下属中交天津港湾工程研究院于今年5月向中航工业计量所寻求帮助。
该所深入分析了深水管节对接问题，决定采用监测管节运动姿态的方法来保障管节的顺利对接，在管节的前后端分别设有测试点，并在关键的前端设有6支备份传感器，以保证测试信号的准确可靠。监测深水长周期管节运动姿态属于超低频微小幅值振动，测试难度大，在国内尚属空白。为此，计量所安排振动专业技术骨干通过实验室验证试验，现场模拟对比实验初步确定实验方案，确保测试万无一失。
通过近两个月的努力，7月21日，经过7个半小时的监测与预报，计量所顺利完成了港珠澳大桥深水E11管节运动姿态的监测任务。8月19日，经过努力，计量所再次顺利完成港珠澳大桥深水E12管节运动姿态的监测任务，保证了对接成功。计量所将为后续的所有管节运动姿态的进行监测，为对接继续提供计量保证。
此次港珠澳大桥深水长周期管节运动姿态的成功监测，填补了国内在深水环境中超低频微小幅值振动测量的空白。这是继计量所助力“神舟八号”与“天宫一号”顺利对接之后完成的又一项国家重大工程项目，是先进的国防计量技术在国民经济建设中的应用，同时也展现了计量所在处理复杂计量问题方面的科研能力。
