楊宏波,李應(yīng)川,劉文彬

(1.中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518000; 2.中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041)

1 工程概況

某核電工程全廠規(guī)劃建設(shè)6臺(tái)百萬(wàn)千瓦級(jí)核電機(jī)組，一期工程規(guī)劃4臺(tái)核電機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組修建1條海底排水隧洞，一二號(hào)機(jī)組共2條排水隧洞在海底呈燈泡型線型布置，平面最小曲線半徑為300 m(見圖1)。隧洞全長(zhǎng)約為3.5 km，其中兩端陸域側(cè)采用礦山法施工，長(zhǎng)度約為0.7 km；海域側(cè)采用泥水盾構(gòu)施工，長(zhǎng)度約為2.8 km。盾構(gòu)隧洞外徑為7.4 m，內(nèi)徑為6.7 m，管片環(huán)寬為1.2 m，厚度為35 cm，管片采用“3+2+1”通用楔形管片方案。

圖1 排水隧洞平面示意

排水隧洞最大埋深約為22.3 m，最小埋深約為10.9 m，最大水深約為25.6 m，隧洞頂部承受的最大水壓約為0.35 MPa，在排水隧洞末端設(shè)置A1、A2排水頭部，排水頭部海域水深約為20 m，A1、A2排水頭部各有8個(gè)排水口，設(shè)置于R-300 m曲線上，按12 m間距布置，排水口由排水立管(見圖2)和混凝土圓筒箱體組成(見圖3)。其中A1立管的高度為8.8 m，A2立管的高度為9.8 m，立管在海底需要穿透隧洞的覆蓋土層，下端與隧洞頂部連接，上端與海水貫通。立管上部構(gòu)筑物為混凝土圓筒箱體，箱體內(nèi)直徑為7.6 m，重約400 t，安裝在海底將每個(gè)排水立管口罩住，以防止潮流和雜物對(duì)排水口的沖刷。

排水口整體施工順序：排水立管在海底栽種—盾構(gòu)切削通過(guò)立管—排水立管與隧道連接。

圖2 排水立管照片示意

圖3 排水頭部結(jié)構(gòu)示意(單位:高程 m，其余均為mm)

2 排水立管栽種工藝簡(jiǎn)介

排水立管“栽種”采用“在海上作業(yè)平臺(tái)上下沉鋼護(hù)筒，然后在鋼護(hù)筒內(nèi)沖孔，最后在鋼護(hù)筒內(nèi)安裝排水立管”的施工工藝?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際采用比利時(shí)“力雅號(hào)”海上平臺(tái)作為施工載體，力雅平臺(tái)的船舷長(zhǎng)邊尺寸為55.5 m，就位1次可以同時(shí)施工2～3根立管。排水立管的栽種流程為：施工準(zhǔn)備→施工平臺(tái)就位→牛腿、導(dǎo)向架安裝→鋼護(hù)筒安裝→水下沖孔→成孔檢驗(yàn)→排水立管安裝→混凝土導(dǎo)管安裝→水下混凝土澆筑→鋼護(hù)筒上拔→排水立管注漿加固。

3 海底排水立管監(jiān)測(cè)技術(shù)

3.1 排水立管監(jiān)測(cè)目的

排水立管“栽種”在隧洞軸線上(海水深度約為20 m，隧洞覆蓋層厚度約為10.0 m)[1]，后續(xù)要在成型隧道內(nèi)開孔與立管底部進(jìn)行連接。需要采用施工過(guò)程信息化監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)排水立管傾斜角度數(shù)據(jù)收集，準(zhǔn)確分析排水立管栽種時(shí)及盾構(gòu)機(jī)切削通過(guò)后立管的傾斜狀態(tài)，并判斷排水立管與排水隧洞的位置關(guān)系。

3.2 排水立管監(jiān)測(cè)儀器介紹

在排水立管栽種過(guò)程中，引進(jìn)了北斗云監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)排水立管栽種過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。北斗云傾斜傳感器主要對(duì)滑坡體/樁體的傾斜角度和傾斜方向進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)與被測(cè)物體剛性綁定的方式將傳感器部署于監(jiān)測(cè)點(diǎn)深部，通過(guò)傾斜、相對(duì)位移等監(jiān)測(cè)手段獲取被測(cè)物的傾斜和相對(duì)位移數(shù)據(jù)，可連接數(shù)據(jù)采集儀，通過(guò)GPRS/3G/4G/SMS/北斗短報(bào)文/LORA等通信方式傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)云平臺(tái)[2]。

3.2.1傾斜傳感器

排水立管監(jiān)測(cè)主要使用的是高精度傾角傳感器(見圖4，技術(shù)指標(biāo)見表1)，可實(shí)現(xiàn)多節(jié)、多深度高精度傾斜角度測(cè)量[3]；可實(shí)現(xiàn)方向角測(cè)量；能確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的變化前后坐標(biāo)；測(cè)斜分辨率為0.001°，精度為0.01°；方位角傳感器分辨率為0.05°，精度為0.5°。

圖4 高精度傾角傳感器

表1 傾斜傳感器技術(shù)指標(biāo)

3.2.2數(shù)據(jù)采集儀

北斗云數(shù)據(jù)采集儀是北斗云現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分。北斗云數(shù)據(jù)采集儀支持232、485、CAN總線式等多種接口，數(shù)據(jù)通訊支持LORA數(shù)傳、WIFI或光纖接線。場(chǎng)地內(nèi)可選擇無(wú)線或有線形式與北斗云路由器連接。

北斗云數(shù)據(jù)采集儀(見圖5，技術(shù)指標(biāo)見表2)可以使復(fù)雜的傳感器簡(jiǎn)單化，同時(shí)數(shù)據(jù)采集儀將收集到的一段時(shí)間內(nèi)的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和質(zhì)量。數(shù)據(jù)采集儀功能包括：通過(guò)有線方式連接傳感器，然后通過(guò)無(wú)線方式將采集到的數(shù)據(jù)上傳至北斗云路由器；場(chǎng)地內(nèi)使用LORA物聯(lián)網(wǎng)數(shù)傳模塊與北斗云路由器通訊；支持RS485等接口；采用更可靠的通訊方式(內(nèi)部局域網(wǎng)模式)使通訊得到保障。

其特點(diǎn)是將數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸至北斗云路由器，不占用場(chǎng)地內(nèi)空間布線；場(chǎng)地內(nèi)通過(guò)LORA物聯(lián)網(wǎng)數(shù)傳模塊傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可進(jìn)行本地計(jì)算；支持多種接口，可匹配多種傳感器。

圖5 北斗云數(shù)據(jù)采集儀示意

表2 數(shù)據(jù)采集儀技術(shù)指標(biāo)

3.3 北斗云傾角傳感器應(yīng)用于排水立管監(jiān)測(cè)方法介紹

本次排水立管監(jiān)測(cè)利用基于物聯(lián)網(wǎng)的傾斜傳感器，采用固定點(diǎn)預(yù)埋的方式(傾斜傳感器安裝示意及安裝過(guò)程見圖6)，實(shí)現(xiàn)傾斜傳感器與被測(cè)排水立管同步變化，實(shí)時(shí)快速的測(cè)量到排水立管安裝至海底后的3項(xiàng)垂直度數(shù)據(jù)，即傾斜角度(相對(duì)傾斜)、傾斜方向(位移方向)、立管底部水平位移(通過(guò)數(shù)據(jù)解析反算)。

根據(jù)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)傾斜傳感器上傳的海量數(shù)據(jù)，分類進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)北斗云手機(jī)端APP應(yīng)用(見圖7)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)讀取(見圖8)。手機(jī)端APP具有云監(jiān)測(cè)項(xiàng)目管理功能，在項(xiàng)目中可查詢相關(guān)管理人員、責(zé)任人以及工程上設(shè)備運(yùn)行情況等。手機(jī)APP應(yīng)用支持遠(yuǎn)程和近程的數(shù)據(jù)雙向交互，在工程現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)手機(jī)上的簡(jiǎn)單操作即可完成設(shè)備的安裝與調(diào)試，縮短設(shè)備上線等待時(shí)間[4]。

圖6 傾斜傳感器安裝示意圖及安裝過(guò)程示意

圖7 北斗云手機(jī)端APP界面示意

圖8 APP實(shí)時(shí)讀取的數(shù)據(jù)示意

3.3.1傾角傳感器測(cè)量時(shí)間點(diǎn)、基準(zhǔn)點(diǎn)選擇

根據(jù)栽管過(guò)程中立管的各種狀態(tài)選取了不同時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行垂直度監(jiān)測(cè)(見圖9)，即排水立管吊起懸空狀態(tài)(以此狀態(tài)為初始化基準(zhǔn)點(diǎn))，排水立管浸入海水未觸底，排水立管觸底穩(wěn)定后脫鉤(以此狀態(tài)為最終基準(zhǔn)點(diǎn))，以這3個(gè)代表性的時(shí)間點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)立管垂直度的變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

(a)排水立管懸空 (b)排水立管浸入海水 (c)排水立管觸底

圖9 垂直度監(jiān)測(cè)時(shí)間點(diǎn)選擇示意

3.3.2排水立管傾斜方向說(shuō)明

排水立管傾斜方向定義為正北方向與立管幾何中心線在水平面上的投影方向之間的夾角[5]。如圖10所示，線段O1O2即為立管幾何中心線在水平面上的投影方向，所以∠N-O1-O2即為立管當(dāng)前狀態(tài)的傾斜方向。

圖10 排水立管傾斜方向示意

安裝方向：排水立管在海上平臺(tái)顯示的傾斜方向并不是真實(shí)立管的傾斜方向，此數(shù)值默認(rèn)方向(為利用電子羅盤測(cè)量初始方向，操作方法為電子羅盤顯示正北方向與測(cè)斜儀器水紅色數(shù)據(jù)線方向重合的讀數(shù))為零即與正北方向重合，但實(shí)際安裝過(guò)程中無(wú)法保證設(shè)備安裝方向一直為正北。

平臺(tái)讀數(shù)：平臺(tái)讀數(shù)為測(cè)斜儀器實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，即儀器中的相對(duì)傾斜方向讀數(shù)。

真實(shí)讀數(shù)：真實(shí)立管傾斜方向=平臺(tái)讀數(shù)+安裝方向-90°

如圖11所示，水紅色數(shù)據(jù)線出水位置為東偏南60°與正北夾角150°，所以安裝方向?yàn)?50°。

圖11 排水立管安裝方向示意

確定真實(shí)立管傾斜方向：假設(shè)平臺(tái)讀數(shù)傾斜方向?yàn)?°則真實(shí)立管傾斜方向=平臺(tái)讀數(shù)+安裝方向-90°=0°+150°-90°=60°。

3.2.3排水立管傾斜角度(相對(duì)傾斜)

排水立管傾斜角度定義為立管幾何中心線與鉛垂線(初始狀態(tài)下立管的幾何中心線)之間的夾角[6]。假設(shè)立管傾斜狀態(tài)為，立管真實(shí)傾斜方向60°，傾斜角度30°，通過(guò)立管底部中心點(diǎn)O1沿方位角60°方向做垂直剖面圖可以得到圖12。

圖12 排水立管傾斜角度示意

此時(shí)O1O2與鉛垂線的夾角即為傾斜角度(30°)，傾斜角度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)北斗云可視化APP可直接讀取(見圖8所示)。

4 排水立管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)解析

4.1 排水立管位移數(shù)據(jù)解析

排水立管吊裝至鋼護(hù)筒內(nèi)部準(zhǔn)備下放前需要將排水立管頂部中心與鋼護(hù)筒中心進(jìn)行擬合(此時(shí)排水立管處于垂直狀態(tài)，立管頂部中心與底部中心位于同一鉛垂線上)，因鋼護(hù)筒定位后的中心與設(shè)計(jì)中心存在一定的偏差，實(shí)際排水立管頂部中心(x1，y1)與設(shè)計(jì)中心產(chǎn)生的絕對(duì)位移為ΔL(沿x、y方向分解產(chǎn)生的位移分別為Δx、Δy)。

排水立管吊裝下放至鋼護(hù)筒內(nèi)，排水立管上部限位塊直徑為3 650 mm(限位塊作業(yè)為限制排水立管上部位移空間)，鋼護(hù)筒內(nèi)徑3 800 mm，排水立管下放接觸孔底后測(cè)斜儀測(cè)出排水立管產(chǎn)生一定傾斜(因沖孔完成后的鋼護(hù)筒底部為非絕對(duì)水平狀態(tài)，立管底部中心與頂部中心不再位于同一鉛垂線上)，立管底部中心相對(duì)于立管頂部中心產(chǎn)生的位移ΔL1后的實(shí)際坐標(biāo)為(x2，y2)，該坐標(biāo)相對(duì)于立管頂部中心沿x、y方向分解產(chǎn)生的絕對(duì)平面位移值為Δx1、Δy1。

綜上所述，排水立管底部最終坐標(biāo)為(x2、y2)=(Δx+Δx1，Δy+Δy1)(見圖13)。

圖13 排水立管與鋼護(hù)筒位置關(guān)系示意(立管向正南方向傾斜2°)

4.2 排水立管傾斜方向高程差數(shù)據(jù)說(shuō)明

通過(guò)北斗云傾角傳感器監(jiān)測(cè)立管產(chǎn)生傾斜方向及角度，以排水立管底部中心為基點(diǎn)，排水立管沿傾斜方向(以及傾斜相反方向產(chǎn)生的高差)產(chǎn)生的高差為Δh，Δh即為后續(xù)排水立管與隧洞連接鋼板尺寸偏差值(排水立管預(yù)埋了鋼板環(huán)，后期需與隧洞焊接形成整體)。如圖14所示，立管底部高程差：Δh=3 400/2×sinа(mm)，立管鋼板環(huán)位置高程差：Δh=2 700/2×sinа(mm)。

圖14 排水立管傾斜方向高差示意(單位:mm)

5 排水立管實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)解析

以下通過(guò)北斗云傾角傳感器測(cè)得的A1-1排水立管實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析(見表3)。

表3 A1-1立管安裝監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析說(shuō)明

對(duì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析[7]，A1-1立管頂部較設(shè)計(jì)立管中心沿x方向產(chǎn)生偏差Δx=2 mm，沿y方向產(chǎn)生偏差Δy=-39 mm，平面偏差ΔL=39 mm。A1-1立管傾斜角度為0.062°，由此底部相對(duì)于頂部產(chǎn)生的位移為11.25 mm，立管傾斜方向?yàn)楸逼?4.50°，分解位移可以得到立管頂部中心相對(duì)于底部中心X方向(南北向)產(chǎn)生偏差Δx1=-10.24 mm，Y方向(東西向)產(chǎn)生偏差Δy1=-4.67 mm。

綜上數(shù)據(jù)可得出，立管底部較設(shè)計(jì)立管中心最終偏差x方向產(chǎn)生偏差為：Δx+Δx1=-8.24 mm，y方向產(chǎn)生偏差為：Δy+Δy1=-43.67 mm(見圖15)。

圖15 A1-1排水立管傾斜方向及底部位移數(shù)據(jù)解析

立管傾斜方向高差：Δh=2 700/2sin(0.062°)=1.46 mm，式中：2 700 mm為排水立管外徑，傾斜角度а=0.062°(見圖16)

圖16 A1-1排水立管傾斜方向示意

通過(guò)運(yùn)用北斗云對(duì)排水立管的監(jiān)測(cè)技術(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)已經(jīng)“栽種”的海底排水立管理論狀態(tài)的分析(如圖17所示)，為后續(xù)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)下穿排水立管時(shí)的參數(shù)設(shè)定提供了一定的理論依據(jù)，盾構(gòu)機(jī)在下穿立管過(guò)程中可通過(guò)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)更好地保護(hù)排水立管的穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)，也為后續(xù)排水立管與隧洞連接奠定了安全基礎(chǔ)。

圖17 A1排水立管群監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)解析理論傾斜狀態(tài)(傾斜狀態(tài)放大10倍后效果)

6 結(jié)語(yǔ)

海底排水立管作為核電廠海底排水隧洞冷卻水排放的重要構(gòu)筑物，其栽種施工的精度直接決定后續(xù)排水立管與隧洞連接的難度。文章采用北斗云監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)信息化的監(jiān)測(cè)手段收集排水立管栽種后的實(shí)際狀態(tài)，對(duì)后續(xù)排水立管與隧洞連接具有重要的指導(dǎo)意義。排水立管監(jiān)測(cè)技術(shù)的運(yùn)用為排水立管與隧洞連接提供了重要依據(jù)，同時(shí)也為類似海底構(gòu)筑物監(jiān)測(cè)提供了借鑒案例。