劉兆權(quán)，周相榮，王殿文，孫陽(yáng)陽(yáng)

0　引言

港洙澳大橋島隧工程沉管隧道穿越珠江口、廣州深圳西部港區(qū)出海主航道，沉管段長(zhǎng)5 664 m，共有管節(jié)33個(gè)，是迄今世界上規(guī)模最大的海上沉管隧道工程。管節(jié)截面采用兩孔一管廊形式，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)180 m，寬37.95 m，高11.4 m，單根重78 000 t，排水量8萬(wàn)m3，是目前世界上最大的混凝土構(gòu)件[1]?？紤]到沉管浮運(yùn)區(qū)域狹窄，為了保證沉管在浮運(yùn)窗口要求時(shí)間內(nèi)安全浮運(yùn)，港珠澳大橋島隧項(xiàng)目部開(kāi)發(fā)了沉管浮運(yùn)導(dǎo)航操作指揮系統(tǒng)。

1　沉管浮運(yùn)狀況

沉管浮運(yùn)存在大量施工難點(diǎn)，主要施工難點(diǎn)如下：

1）施工區(qū)水域狹窄，浮運(yùn)航道寬僅240 m，外側(cè)水域不滿足吃水要求。

2）過(guò)往船只多，浮運(yùn)線路位于目前我國(guó)航運(yùn)最繁忙的水域，日船舶交通量達(dá)4 000艘次。

3）管節(jié)尺寸大，是世界上最大的混凝土構(gòu)件之一，標(biāo)準(zhǔn)沉管重達(dá)7.8萬(wàn)t，排水量8萬(wàn)m3。

4）氣象、海況復(fù)雜，流向與基槽垂直，水流力較大，浮運(yùn)時(shí)最大迎流面積達(dá)2 100 m2，拖航阻力達(dá)到300 t，風(fēng)險(xiǎn)大。

5）浮運(yùn)采用8～10艘拖輪（總馬力數(shù)超過(guò)22 050 kW（30 000 Hp）），一致性要求高，國(guó)內(nèi)尚無(wú)這方面的施工經(jīng)驗(yàn)，協(xié)同作業(yè)難度大[2]。

根據(jù)作業(yè)窗口，管節(jié)高平潮出塢、編隊(duì)拖航或提前從深塢區(qū)移至塢口外臨時(shí)系泊區(qū)，拖輪在塢外臨時(shí)系泊區(qū)編隊(duì)帶纜，然后浮運(yùn)至管節(jié)沉放位置。浮運(yùn)航道總長(zhǎng)約12 km，基槽內(nèi)浮運(yùn)最大距離約3 km，每節(jié)管節(jié)浮運(yùn)有3次航道轉(zhuǎn)換[3]。

浮運(yùn)航線有3條：

1）預(yù)制場(chǎng)航道→榕樹(shù)頭航道→出運(yùn)航道一→第一轉(zhuǎn)向區(qū)→基槽→安裝位置（用于E1—E8、E10、E12—E14浮運(yùn)）。

2）預(yù)制場(chǎng)航道→榕樹(shù)頭航道→出運(yùn)航道二→伶仃西航道→第二轉(zhuǎn)向區(qū)→基槽→安裝位置（用于E9、E11、E15—E20浮運(yùn)）。

3）預(yù)制場(chǎng)航道→榕樹(shù)頭航道→一次橫移區(qū)→出運(yùn)航道三→第三轉(zhuǎn)向區(qū)→基槽→安裝位置（用于E21—E33浮運(yùn)）。

為了克服拖航水流力，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，首創(chuàng)了吊拖+傍拖的超大型沉管拖航方式，8～13艘作業(yè)的拖航方式對(duì)拖輪協(xié)作要求極高，拖輪協(xié)同作業(yè)難度大。管節(jié)拖帶方式見(jiàn)圖1。為保證管節(jié)浮運(yùn)過(guò)程中管節(jié)、拖輪等的安全，在浮運(yùn)過(guò)程中對(duì)管節(jié)位置、速度、姿態(tài)、方位、10艘拖輪和管節(jié)相對(duì)于設(shè)計(jì)航線的偏距等進(jìn)行時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖1　管節(jié)拖帶方式Fig.1　Pipe section towing mode

2　浮運(yùn)操作指揮系統(tǒng)研究

2.1　浮運(yùn)操作指揮系統(tǒng)要求

為了保證沉管浮運(yùn)安全性，增加浮運(yùn)指揮的系統(tǒng)性和高效性，需要沉管浮運(yùn)導(dǎo)航系統(tǒng)滿足下列要求：

1）導(dǎo)航系統(tǒng)可視化，可以顯示沉管位置、航道位置和主要拖輪位置。

2）定位系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3）沉管運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)、軌跡線。

4）航速、流速、流向顯示。

2.2　沉管浮運(yùn)指揮系統(tǒng)界面滿足原則

管節(jié)拖航浮運(yùn)桌面系統(tǒng)是管節(jié)拖航浮運(yùn)的輔助工具，是決策科學(xué)化的依據(jù)，是管理可視化的手段，該界面系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下原則：

1）針對(duì)性

桌面系統(tǒng)針對(duì)管節(jié)拖航浮運(yùn)的特殊性設(shè)計(jì)，反映管節(jié)在拖航浮運(yùn)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)特性，同時(shí)滿足航道、轉(zhuǎn)向區(qū)、基槽區(qū)不同狀況下的拖輪配置需要，能夠靈活的進(jìn)行拖輪控制。

2）直觀性

桌面系統(tǒng)不僅能夠直觀反映管節(jié)和拖輪運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)能夠反映拖輪的使用情況，包括拖輪的用車(chē)情況、拖帶角度和拖纜長(zhǎng)度等詳細(xì)信息，動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)管節(jié)的運(yùn)動(dòng)和受力數(shù)據(jù)。

3）易操作

桌面系統(tǒng)針對(duì)島隧工程的實(shí)際應(yīng)用開(kāi)發(fā)，界面操作簡(jiǎn)便，避免操作繁瑣和晦澀難懂，影響桌面系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

2.3　沉管浮運(yùn)保障措施

2.3.1浮運(yùn)氣象窗口

氣象作業(yè)窗口保障沉管浮運(yùn)安裝期間波浪流作用力在拖輪配置范圍內(nèi)，根據(jù)總體氣象窗口限制條件選擇浮運(yùn)氣象窗口。氣象作業(yè)窗口一般在陰歷初七和二十三小潮汛期間。浮運(yùn)作業(yè)窗口見(jiàn)表1。

表1　浮運(yùn)作業(yè)窗口Table1　Floating operation window

2.3.2氣象預(yù)報(bào)與氣象水文分析

根據(jù)浮運(yùn)作業(yè)要求，潮位、潮流采用高分辨率小區(qū)域數(shù)值模式，預(yù)報(bào)結(jié)果由國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心提前1—2月提供。主要預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)有潮位預(yù)報(bào)、流速預(yù)報(bào)，其中流速預(yù)報(bào)為分區(qū)域預(yù)報(bào)，分為塢口A1、A2、 A3點(diǎn)、榕樹(shù)航道B點(diǎn)、出運(yùn)航道一、二交界C點(diǎn)、轉(zhuǎn)向區(qū)D以及基槽預(yù)報(bào)。預(yù)報(bào)點(diǎn)位見(jiàn)圖2。該流速預(yù)報(bào)結(jié)果誤差在±20 cm/s以內(nèi)，滿足浮運(yùn)作業(yè)要求。

圖2　流速預(yù)報(bào)點(diǎn)位置示意圖Fig.2　Flow rateforecast point position diagram

根據(jù)已安沉管的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，針對(duì)下一個(gè)氣象作業(yè)窗口，通過(guò)潮位對(duì)比比選出與已安管節(jié)類(lèi)似的氣象窗口，并將預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)與選定日期的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比以修正國(guó)家海洋預(yù)報(bào)中心的預(yù)報(bào)結(jié)果。

為了提高預(yù)報(bào)精度，浮運(yùn)作業(yè)前國(guó)家海洋預(yù)報(bào)中心提供12 h氣象預(yù)報(bào)，對(duì)原預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行修正，該預(yù)報(bào)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)氣象情況更為接近。

3　浮運(yùn)導(dǎo)航系統(tǒng)

為保證沉管浮運(yùn)安全和在規(guī)定的潮水時(shí)間內(nèi)完成，港珠澳大橋島隧工程開(kāi)發(fā)了浮運(yùn)導(dǎo)航系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)4次浮運(yùn)系泊演練和E1—E33沉管現(xiàn)場(chǎng)操作檢驗(yàn)，浮運(yùn)指揮系統(tǒng)可以滿足港珠澳大橋島隧工程沉管浮運(yùn)要求，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，準(zhǔn)確性高。

3.1　浮運(yùn)導(dǎo)航軟件組成

浮運(yùn)導(dǎo)航系統(tǒng)由導(dǎo)航系統(tǒng)功能區(qū)分安裝3套獨(dú)立的硬件系統(tǒng)，主要包括UPS、電腦、GPS、電臺(tái)、無(wú)線AP等設(shè)備[4]。

3.2　浮運(yùn)導(dǎo)航軟件功能

1）位置解算

實(shí)時(shí)、同步采集GPS的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，計(jì)算各特征點(diǎn)（轉(zhuǎn)向點(diǎn)、調(diào)頭區(qū)、系泊區(qū)）與GPS之間的空間關(guān)系；顯示管節(jié)在航道、調(diào)頭區(qū)、基槽的地理位置。

2）實(shí)時(shí)導(dǎo)航顯示

實(shí)時(shí)顯示浮運(yùn)沉管和10艘拖輪的位置及已安裝沉管的位置。

實(shí)時(shí)顯示國(guó)家海洋預(yù)報(bào)中心實(shí)測(cè)的流速、流向數(shù)據(jù)。

實(shí)時(shí)顯示測(cè)量船現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的海水密度。

實(shí)時(shí)顯示GPS模式的已完成路程、剩余路程和已用時(shí)間、預(yù)計(jì)完成時(shí)間及其它在拖航中有參考意義的數(shù)據(jù)。

3）數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出

能夠?qū)腚娮雍D、Auto CAD格式的背景圖、設(shè)備形狀細(xì)節(jié)圖等，結(jié)合電子海圖或者背景圖實(shí)時(shí)顯示航道兩側(cè)的航標(biāo)、礙航物等。

能夠?qū)隣ffice Excel格式相關(guān)數(shù)據(jù)，能夠?qū)С鯫ffice Excel格式或者自定義格式相關(guān)數(shù)據(jù)[5]。

4）邊界設(shè)置和安全預(yù)警

用戶可以設(shè)置使用不同顏色顯示不同的水深范圍及滿足浮運(yùn)要求的水深范圍，設(shè)置不同顏色顯示沉管浮運(yùn)航道的控制邊線、中心線。

設(shè)置沉管固定點(diǎn)距控制邊線的距離值，如小于設(shè)定值時(shí)或其他預(yù)設(shè)預(yù)警值時(shí)以聲響和屏幕圖文提示方式給予及時(shí)報(bào)警。

流速大于氣象窗口要求的流速值時(shí)給予報(bào)警。5）數(shù)據(jù)記錄和回放

所有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄，數(shù)據(jù)可回放用于事后觀摩研究。

自動(dòng)記錄相關(guān)數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)庫(kù)格式。

6）可靠性保證

系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)備數(shù)據(jù)給出的設(shè)備健康狀況和設(shè)備冗余觀測(cè)數(shù)據(jù)判斷整個(gè)系統(tǒng)的定位精度和可靠性，并給出相應(yīng)的警示。

7）中英文切換

軟件界面可顯示中文或英文兩種語(yǔ)言文字。

3.3　第一定位系統(tǒng)

此系統(tǒng)為首選定位系統(tǒng)，以信號(hào)穩(wěn)定性為主，利用1臺(tái)雙天線信標(biāo)機(jī)作為沉管定位設(shè)備，通過(guò)無(wú)線電臺(tái)傳輸9艘拖輪信標(biāo)機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)，主界面實(shí)時(shí)顯示沉管和拖輪信息，指揮室和參觀室通過(guò)有線傳輸視頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)軟件顯示。第一定位系統(tǒng)設(shè)備配置見(jiàn)表2。

實(shí)時(shí)顯示沉管和拖輪位置信息：在管節(jié)首尾兩端系纜柱位置新增扇形刻度線，刻度線15°為一格；左上角顯示流速與管節(jié)軸線關(guān)系，并顯示與管節(jié)軸線夾角；軟件界面增加距離標(biāo)線網(wǎng)格（100 m為一格）；增加沉管方向矢量線、增加纜繩長(zhǎng)度及與軸向方向夾角；增加首尾航跡線顯示，顯示沉管運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，為指揮人員提供預(yù)判。導(dǎo)航系統(tǒng)顯示界面見(jiàn)圖3。

表2　第一定位系統(tǒng)設(shè)備配置Table 2　The first positioning system equipment configuration

圖3　導(dǎo)航系統(tǒng)顯示界面Fig.3　Navigation system display interface

3.4　第二定位系統(tǒng)

此系統(tǒng)為次選定位系統(tǒng)，以數(shù)據(jù)精確性為主，利用4臺(tái)RTK GPS接收機(jī)作為定位設(shè)備，其中2臺(tái)接入一臺(tái)電腦接收預(yù)制場(chǎng)參考站差分信號(hào)，另2臺(tái)接入另一臺(tái)電腦接收西島參考站差分信號(hào)。實(shí)時(shí)顯示沉管的位置信息，包括航速、航向、偏航等信息。

3.5　第三定位系統(tǒng)

此系統(tǒng)為備用定位系統(tǒng)，以數(shù)據(jù)穩(wěn)定性為主，只接收雙天線信標(biāo)機(jī)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示船舶信息，指揮室通過(guò)有線傳輸視頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)軟件顯示。實(shí)時(shí)顯示沉管的位置信息，包括航速、航向、偏航等信息。

4　浮運(yùn)導(dǎo)航軟件操作流程

沉管浮運(yùn)導(dǎo)航測(cè)控軟件安裝在安裝船和拖輪上面。施工現(xiàn)場(chǎng)的工作程序如下：電子海圖輸入→GPS顯示管節(jié)位置→國(guó)家海洋預(yù)報(bào)中心測(cè)流→流速信息輸入軟件→指揮人員根據(jù)流速和管節(jié)位置調(diào)整拖輪位置→浮運(yùn)視頻導(dǎo)出。操作流程圖見(jiàn)圖4。

5　工藝實(shí)施效果

導(dǎo)航系統(tǒng)融合導(dǎo)航定位、無(wú)線電等技術(shù)，以浮運(yùn)現(xiàn)場(chǎng)管節(jié)作為指揮中心，通過(guò)可靠的數(shù)據(jù)傳輸、科學(xué)高效的數(shù)據(jù)處理分析，逼真形象的顯示了沉管浮運(yùn)狀況[6]。導(dǎo)航系統(tǒng)包含拖輪位置顯示，沉管位置顯示，航道區(qū)域顯示及航道預(yù)警區(qū)顯示，現(xiàn)場(chǎng)流速、流向、航速顯示，航跡線及運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)顯示，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等模塊，是管節(jié)浮運(yùn)導(dǎo)航的指揮平臺(tái)，浮運(yùn)指揮人員可以在操作室完成沉管浮運(yùn)指揮。

圖4　操作流程圖Fig.4　Operational flow chart

1）拖輪沉管位置顯示

在拖輪及安裝船上安裝GPS天線實(shí)時(shí)觀測(cè)拖輪及沉管的位置，并將其顯示在浮運(yùn)作業(yè)航路上。浮運(yùn)指揮員可以清楚看到沉管和拖輪的位置，以及拖輪拖拽角度和纜繩長(zhǎng)度。

2）浮運(yùn)航道顯示

浮運(yùn)航道在導(dǎo)航軟件的背景圖，可以清晰看到沉管目前處于航道的位置。另外，在轉(zhuǎn)向區(qū)、調(diào)頭區(qū)和系泊區(qū)設(shè)置特征點(diǎn)，實(shí)時(shí)顯示沉管到特征點(diǎn)的距離。在浮運(yùn)航道的邊界內(nèi)50 m標(biāo)出邊界警戒區(qū)域，提醒浮運(yùn)指揮員注意控制沉管姿態(tài)。

3）航速、流速顯示

現(xiàn)場(chǎng)國(guó)家海洋預(yù)報(bào)中心的4個(gè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)流浮漂每15 min發(fā)送1次流速流向信息，經(jīng)過(guò)判斷處理的流速信息顯示在導(dǎo)航系統(tǒng)上；沉管浮運(yùn)航速通過(guò)沉管位置差異計(jì)算出沉管瞬間流速；浮運(yùn)指揮員可以通過(guò)流速和航速判斷沉管受力情況。

4）航跡線和運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)顯示

導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄沉管的運(yùn)動(dòng)軌跡，并在沉管首端、尾端顯示沉管的運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)，很好地為指揮員提供沉管運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，指揮員可以及時(shí)調(diào)整拖輪受力，保證沉管姿態(tài)。

6　結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)E1—E33沉管現(xiàn)場(chǎng)浮運(yùn)作業(yè)，浮運(yùn)指揮人員通過(guò)浮運(yùn)導(dǎo)航系統(tǒng)可以坐在指揮室里完成沉管浮運(yùn)指揮，并清楚地了解室外的風(fēng)浪流、沉管的運(yùn)動(dòng)情況，徹底改變舊的浮運(yùn)指揮方式，極大地保證港珠澳大橋沉管浮運(yùn)的安全。

港珠澳大橋島隧工程沉管浮運(yùn)導(dǎo)航系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用在沉管浮運(yùn)導(dǎo)航的操作系統(tǒng)，改變了傳統(tǒng)的浮運(yùn)導(dǎo)航模式，提供了更為人性化、可視化和系統(tǒng)化的控制界面；現(xiàn)場(chǎng)流速流向的預(yù)報(bào)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)提高了浮運(yùn)作業(yè)的安全性。該系統(tǒng)為浮運(yùn)作業(yè)提供安全保障，大大降低了人力、物力的投入，并為國(guó)內(nèi)甚至世界上的沉管、沉箱浮運(yùn)提供參考。

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