國內(nèi)最先進的MEMS陀螺儀和傾角傳感器為港珠澳大橋?qū)崟r監(jiān)測

今年，中航工業(yè)計量所成功監(jiān)測深水長周期管節(jié)運動姿態(tài)，為港珠澳大橋島隧工程E11管節(jié)的順利對接提供了計量保證，這標志著該所參與的國家重點工程——港珠澳大橋島隧工程建設(shè)首戰(zhàn)告捷。國內(nèi)最先進的MEMS陀螺儀和傾角傳感器，以及航空航天導航制導專用設(shè)備，共同組成了為港珠澳大橋量身定做的沉管運動姿態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)。

在世界上獨一無二的超級工廠里，制作一個個長180米、重約8萬噸，尺寸類似于一幢60層樓房的巨大混凝土沉管，然后把它運輸?shù)绞┕ずＳ颍惭b到精心準備的海底基槽中，一節(jié)節(jié)對接起來，形成一個海底隧道，專業(yè)術(shù)語叫沉管隧道。這便成為當今世界上土木工程界最難的工程之一——港珠澳大橋島隧工程。

大家都知道，衛(wèi)星發(fā)射需要天氣“窗口這里也需要”窗口“。一個8萬噸龐然大物在大海中長距離浮運，并在海底40多米的指定位置進行精確安裝，將會受到千變?nèi)f化的風、浪、流等多種因素的影響。因此就要選擇一個風平浪靜、海流舒緩的時間段，這就是”窗口期“。綜合考慮天氣、海浪、海流復雜性以及工程建設(shè)本身的各種約束，一個月中只有兩個窗口期。

國家級預測機構(gòu)專門為港珠澳大橋島隧工程建設(shè)提供專項預報，雖然已經(jīng)接近兩年，但這次預報對國家海洋環(huán)境預報中心來說也是一個前所未有的挑戰(zhàn)。即便參與過“雪龍?zhí)?rdquo;和“蛟龍?zhí)?rdquo;項目，國家海洋環(huán)境預報中心現(xiàn)場預報員孫虎林仍然認為，為港珠澳大橋第11節(jié)沉管安裝提供預測是他參與的難度最大的項目。

2013年5月，港珠澳大橋沉管隧道成功安裝第一節(jié)沉管。國家海洋環(huán)境預報中心功不可沒。在根據(jù)此前模型預測提供的窗口，到2014年3月，港珠澳大橋由淺入深成功完成了10節(jié)沉管。第10節(jié)沉管最深處在43米處。“窗口期”預報越來越成熟，安裝作業(yè)越來越規(guī)范。

港珠澳大橋工程投資超過700億元，近6公里的沉管隧道由33節(jié)沉管在海底次第對接而成，是整個工程的核心，任何一節(jié)沉管出了問題，都會對工程建設(shè)產(chǎn)生致命的影響、對工程120年的使用壽命產(chǎn)生致命影響。而且，這項偉大的工程，在實際范圍內(nèi)可資借鑒的東西少之又少。全世界100多條沉管，超過40米水深的很少，深水安裝長度超過2公里的更少。港珠澳大橋沉管隧道槽深30米左右，這在全世界還是第一次;深水安裝的長度超過3公里，在全世界也是第一次。

沉管就像海底的大鐘擺，需要精確測量其左右、上下以及傾角方向上的擺幅。深水又導致了沉管運動的超低頻特點，如果傳感器沒有極高的靈敏度，壓根不可能測到。沉管在安裝之前要進行幾十個小時的準備工作，測量儀器在水中時間長了可能會出現(xiàn)虛假波動，即“零漂影響測試結(jié)果。這都要求，要選擇靈敏度極高的傳感器，才能實現(xiàn)精確測量。國內(nèi)最先進的MEMS陀螺儀和傾角傳感器，以及航空航天導航制導專用設(shè)備，共同組成了為港珠澳大橋量身定做的沉管運動姿態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)。

港珠澳大橋是我國又一重大基礎(chǔ)設(shè)施項目，跨海逾35千米，相當于9座深圳灣公路大橋，是世界最長的跨海大橋。大橋?qū)⒔?千米多長的海底隧道，是集橋、島、隧為一體的超大型跨海通道，由沉管隧道、東西人工島三大部分組成，其中沉管隧道是目前世界上綜合難度最大的沉管隧道之一，全長5664米，共33個管節(jié)，標準管節(jié)長180米、寬40米，高11米。其中有19個管節(jié)的安裝水深都超過40米，最深處超過45米，槽深在30米以上。

由于沉管在對接期間會承受水流力、錨纜、沉放駁等的綜合作用，會導致對接精度無法控制，還有可能直接影響到沉管的安全，引起對基床破壞等施工風險。為了保證深水環(huán)境中巨大管節(jié)的順利對接，中國交通建設(shè)股份有限公司下屬中交天津港灣工程研究院于今年5月向中航工業(yè)計量所尋求幫助。

該所深入分析了深水管節(jié)對接問題，決定采用監(jiān)測管節(jié)運動姿態(tài)的方法來保障管節(jié)的順利對接，在管節(jié)的前后端分別設(shè)有測試點，并在關(guān)鍵的前端設(shè)有6支備份傳感器，以保證測試信號的準確可靠。監(jiān)測深水長周期管節(jié)運動姿態(tài)屬于超低頻微小幅值振動，測試難度大，在國內(nèi)尚屬空白。為此，計量所安排振動專業(yè)技術(shù)骨干通過實驗室驗證試驗，現(xiàn)場模擬對比實驗初步確定實驗方案，確保測試萬無一失。

通過近兩個月的努力，7月21日，經(jīng)過7個半小時的監(jiān)測與預報，計量所順利完成了港珠澳大橋深水E11管節(jié)運動姿態(tài)的監(jiān)測任務(wù)。8月19日，經(jīng)過努力，計量所再次順利完成港珠澳大橋深水E12管節(jié)運動姿態(tài)的監(jiān)測任務(wù)，保證了對接成功。計量所將為后續(xù)的所有管節(jié)運動姿態(tài)的進行監(jiān)測，為對接繼續(xù)提供計量保證。

此次港珠澳大橋深水長周期管節(jié)運動姿態(tài)的成功監(jiān)測，填補了國內(nèi)在深水環(huán)境中超低頻微小幅值振動測量的空白。這是繼計量所助力“神舟八號”與“天宮一號”順利對接之后完成的又一項國家重大工程項目，是先進的國防計量技術(shù)在國民經(jīng)濟建設(shè)中的應用，同時也展現(xiàn)了計量所在處理復雜計量問題方面的科研能力。