南昌紅谷隧道管節(jié)浮運監(jiān)控技術研究

王崇明， 張　毅， 雷　鵬， 李志軍

(1. 交通運輸部天津水運工程科學研究院， 天津　300456； 2. 天津市水運工程勘察設計院， 天津　300456；3. 天津市水運工程測繪技術企業(yè)重點實驗室， 天津　300456； 4. 廣州打撈局， 廣東 廣州　510260；5. 中鐵隧道集團二處有限公司， 河北 三河　065201)

?

南昌紅谷隧道管節(jié)浮運監(jiān)控技術研究

王崇明1，2，3， 張毅4， 雷鵬1，2，3， 李志軍5

(1. 交通運輸部天津水運工程科學研究院， 天津300456； 2. 天津市水運工程勘察設計院， 天津300456；3. 天津市水運工程測繪技術企業(yè)重點實驗室， 天津300456； 4. 廣州打撈局， 廣東 廣州510260；5. 中鐵隧道集團二處有限公司， 河北 三河065201)

南昌紅谷隧道是我國目前內河最大的隧道工程，浮運過程要經(jīng)過3座大橋，且航道寬度只有70 m，水流情況復雜，這些都對浮運作業(yè)增加了難度。本文在計算沉管浮運中所受水流力的基礎上，針對出塢、順河流浮運和回旋區(qū)調頭3種不同情況，制定了2種編隊方案。根據(jù)工程實際需要，設計了浮運監(jiān)控系統(tǒng)軟件結構，采用C#和WFP技術實現(xiàn)了系統(tǒng)。在管節(jié)和拖輪上配置了RTK GPS、DGPS和慣導等導航設備，將浮運編隊的實時位置信息顯示給指揮人員，對管節(jié)出塢、過橋和回旋區(qū)調頭等監(jiān)控方法進行了詳細描述，并實現(xiàn)了遠程終端同步實時顯示。目前已經(jīng)完成了南昌紅谷隧道多節(jié)沉管的浮運，實踐表明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，形象直觀，今后可以應用到同類工程中。

南昌紅谷隧道； 管節(jié)浮運； 水流力； 拖輪編隊； 浮運監(jiān)控系統(tǒng)； 過橋監(jiān)控； 遠程監(jiān)控

0　引言

紅谷隧道位于南昌大橋、八一大橋之間，連接南昌市紅谷灘新區(qū)與東岸老城區(qū)，工程采用沉管法修建，管節(jié)采用異地干塢進行預制，由6艘大馬力拖輪拖帶至隧址區(qū)域，這一過程稱為管節(jié)浮運。管節(jié)浮運是沉管隧道建設中的一項重要環(huán)節(jié)，我國目前已建的多條沉管隧道都進行了管節(jié)浮運。潘永仁[1]介紹了上海外環(huán)沉管隧道管段浮運的方法；彭紅霞等[2]探討了侖頭—生物島沉管隧道管節(jié)浮運的方案；宿發(fā)強[3]、尹海卿[4]介紹了港珠澳大橋島隧工程中管節(jié)浮運特點和風險管控辦法；王朝輝[5]、申琪玉等[6]、鄧建林[7]分別介紹了天津海河隧道、廣州洲頭咀隧道、沈家門港海底隧道的沉管浮運相關技術。南昌紅谷隧道的浮運航道總長約8.5 km，航道寬度只有70 m，如圖1所示，管節(jié)浮運經(jīng)過生米大橋、朝陽大橋和南昌大橋3座大橋。與其他已建沉管隧道相比，受水流、地形和橋梁等的影響大，浮運難度大，安全風險大。管節(jié)浮運采用了高精度的RTK GPS，過橋時采用了慣導系統(tǒng)，多船數(shù)據(jù)通信采用網(wǎng)絡的方式進行，而且建立了多個遠程監(jiān)控終端，這些都是以往工程項目中沒有實現(xiàn)的。

圖1　浮運航道平面圖

浮運監(jiān)控指的是對管節(jié)和拖輪位置的監(jiān)控，將管節(jié)和拖輪的位置實時顯示在浮運航道的背景底圖上，便于指揮人員了解管節(jié)的位置信息，確保浮運過程中管節(jié)及拖輪按照設計航路運行。本文研究的管節(jié)浮運監(jiān)控系統(tǒng)，以融合各種設備的數(shù)據(jù)作為基礎，借助網(wǎng)絡技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳遞和共享，以圖形和文字2種方式顯示管節(jié)和拖輪的各種信息，形成了一種管節(jié)浮運施工的智慧指揮體系。

1　水流力計算

南昌紅谷隧道共12節(jié)管節(jié)，其中有9節(jié)的長度約為115 m， 3節(jié)長度為90～100 m，每節(jié)橫斷面寬30 m，高8.3 m，計算水流力時長度按照115 m計。水流力的計算參照《港口工程荷載規(guī)范》[8]中的公式：

Fw=0.5CwρAv2。

(1)

水流阻力系數(shù)Cw,按照規(guī)范中規(guī)定的矩形梁形式選取2.32(廣州打撈局曾安裝的越南隧道工程取1.6，東平隧道取2.0)； ρ = 1.022t/m3； 管節(jié)干舷取0.15m，則其水下的橫截面面積A1=244.5m2，縱截面面積A2=937.25m2。管節(jié)在整個浮運過程中，出塢時會出現(xiàn)縱截面迎流；回旋調頭過程中會出現(xiàn)管節(jié)對角線垂直水流方向，此時管節(jié)在流向垂直平面上的投影面積最大，管節(jié)所受水流力最大；其余時間大部分為橫截面迎流，此時所受水流力最小。表1為不同流速情況下管節(jié)所受的水流力情況。實際上管節(jié)的浮運是沿贛江水流方向進行，浮運速度不超過3km/h，因此實際受力情況會比表1中的數(shù)值小。

2　管節(jié)浮運方案

根據(jù)拖輪公司提供的資料，4 000HP拖輪系柱拖力為500kN?？紤]拖輪的實際情況和拖航時所受的摩擦阻力，4 000HP拖輪的拖力約為系柱拖力的0.8倍，拖輪旁靠狀態(tài)時推力約為0.5倍。根據(jù)上述水流力計算數(shù)值，考慮最大水流力情況，本工程管節(jié)浮運采用5艘4 000HP拖輪進行管節(jié)的拖航浮運，此外還有1艘拖輪應急備用。管節(jié)在出塢后和回旋區(qū)調頭系泊時受到的水流力接近，而順河流浮運時所有水流力較小，因此，拖輪分為2種不同的編隊方式，即出塢回旋編隊方式和順河流浮運編隊方式。

表1　不同流速與管節(jié)所受水流力關系一覽表

1)管節(jié)出塢后和回旋區(qū)調頭系泊過程中，采用如圖2所示的拖輪編隊方式。A、B和F輪控制管節(jié)首部，C、D和E輪控制管節(jié)尾部(即GINA止水帶端)，受塢口外地形和出塢錨塊制約，E輪拖纜長度為80 m，F(xiàn)輪拖纜長度為40 m。B和C輪可以提供管節(jié)前進的動力，也可以在較大流速時側推管節(jié)，剩下的4艘拖輪主要對抗管節(jié)所受水流力。6艘拖輪共計約1 900 kN的拖力，可以抵抗1.2 m/s流速的水流。但考慮到管節(jié)出塢是由絞拖到編隊的過渡，初始階段只有A、B輪靠泊頂推和F輪拖拉，因此出塢時流速不宜過大。在管節(jié)側面迎流時，這種編隊方式可以提供最大的拖力，確保管節(jié)在出塢和回旋2個過程中姿態(tài)穩(wěn)定。

圖2　拖輪編隊方式1(單位： m)

2)管節(jié)順河流浮運時的編隊情況如圖3所示。A、B和C輪提供前進動力，其中A輪控制管首方向，D、E輪控制管尾方向，確保GINA止水帶安全。受航道寬度制約，A輪拖纜長度為40 m；防止D、E輪碰撞，D輪拖纜長度為40 m。拖航纜繩采用4條長200 m、直徑80 mm、破斷力3 700 kN的高強度尼龍纜，管節(jié)頂板上布置4臺絞車，用于收緊拖輪拖纜。管節(jié)上安裝4個頂推架，用于靠泊拖輪。管節(jié)順流時所受水流力較小，這種編隊方式可以提供最大的前進拖力，同時可以控制管節(jié)艏向的改變，確保管節(jié)沿航道運行。

根據(jù)上述水流力計算和拖輪編隊情況，管節(jié)浮運需要滿足的邊界條件是： 塢口水流速度小于0.6 m/s，浮運航道及過橋時水流速度小于0.8 m/s，回旋區(qū)水流速度小于1.2 m/s，浪高小于0.8 m，平均風速小于10 m/s，能見度大于1 km，浮運水位不低于13.5 m。上述流速均指水面以下10 m的垂線平均流速。

圖3　拖輪編隊方式2(單位： m)

為了降低作業(yè)風險，管節(jié)出塢和浮運時要嚴格按照設定的航線航行，管節(jié)上需配置高精度的GPS導航設備和姿態(tài)監(jiān)測設備，將管節(jié)和拖輪的實時位置呈現(xiàn)給浮運指揮人員。

3　測量準備工作

3.1管節(jié)坐標系建立和測量

為實現(xiàn)管節(jié)定位和坐標轉換，需建立管節(jié)三維直角坐標系。坐標系以管節(jié)對接端(A端)頂表面中點在底表面上的投影點為原點O，管節(jié)前向為X軸正方向，管節(jié)右向為Y軸正方向，管節(jié)天向為Z軸正方向，如圖4所示。

圖4　管節(jié)坐標系

管節(jié)坐標系建立后，管節(jié)上任何一點都可以通過測量獲得其管節(jié)坐標系中的三維坐標。管節(jié)預制完成后，在管節(jié)上表面布設8個控制點(Z1～Z3和K1～K5)，如圖5所示。

圖5　管面控制點

3.2設備安裝和標定

管節(jié)是浮運編隊的指揮中心，負責指揮每條拖輪運行的方向和速度，確保管節(jié)保持在航道中心線上，管節(jié)上主要配置了RTK GPS、慣導、Octans光纖羅經(jīng)和無線網(wǎng)橋等儀器設備。RTK GPS提供管節(jié)的位置信息，慣導在過橋GPS衛(wèi)星失鎖時使用，光纖羅經(jīng)提供管節(jié)的艏向和姿態(tài)信息，無線網(wǎng)橋用于構建浮運編隊通信局域網(wǎng)。每條拖輪上均配置了GPS羅經(jīng)和無線網(wǎng)橋，GPS羅經(jīng)提供船舶的位置和方向信息，無線網(wǎng)橋用于網(wǎng)絡通訊。

浮運前，需要對Octans的初始安裝誤差進行標定，使得管節(jié)姿態(tài)與Octans數(shù)據(jù)一致。采用水準儀分別測量管節(jié)4個頂角的高程，即可計算出當前管節(jié)的橫傾(Roll)和縱傾(Pitch)值，并依此值對Octans進行標定。

為了獲得導航設備在管節(jié)坐標系下的位置，需對GPS RTK天線進行標定測量，在至少2個管節(jié)控制點上，使用全站儀得到測站與天線之間的斜距、水平角和高度角，經(jīng)過縱向和橫向的傾斜改正后，計算得到天線的坐標，作為浮運時測量設備的標定值，第2個控制點測得的數(shù)據(jù)用于校核。

4　浮運監(jiān)控系統(tǒng)軟件

4.1軟件結構設計

浮運監(jiān)控系統(tǒng)融合導航定位、無線電和無線Mesh網(wǎng)絡等技術，以浮運現(xiàn)場的管節(jié)作為指揮中心，建立無線局域網(wǎng)(沉管、船舶之間)、有線局域網(wǎng)(設備之間)的無縫對接，通過穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸、科學高效的數(shù)據(jù)處理分析、逼真形象的數(shù)據(jù)展現(xiàn)和完整實用的數(shù)據(jù)管理，在網(wǎng)絡協(xié)同作業(yè)模式的基礎上形成了沉管浮運指揮系統(tǒng)，使管面指揮部、操作船長、施工人員能及時溝通信息，確保浮運作業(yè)的順利完成，軟件總體結構包括4大模塊： 通信管理模塊、圖形管理模塊、船舶管理模塊和數(shù)據(jù)管理模塊。

通信管理主要指硬件之間、同一條船上不同工作室之間、多條船之間的數(shù)據(jù)通信，主要包含數(shù)據(jù)接入及解析、數(shù)據(jù)輸出和雙向交互通信3部分功能模塊；圖形管理模塊將背景地圖、施工現(xiàn)場所有船舶、船舶錨和纜繩等，在電腦屏幕上按照真實位置進行多窗口的顯示，主要包括船位及地圖顯示和圖形繪制與操作2部分功能；船舶管理模塊是系統(tǒng)的核心模塊，實現(xiàn)管理系統(tǒng)的主要功能，主要包括命令收發(fā)、指揮調度和遠程輔助決策3部分；數(shù)據(jù)管理主要包含數(shù)據(jù)記錄與回放、數(shù)據(jù)處理與輸出2個模塊，主要實現(xiàn)施工中各種設備數(shù)據(jù)和信息的管理[9]。

4.2軟件系統(tǒng)實現(xiàn)

浮運船舶管理系統(tǒng)具有典型的面向對象特征，利用面向對象的封裝、繼承和多態(tài)等設計方法將系統(tǒng)中涉及的船舶、設備、人員等抽象為具有屬性、方法的類，提高了代碼的可讀性和系統(tǒng)的可維護性，并使系統(tǒng)易于擴展。使用C#作為船舶管理系統(tǒng)的開發(fā)語言，具有開發(fā)效率高、代碼簡潔、結構清晰的突出優(yōu)點。系統(tǒng)使用WPF技術構建用戶界面，它提供了統(tǒng)一的編程模型、語言和框架，真正做到了分離界面設計人員與開發(fā)人員的工作；同時它提供了全新的多媒體交互用戶圖形界面。

5　浮運過程監(jiān)控

5.1出塢監(jiān)控

管節(jié)出塢由位于管面指揮臺內的浮運監(jiān)控系統(tǒng)指揮進行，由于塢口通道狹窄，浮運時要確保管節(jié)位于塢口中心航線上，偏差超過5 m時系統(tǒng)自動報警。管節(jié)整個出塢過程要前進大約500 m，圖6所示為管節(jié)出塢監(jiān)控界面。

干塢內布設4個地錨，塢口外布設4個錨塊，通過錨的拉力控制沉管前行出塢。出塢過程中監(jiān)控系統(tǒng)實時顯示管節(jié)位置，管節(jié)中心線偏離出塢航線超過3 m時就要進行絞拉調整管節(jié)姿態(tài)，偏差超過5 m時暫停前行，絞拉糾正管節(jié)姿態(tài)后再繼續(xù)出塢作業(yè)。

(a) 監(jiān)控截圖

(b) 出塢照片

圖6管節(jié)出塢

Fig. 6Tunnel segment undocking

5.2過橋監(jiān)控

管節(jié)作為編隊指揮中心，實時顯示、播發(fā)管節(jié)和6艘拖輪的位置信息，使每艘船舶都可以顯示出浮運編隊的位置信息。按照設定的贛江航路，協(xié)調各艘拖輪的航速和航向，指揮管節(jié)浮運編隊的前行。浮運時依次經(jīng)過生米大橋、朝陽大橋和南昌大橋，其中南昌大橋橋墩跨距只有約62 m，浮運編隊寬度約為41 m，因此浮運過程風險最大的就是過南昌大橋。受地形限制，南昌大橋水流方向與航路之間有約36°的夾角(如圖7所示)，這進一步增加了浮運過橋的難度。

浮運編隊距南昌大橋約260 m(編隊長度)時，將浮運速度降低到約0.6 km/h；繼續(xù)前行約90 m，A、E輪向西擺動，用于對抗斜向水流；管首進入橋底前，A輪繼續(xù)往西北方向緩慢擺動管尾，確保管首位于航路中心；管首通過橋底后，D、E拖輪向航道中心收攏，確保整個編隊寬度不超過45 m；繼續(xù)保持0.6 km/h的速度前行直到整個編隊均通過南昌大橋，然后增加速度至3 km/h繼續(xù)浮運作業(yè)。

圖7　南昌大橋水流方向

過橋時，由于受到橋體遮擋，GPS衛(wèi)星信號失鎖，會導致位置信息失真。因此在過橋時采用慣導系統(tǒng)對沉管進行導航定位，確保在沒有GPS位置信息的情況下，浮運監(jiān)控系統(tǒng)仍然可以顯示管節(jié)的實時位置和相對橋墩的距離。圖8所示為某管節(jié)穿越南昌大橋的監(jiān)控系統(tǒng)截圖和照片。

(a) 監(jiān)控截圖

(b) 穿越南昌大橋照片

Fig. 8Navigation system of tunnel segment passing through Nanchang Bridge

5.3回旋區(qū)調頭監(jiān)控

管節(jié)通過南昌大橋后，還需要經(jīng)過一段長度約為1 200 m的彎道進入回旋區(qū)，在回旋區(qū)調頭后通過江心洲航道到達隧址。管節(jié)在回旋區(qū)調頭時面臨對角線方向迎流的情況，導致管節(jié)所受水流力最大。在回旋區(qū)水流上游設置3個170 t錨塊，作為管節(jié)的臨時系泊及輔助調頭作業(yè)。6艘拖輪和3個170 t錨塊，可以確保管節(jié)在1.2 m/s流速下仍然可以完成調頭作業(yè)。

調頭過程中，A、B和F輪使管首向東運動，C、D和E輪使管尾向西移動，這樣管節(jié)就可以做順時針旋轉。旋轉過程中管節(jié)的受力情況會發(fā)生較大變化，因此要通過拖輪加減車來調整拖力大小，確保管節(jié)一直位于回旋區(qū)內，如圖9所示。

(a) 監(jiān)控截圖

(b) 在回旋區(qū)照片

5.4浮運遠程監(jiān)控

為了便于決策人員了解浮運的實時情況，在隧址的東、西岸指揮部各建立了一個遠程監(jiān)控終端。每個終端均配置了無線網(wǎng)橋和浮運監(jiān)控系統(tǒng)，無線網(wǎng)橋實時接收浮運船隊網(wǎng)絡廣播和共享的所有數(shù)據(jù)，通過浮運監(jiān)控系統(tǒng)實時呈現(xiàn)給決策人員，讓不在管節(jié)上的人也能實時了解沉管的浮運情況，如圖10所示。

此外，為便于單位相關人員了解浮運施工情況，在單位會議室建立了一個遠程監(jiān)控終端。該終端借助互聯(lián)網(wǎng)實時接收管節(jié)上播發(fā)的數(shù)據(jù)信息，讓遠在天津的同事也可以了解施工現(xiàn)場的管節(jié)和所有船舶的現(xiàn)場信息。

(a)

(b)

6　結論與體會

通過研究出塢、順河流浮運和回旋區(qū)調頭3個過程中管節(jié)所受水流力的情況，制定了管節(jié)浮運方案，確定了拖輪編隊方式。在此基礎上，通過軟、硬件的結合，形成了一套管節(jié)浮運監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了多船、多節(jié)點、多設備數(shù)據(jù)融合和網(wǎng)絡共享，提供實時高效的輔助決策信息，使施工指揮人員形象直觀地了解現(xiàn)場浮運編隊的實時情況。截至2016年6月，南昌紅谷隧道已經(jīng)完成了9節(jié)管節(jié)的浮運拖帶作業(yè)，該系統(tǒng)的應用，確保了每節(jié)管節(jié)均能安全抵達隧址，為沉管隧道的按時完工提供了重要保障。此外，該系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場情況和施工要求不斷改進，極大地提升了軟件的適用性，在今后類似工程和深遠海等新興領域必將有遠大前景。為更好地適應各種水上工程，系統(tǒng)需要支持更多的設備數(shù)據(jù)，軟件的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)計算精度也需要進一步提高。

[1]潘永仁. 上海外環(huán)沉管隧道大型管段浮運方法[J]. 施工技術, 2004, 33 (5): 52-54. (PAN Yongren. The floating transport method of large elements employed for Shanghai out-ring immersed tube tunnel[J]. Construction Technology, 2004, 33 (5): 52-54.(in Chinese))

[2]彭紅霞, 王懷東. 侖頭—生物島沉管隧道管段浮運方案探討[J]. 隧道建設, 2007, 27 (4): 85-88. (PENG Hongxia，WANG Huaidong.Discussions on tube element towing options for Luntou-Shengwudao immersed tunnel project[J]. Tunnel Construction, 2007, 27 (4): 85-88. (in Chinese))

[3]宿發(fā)強. 超大型沉管浮運的風險管控[J]. 中國港灣建設, 2015, 35(7): 1-3. (SU Faqiang. Risk management on floating of ultra-large immersed tube[J]. China Harbour Engineering, 2015, 35(7): 1-3. (in Chinese))

[4]尹海卿. 港珠澳大橋島隧工程設計施工關鍵技術[J]. 隧道建設, 2014, 34 (1): 60-66. (YIN Haiqing. Key technologies applied in design and construction of artificial islands and immersed tunnel of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge (HZMB) Project[J]. Tunnel Construction, 2014, 34 (1): 60-66. (in Chinese))

[5]王朝輝. 內河沉管隧道浮運沉放施工技術[J]. 施工技術, 2012,41 (18): 117-120. (WANG Chaohui. Construction technology of floating and sinking of immersed tunnel crossing inland river[J]. Construction Technology, 2012,41(18): 117-120. (in Chinese))

[6]申琪玉, 邱峰, 張海燕. 廣州洲頭咀隧道管段浮運沉放關鍵技術研究[J]. 施工技術, 2010, 39 (5): 15-17.(SHEN Qiyu, QIU Feng, ZHANG Haiyan. Research on key sinking technology of pipe sections in Guangzhou Zhoutouzui Immersed Tunnel[J]. Construction Technology, 2010, 39 (5): 15-17. (in Chinese))

[7]鄧建林. 沈家門港海底沉管隧道浮運、沉放施工控制技術[J]. 隧道建設, 2015, 35 (9): 914-919. (DENG Jianlin. Control technology for towing and sinking of immersed tubes: Case study of Shenjiamen Port Subsea Tunnel[J]. Tunnel Construction, 2015, 35 (9): 914-919. (in Chinese))

[8]港口工程荷載規(guī)范: JTS 144-1—2010[S]. 北京: 人民交通出版社, 2010: 34-35. (Load code for harbour engineering: JTS 144-1—2010[S]. Beijing: China Communications Press, 2010: 34-35. (in Chinese))

[9]王崇明,修義瑞,雷鵬,等. 水運工程船舶管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]. 水道港口, 2016, 37 (2): 203-207. (WANG Chongming, XIU Yirui, LEI Peng, et al. Software design and implementation of water transport engineering vessel management system[J]. Journal of Waterway and Habour, 2016, 37(2): 203-207. (in Chinese))

Study of Monitoring Technologies for Segment Floating Transportation of Honggu Tunnel in Nanchang

WANG Chongming1, 2, 3, ZHANG Yi4, LEI Peng1, 2, 3, LI Zhijun5

(1.TianjinResearchInstituteforWaterTransportEngineeringM.O.T.,Tianjin300456,China; 2.TianjinSurveyandDesignInstituteforWaterTransportEngineering,Tianjin300456,China; 3.TianjinKeyLaboratoryofSurveyingandMappingforWaterwayTransportEngineering,Tianjin300456,China; 4.GuangzhouSalvageBureau,Guangzhou510260,Guangdong,China; 5.ErchuCo.,Ltd.ofChinaRailwayTunnelGroup,Sanhe065201,Hebei,China)

Nanchang Honggu Tunnel is a longest inland underwater tunnel in China. The floating transportation of tunnel segment is difficult. Two tug formation schemes for tunnel segment floating transportation are made for tunnel segment undocking, down-floating and turning based on water resistance calculation results. The tunnel segment floating transportation monitoring system based on C# and WFP technologies is designed. The remote monitoring is realized by setting RTK CPS, DGPS and inertial navigation devices on tunnel segments and tugs. The successful floating transportation of segments of Honggu Tunnel indicates that the monitoring system is reliable and effective.

Nanchang Honggu Tunnel; tunnel segment floating transportation; water resistance; tug formation; floating transportation monitoring system; segment crossing bridges monitoring; remote monitoring

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.09.019

U 455

B

1672-741X(2016)09-1155-06