計量服務產業經典案例：“長城計量”助力港珠澳大橋海底隧道順利對接

一、服務對象

港珠澳大橋連接粵、港、澳三地，它的建成將極大地促進地區經濟發展，提高地區綜合競爭力。港珠澳大橋島隧工程沉管隧道（見圖1、圖2）是迄今為止規模大的外海深埋沉管工程。沉管隧道工程全長5664m，兩端與東西兩座人工島暗埋段相連。隧道由33個管節組成，標準管節長180米，寬37.95米，高11.4米，總重近八萬噸，是目前世界范圍內體量大管節。其中，E9-E27段（過3公里深水深槽段）沉管基槽開挖底標高約為-45m～-50m，基槽深度約為35m～40m，且深槽段與伶仃洋主航道交叉，海底地形和槽內流態異常復雜，類似外海環境下的深水深槽安裝是世界范圍內實施，對接精度控制難度和風險巨大。

圖１　港珠澳大橋總體規劃圖

二、服務措施

國外已建跨海和海峽交通隧道安裝作業的技術文獻中未見有類似水下低頻運動監測系統的研究或應用資料，國內現已建成的海底隧道都屬內陸跨江、跨河的淺埋沉管隧道，沒有提出水下低頻運動的測量需求。

圖 2　港珠澳大橋沉管隧道縱向布置圖

為得到的實時對接監測方案，保證沉管過程*，建設方在范圍內尋找解決之道。荷蘭某世界隧道沉管浮運、沉放及對接專業公司開價近1億歐元，且只提供技術咨詢服務，既不負責安裝，也不提供設備。為滿足港珠澳大橋島隧工程沉管對接工程需求，建設方經天津港口研究院推薦與航空工業三○四所（以下簡稱“304”）取得連系，通過與多位院士、建筑設計大師、各相關學科專家組織評審，終確定采用304所提出的基于慣性導航技術的“沉管管節姿態動態監測系統”方案。

工程依托304所在低頻振動和慣性計量測試領域的技術優勢，運用動態測試與校準的理論方法，根據既得的海流、波浪、海水密度、纜力、風速等多個環境參數簡化邊界條件，對系泊狀態的管節系統建立有限元模型，分析其固有模態，確定系統的動態響應頻率范圍；根據分析結果選擇組成監測系統的各傳感器，并通過國防計量標準裝置校準其幅頻和相頻特性，篩選出滿足測試要求的傳感器；分析傳感器測試原理，設計測量單元，組建測試系統，研發管節姿態解算方法，設計管節姿態自動監測系統軟件，并將監測系統應用于E11-E33歷次管節沉放對接過程中，監測管節實時運動狀態，為沉放對接指揮決策提供實時數據。

該沉管管節姿態動態監測系統有效集成了低頻加速度傳感器、光纖陀螺儀、數據采集及分析模塊，解算加速度、角度、角速度、速度和位移，實時輸出水下沉管的位移及姿態；采用多參數耦合解析技術獲得高精度沉管運動姿態及位置，建立了適用于復雜工況的測量與數值分析模型，適用于水下工況條件復雜的環境，在23根大沉管外海沉放對接施工過程中，該系統的位移測量準確度達到毫米級，滿足了港珠澳隧道沉管水下高精度無人沉放對接的監測要求。

三、服務成果

水下沉管低頻運動監測系統在國內將慣性導航技術應用于大沉管外海沉放對接施工作業（見圖3），系統測量準確度高、監測自動化，提高了我國建設領域的信息化水平，*。該監測系統是由我國自主研制的外海海底隧道施工保障系統的組成部分，打破了國外行業技術壟斷，為國家節省了大量外匯。

圖３　監測系統沉管現場安裝及測量

四、成果推廣

隨著我國跨海工程的推進，未來可能考慮采用沉管隧道方案的有：深中通道、大連灣跨海交通工程、瓊州海峽、渤海灣、中國臺灣海峽等，該系統將產生更廣泛的經濟效益和社會效益。

計量服務產業經典案例：“長城計量”助力港珠澳大橋海底隧道順利對接