長距離沉管隧道施工通訊工藝及控制方法

孫健，魏紅波，馬宗豪

1　概述

港珠澳大橋沉管隧道是典型的長距離沉管隧道[1]，隧道部分總長約5 990 m，由西島暗埋段、沉管隧道、東島暗埋段組成。其中，沉管隧道全長5 664 m，33節(jié)管節(jié)采用兩孔一管廊的截面形式[2]，最終接頭位于E29與E30管節(jié)之間，按照航道轉(zhuǎn)換的需要和施工步序的安排，沉管浮運安裝總體分為5個階段，分別為：E1—E10安裝，E11—E15安裝，E16—E28安裝，E29—E33安裝，最終接頭施工。通訊系統(tǒng)（如圖1所示）除了需要滿足已安裝沉管隧道的日常通訊外，還需要保證沉管安裝期間管內(nèi)部分與安裝船之間的不間斷通訊。

2　施工工藝

2.1　工藝簡介

沉管安裝需要從西人工島對接E1—E29管節(jié)，從東人工島安裝E30—E33，最終接頭設(shè)在E29和E30之間，因此將唯一基站安置在西島暗埋段內(nèi)通過八木天線完成管內(nèi)信號覆蓋，在西人工島選擇一處架放玻璃鋼增益天線位置，以保證海上信號覆蓋。

圖1　通訊系統(tǒng)示意圖Fig.1　Communication system diagram

沉管隧道以管節(jié)形式對接完成，每節(jié)管節(jié)首尾用鋼封門進(jìn)行封堵，沉管安裝完成后利用鋼封門上的人孔門進(jìn)入管內(nèi)以完成貫通測量，在后續(xù)管內(nèi)施工中拆除鋼封門，完成隧道全面貫通。受限于鋼封門的拆除進(jìn)度影響，管內(nèi)信號覆蓋需要分兩個部分，拆除封門部分即貫通部分，通訊信號可以通過光纖和直放站的形式進(jìn)行信號覆蓋，未拆除封門部分通過2臺車臺進(jìn)行背靠背形式[3]連接，將信號以接力棒形式進(jìn)行傳輸。

東島暗埋段內(nèi)設(shè)置無線近端機(jī)將西島基站信號引入隧道內(nèi)，完成信號覆蓋，隧道內(nèi)信號與西島隧道內(nèi)信號覆蓋方式相同。

通訊系統(tǒng)主要組成：基站、基站耦合光纖直放站近端機(jī)、無線耦合光纖直放站近端機(jī)、光纖直放站遠(yuǎn)端機(jī)、光纖、全向玻璃鋼增益天線、八木天線、吸盤天線、車臺、手臺等。

2.2　工藝內(nèi)容

1）通訊信號測試

經(jīng)過實地電測發(fā)現(xiàn)，西人工島至東人工島之間海域的電磁環(huán)境在450 MHz頻段無人使用，所以數(shù)字機(jī)采用450 MHz頻段的頻點。

2）隧道內(nèi)貫通部分信號覆蓋

隧道建設(shè)從西人工島E1管節(jié)開始，通過西島隧道內(nèi)的基站天線，能夠覆蓋隧道入口處200～300 m左右的范圍；通過分布在管內(nèi)的直放站遠(yuǎn)端機(jī)拉出的天線，對E1—E29節(jié)沉管進(jìn)行信號的覆蓋[4]。按照工程進(jìn)度，隨著隧道建設(shè)不斷延伸，直放站遠(yuǎn)端機(jī)與天線也會隨著隧道建設(shè)進(jìn)度進(jìn)行延伸，分批完成遠(yuǎn)端機(jī)及天線的布設(shè)，直到覆蓋E1—E29。

當(dāng)隧道從東島E33開始安裝時，通過東島隧道無線耦合近端機(jī)的天線接收到西島基站的信號，分布給管內(nèi)遠(yuǎn)端機(jī)，用同樣的方法對東島E30—E33管內(nèi)進(jìn)行信號的覆蓋。

隧道內(nèi)由暗埋段進(jìn)行光纖的鋪設(shè)延伸至隧道尾端，由于西島兩臺基站耦合式近端機(jī)為一拖四設(shè)備，因此在西島隧道內(nèi)鋪設(shè)2條光纖，分別為8芯（4芯用4芯備用）、4芯（2芯用2芯備用），E1—E25共布置6臺遠(yuǎn)端機(jī)完成信號的覆蓋[5]。

光纖直放站通過天饋器件，分出3路信號，如圖2所示，由于中間的安全通道容積較小，可分出較弱的信號進(jìn)行覆蓋；兩側(cè)的南北車道容積較大，分出較強(qiáng)的信號進(jìn)行覆蓋。根據(jù)對環(huán)境的勘察，能夠滿足單向各300～500 m的信號覆蓋。

圖2　光纖直放站遠(yuǎn)端機(jī)信號覆蓋Fig.2　Optical fiber repeater remotesignal coverage

3）隧道內(nèi)未貫通部分信號覆蓋

沉管隧道以管節(jié)形式對接完成，通訊系統(tǒng)通常需要在未拆除封門管節(jié)內(nèi)安裝兩組背靠背相連的車臺進(jìn)行信號的傳輸。A車臺與數(shù)字手臺頻點一致，負(fù)責(zé)與基站進(jìn)行通訊，天線放置在隧道的貫通部分。B車臺頻點與A車臺相同，但是收發(fā)頻點相反，將天線放置在未拆除封門的沉管內(nèi)，將吸盤天線吸附在鐵板高處。

通過雙車臺背靠背技術(shù)，如圖3所示，將未拆除封門管節(jié)內(nèi)手臺的信號通過B車臺接收并引出，通過背靠背連接線轉(zhuǎn)發(fā)到A車臺，此時A車臺和數(shù)字手臺一樣，通過無線信號轉(zhuǎn)發(fā)到基站，再通過基站廣播給其他手持機(jī)，這樣就實現(xiàn)了隧道未貫通部分與貫通部分的語音通信，通過這個方法實現(xiàn)管內(nèi)的信號覆蓋。

4）人工島之間海域信號覆蓋

圖3　背靠背技術(shù)示意圖Fig.3　Back to back technology diagram

在西人工島內(nèi)選擇一處無遮擋位置，將天線架高，測試信號在人工島之間海域的覆蓋。對比板狀定向天線只有120°的覆蓋區(qū)間，選擇帶有增益功能的玻璃鋼全向天線，將天線架設(shè)在開闊處，確保信號在人工島之間海域的覆蓋。

3　控制方法

3.1　控制目的

長距離沉管隧道施工中受很多因素的干擾導(dǎo)致信號減弱，因此必須采取可行的措施減少通訊信號的損耗。

3.2　影響因素

1）長距離造成信號衰減。

2）直放站數(shù)量增加造成信號衰減。

3）背靠背車臺的采用造成信號衰減。

4）交叉作業(yè)造成信號衰減。

5）惡劣天氣條件造成信號衰減。

3.3　控制措施

1）克服長距離造成的信號衰減

如圖4所示，將基站外置天線（1）選用增益效果好的玻璃鋼全向天線，天線設(shè)置不僅要在空曠位置，架設(shè)高度應(yīng)滿足前方無遮擋，周圍盡量避開對信號吸附較強(qiáng)的金屬材料。東人工島處，無線耦合式光纖直放站近端機(jī)外置天線（13）可選用定向板式天線，天線中心面向西島基站方向。

圖4　通訊系統(tǒng)平面布置圖Fig.4　Communication system plan layout diagram

2）克服直放站數(shù)量增加造成信號衰減

西島隧道內(nèi)由基站以耦合形式分兩路進(jìn)行信號傳輸，信號在一定程度上發(fā)生衰減，調(diào)整遠(yuǎn)端機(jī)的上行下行發(fā)射功率，在沉管安裝期間調(diào)大尾端直放站近端機(jī)（9、10）的上下行功率，必要時可暫停前面幾臺近端機(jī)（5、6、7、8）以確保未貫通部分信號輸入強(qiáng)度。

3）克服背靠背車臺的采用造成信號衰減

在施工中，應(yīng)盡量減少背靠背車臺（14、15）的使用數(shù)量。受鋼封門拆除進(jìn)度的影響，在施工中經(jīng)常遇到3個管節(jié)未拆除封門的情況，根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，利用八木天線定向傳輸效果好，吸盤天線覆蓋傳輸效果好的特點，在第1個管節(jié)內(nèi)設(shè)置1組背靠背車臺，向貫通部分采用八木天線，向尾端也采用八木天線，測試信號可以滿足第2個管節(jié)中廊道覆蓋。由于未拆除封門管節(jié)只開中廊道人孔門，而沉管安裝也主要集中在最尾端管節(jié)，因此第2管節(jié)僅覆蓋中廊道足以。在最尾端管節(jié)設(shè)置1組背靠背車臺，收發(fā)第1個管節(jié)八木天線信號，在最尾端管節(jié)內(nèi)采用吸盤天線進(jìn)行覆蓋，這樣便可以減少1組背靠背車臺的使用，以達(dá)到減少信號衰弱作用。

4）克服交叉作業(yè)造成信號衰減

由于安裝船上各種通訊設(shè)備非常集中，導(dǎo)致信號受到干擾，再加上安裝船操作室的屏蔽作用，對海上信號傳輸造成一定的影響。因此在安裝船增加1部車臺，將頻點設(shè)置與手臺相同，并且安裝八木天線作為外置天線朝向基站方向，由于車臺本身功率較大，且天線外置避免信號干擾，大大改善了海上信號的傳輸。

管內(nèi)合理布設(shè)光纖，減少中廊道施工時對光纖造成的破壞，采用8芯和4芯光纖，每個直放站處留2根尾纖，一用一備，減少由于光纖破損造成的信號衰弱。

交叉作業(yè)造成的意外斷電常常影響通訊，為確保管節(jié)安裝期間通訊的穩(wěn)定性，在通訊系統(tǒng)關(guān)鍵部位，如基站（2）、近端機(jī)（3、12）、遠(yuǎn)端機(jī)（9、10）以及背靠背車臺組（14、15）處，適當(dāng)增加不間斷電源UPS。

5）克服惡劣天氣條件造成的信號衰減

港珠澳大橋施工水域雨季持續(xù)時間較長，施工作業(yè)窗口的選擇首先針對流速和風(fēng)速，施工中發(fā)現(xiàn)在云層和降雨影響期間信號阻隔較明顯，無法在此環(huán)境下通訊時應(yīng)將無線耦合式光纖直放站近端機(jī)（12）的上行和下行功率、基站的上行功率調(diào)大，必要時關(guān)閉幾臺隧道內(nèi)覆蓋信號用的光纖直放站遠(yuǎn)端機(jī)（5、6、7、8），以保證基站的輸出功率，同時要檢查基站和近端機(jī)的防雷設(shè)施[6]。

4　結(jié)語

以港珠澳大橋沉管隧道為例，對沉管隧道施工期間通訊工藝進(jìn)行研究和說明，克服長距離對信號衰弱的影響，在施工中不斷總結(jié)、改進(jìn)，并通過研究改進(jìn)更好的控制通訊工藝，滿足隧道施工日常通訊，尤其是針對沉管對接時采取的一系列措施，對后續(xù)工作具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 崔之鑒.交通隧道規(guī)劃與設(shè)計[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2006.CUI Zhi-jian.Traffic tunnel planning and design[M].Chengdu:Southwest Jiaotong University Press,2006.

[2]中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司.港珠澳大橋主體工程島隧工程施工圖設(shè)計[R].2012.CCCC Highway Consultants Co.,Ltd.Construction drawing of island and tunnel project of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge main project[R].2012.

[3]GB 8702—1988，電磁輻射防護(hù)規(guī)范[S].GB 8702—1988,Regulations for electromagnetic radiation protection[S].

[4]YD 5039—2009，通訊工程建設(shè)環(huán)境保護(hù)技術(shù)暫行規(guī)定[S].YD 5039—2009,Provisional specifications on environment protection for engineeringconstruction of telecommunications[S].

[5]GB/T 50311—2000，建筑與建筑群綜合布線系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范[S].GB/T 50311—2000,Codefor engineeringdesign of generic cabling systemfor buildingand campus[S].

[6]YD 5098—2005，通信局（站）防雷與接地工程設(shè)計規(guī)范[S].YD 5098—2005,Specificationsof engineering design for lightning protection and earthing design for telecommunication bureaus(stations)[S].