深海眼睛：双目凝视实现“海底穿针”

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深海眼睛：双目凝视实现“海底穿针”

—港珠澳大桥海底隧道第11管节与第10管节实现精准对接纪实

发布日期：2014-09-16来源：本站编辑：靳明伟

[摘要]

　　2014年7月21日22：00，蔚蓝的伶仃洋海底40米处，港珠澳大桥海底隧道第11管节与第10管节成功实现精准对接。指挥中心顿时响起了热烈的掌声。聚集在水下摄像头附近的一群金黄色海鱼，仿佛也在见证这一“海底穿针”的盛况。

　　林鸣多日紧锁的眉头终于舒展开来，这位中国交建集团总工程师、中交港珠澳大桥岛隧工程项目部总经理已带领团队为此次技术攻关紧张奋战了四个月。

　　这是港珠澳大桥岛隧项目开展深水深槽沉管安装技术攻关后首个管节的安装。在以往的浅槽区，管节对接几乎每月进行一次。深槽区海流环境复杂多变，在风、浪、流的交叉作用下，要想把8万吨的隧道管节精准对接在一起，犹如“海底穿针”一般困难。

　　林鸣感慨，此次海底隧道安装成功，多亏联合了国家海洋环境预报中心和中航工业北京长城计量测试技术研究所(代号航空三〇四所)这两家顶尖科研机构，分别对管节对接窗口和管节运动姿态进行预报和监测。中国交建技术团队就像一双巧手，两所科研机构就像一双慧眼，在双目凝视下，终于实现了“海底穿针”。

　　左眼：沉管运动姿态实时监测

　　2014年5月27日，北京香山北麓一栋小楼里，响起一阵急促的电话铃声。航空三○四所高级工程师邵新慧接到了一个艰巨的项目——给港珠澳大桥岛隧工程的深海沉管做运动姿态测量。

　　航空三○四所位置虽不起眼，却是国防科技工业第一计量测试研究中心，参与过天宫一号和神舟八号的测量项目，为国防工业和航空工业提供计量测试技术保障。

　　港珠澳大桥是我国首次由粤港澳三地合作共建的超大型基础设施项目，举世瞩目，意义重大。其中的岛隧工程是整个大桥建设的控制性工程，也是世界上综合难度最大的工程之一。中国交建是港珠澳大桥岛隧工程承建方的领头人，亟需解决在深水环境下沉管的精确对接问题。

　　港珠澳大桥岛隧工程的标准沉管长180米，相当于16个篮球场大小，重约8万吨，比“辽宁号”航母排水量还大。在海里，这样一个庞然大物的下沉安装依靠缆系控制，就好像吊铅球一样，吊得越高，线就越长，在海流的作用下越容易摆动，这就要实时监测沉管的姿态，精确测量其左右、上下以及倾角方向上的摆幅，才能保证沉管对接的精确。沉管在深水下的运动具有低频和长周期的特点。深水加上为沉管开挖的深基槽，构成了港珠澳大桥海底隧道深水深槽的特殊环境。沉管的振动幅度大小就是运动量的大小，沉管的振动非常缓慢，专业术语叫低频长周期振动，如果传感器没有极高的灵敏度，压根不可能测到。这是目前世界上无人挑战的领域。

　　中国交建在全国寻觅了多家科研单位，希望对沉管姿态进行精准测量，但回答要么是没有技术，要么是没有设备，要么是没有合适的方法，均没人敢接这个项目。当中国交建天津港湾研究院找到三〇四所时，面对这样一个巨大的挑战，邵新慧觉得心里没底，十余年的工作经验里，从来没有在深水里做过振动测量，更何况这次是水下40米。几番思索下，邵新慧决定迎接挑战，回复主任只是简单的三个字——“我能测”!三〇四所的肯定答复让中国交建多日来的寻觅终于看到了曙光。

　　三〇四所马上成立了由周自力副所长牵头，主任和其他几名骨干成员组成的港珠澳大桥专项研究小组。邵新慧曾参与过的一个军舰上的导弹发射装置测试项目，频率只需要达到0.1赫兹，而港珠澳大桥项目则需要测到0.01赫兹。深水深槽同时还带来了长周期的技术难题。正常情况下，如果沉管静止，仪器信号应该在零的位置，而沉管在长周期的静止过程中，仪器信号会因外界温度的变化、电源电压的不稳定出现虚假波动，即“零漂”，影响测试结果。只能选择灵敏度极高的传感器，才能满足要求，实现精确测量。

　　6月5日，天津港湾研究院的研究员到达三〇四所，双方研究人员一同钻进了实验室，广泛研讨后，对多个厂家的传感器、陀螺仪等进行验证。经过六七天的实验，在6月12日，终于比选出满足项目需求的设备。选用的传感器以前均用于航空航天导航制导，从未用于土木工程项目，可适应0.01HZ的超低频振动，测量精度达到1μg，跟国家地震局的地震监测使用的传感器精度不相上下。选用的微机电陀螺和高精度倾角传感器，精度也达到国内最先进水平。这些设备共同组成了三〇四所为港珠澳大桥量身定做的沉管运动姿态实时监测系统。

　　系统虽已初步成型，但这些设备是否真能测量出深海里的沉管低频运动“姿态”?6月17日，三〇四所项目组奔赴珠海港珠澳大桥岛隧项目，在桂山岛进行实地检验。项目组模拟沉管水下振动，用加速度计进行姿态测量，并与全站仪的跟踪测量数据进行比对验证。比对结果让项目组十分欣慰。

　　7月2日，林鸣前往北京，听取了三〇四所和天津港湾研究院做的报告，对其方案表示满意。7月6号，三〇四所、中交港珠澳大桥岛隧项目负责人以及包含院士在内的十几位专家在中山开会，最终确定采用三〇四所的沉管运动姿态实时监测系统。

　　监测方案尘埃落定，又一问题随之浮现。深海沉管运动振幅较小，因此，选用了灵敏度很高的传感器。然而，受海流海浪等外界因素的影响，传感器接受到的信号并不一定是沉管位移的真实反映。相反，正因为传感器能够接受到的信号灵敏度高，可精确到0.01hz，一旦接受到的是虚假信号，那么1cm的误差也可以被放大到1m。

　　如何剔除虚假信号干扰，从繁杂的数据中判断出沉管位移信号?若是在陆地，通过滤波即可过滤掉干扰信号。然而，深海中并不适用。

　　邵新慧和同事又开始忙碌起来，开展模拟试验，建立模型，对传感器搜集到的数据进行大量计算，以便进行信号的分析处理。经过几天刻苦钻研，邵新慧终于发现了一定的规律，剔除低于某一频率段信号后，传感器信号与实测数据相吻合。

　　接下来是紧锣密鼓地筹备沉管安装船上的系统安装调试工作，三〇四所项目组连续熬了两个通宵。

　　7月21日，港珠澳大桥岛隧工程第11节沉管安装，邵新慧测得沉管横向摆幅在3毫米以内，垂向振幅在2厘米以内，沉管姿态十分平稳。三〇四所的沉管运动姿态实时监测系统，就像深海中的眼睛，时刻紧盯沉管运动姿态。在这眼睛的监控下，一旦沉管摆幅较小时，中交岛隧建设团队就能够抓准时机进行对接，实现精确的“海底穿针”。

　　第11节沉管已经安装成功，但三〇四所的探索并未止步。目前信号处理采用了计算机运算和人工判断相结合的模式。深海沉管每月仅安装一次，每次安装只能监测10分钟，数据量不足，这对大数据分析带来了困难。为提高监测的自动化水平，三〇四所的信号处理模型仍在模拟实验和实地监测中不断完善。

　　“能为世纪工程保驾护航，我很荣幸”，邵新慧笑道。港珠澳大桥岛隧项目是三〇四所首次进行深水运动监测的重大突破，为今后潜艇等国防工业、深海作业、以及国家海洋资源开发的运动姿态监测积累了宝贵的经验。

　　右眼：预报并实时预警气象和海流

　　2014年7月2日，当林鸣来到北京走入国家海洋预报中心，商讨沉管对接窗口预报合作时，进门赫然可见五块大屏幕，正播放着重点项目的气象状况。其中一个屏幕播放的是“雪龙号”极地科考船，另一个屏幕是“蛟龙号”载人潜水器，剩下三个屏幕播放的全都是港珠澳大桥岛隧项目。

　　早在2011年，国家海洋环境预报中心就已经为中交港珠澳大桥岛隧工程提供海洋气象窗口预报服务。为了更好地服务这一超级工程，国家海洋环境预报中心几乎调动了全部业务部门，在北京成立了港珠澳专项研究小组，并派出业务骨干轮班驻扎珠海项目现场观测预报。

　　孙虎林就是其中的一员。即便参与过“雪龙号”和“蛟龙号”项目，他仍然认为，港珠澳大桥是他参与的难度最大的项目。预报时效长、精度高、定点且环境复杂都是重大挑战。

　　港珠澳大桥项目需要提前10-15天预报海洋气象。然而，日常生活中，7日以上的天气预报准确度都是比较低的。同在深海，“蛟龙号”气象预报只需要提前3天。精确度上，如果说“雪龙号”预测精度需要达到风力“几级”，那么港珠澳大桥则需要精确到风速“几米/秒”。

　　预报全球海洋气象的机构，这次却要对沉管安装范围几百平方米进行定点预测。正如当年北京奥运会开幕前几天，预测8日晚8-12点鸟巢上空是否会下雨一样困难。珠江口气象海洋环境复杂，不仅受陆地影响，还受到潮汐、外海、洋流及河口径流等共同作用，更是难上加难。

　　这已是国家海洋环境预报中心有史以来承接的难度最大的项目，而这次，林鸣又提出了更为苛刻的要求。不仅要预报水上的空气能见度、天气、水面的风力、浪高，还要对水下的海流进行更精准的预测。

　　前者需要提供一个月中的风平浪静的两三天时间，称为对接“大窗口”，后者需要将一天中海水流速较小的几个小时预报出来，称之为对接“小窗口”。

　　海底深槽里的海流分布状况，国内外研究均属空白。国家海洋预报中心总工王彰贵指出，一般情况下，受引潮力驱动以及海底摩擦力的影响，海水表层流速较大，越接近海底，流速越趋近于0。而港珠澳大桥海底隧道第10节管节安装时，发现水下40米处的流速要远远大于水下10米处。

　　这一奇特的现象突破了专家们的传统认知，“从来没遇到过这种现象，常理难以解释”，孙虎林感慨。

　　难道珠江口深挖基槽，改变了海底地形，使得海底流速的规律也发生了变化?

　　为了解决难题，国家海洋环境预报中心在现场增加了多台海流观测仪，北京总部用大型计算机对现场观测数据进行模拟计算，所用计算机的计算能力达到了60万亿次/秒，王彰贵等专家多次到现场督战。20套深槽海流观测仪器自浙江杭州由专车运至观测现场，展开管节槽内测流工作，以验证调整数学模型，从而提高预报精度。

　　通过分析一年多以来的观测数据，预报中心终于找到了珠江口深槽流速的新规律：落潮时，海水表层流速比底层流速大，符合正常海水流速规律;涨潮时，海水底层流速反而大于表层流速。专家们分析认为，这是由于珠江径流与外海盐水交换引起的上下流不对称的特殊现象。

　　珠江口受地形影响，会出现不规则半日潮。要想确保沉管对接时，海水表层流速0.6米/秒以内，底层流速0.5米/秒以内，就必须在涨潮和落潮之间选择一个平稳的时间节点，确保海水表层和底层都没有急流。

　　掌握了深槽海底流速规律后，国家海洋预报中心给林鸣提供了大小两个窗口的沉管对接时间。7月19日至21日，珠江口是小潮期，风浪较小，这是大窗口。根据海底流速规律，20日晚上8：30到21日凌晨6点是沉管浮运小窗口，21日晚上6点到10点是沉管安装小窗口。

　　如此精确的窗口预报，对林鸣的工程决策带来了很大的便利。施工进度按照窗口期，有条不紊地安排和进行。

　　然而，预报员孙虎林提供的一则消息让林鸣紧张了起来。来自西北太平洋的强热带风暴正悄然来袭，这就是后来被命名为“威马逊”的9号台风，也是41年来登陆华南的最强风暴。7月15日，“威马逊”的台风路径还不清晰，中心最大风力已达到15级。当晚，“威马逊”横扫菲律宾，10人死亡，45万人撤离家园。如果台风登陆珠江口，将对港珠澳大桥施工带来灭顶之灾。

　　形势很紧迫，所有人都在等待台风路径的最新消息。林鸣也为此彻夜难眠。

　　16日，经过大量计算和分析，孙虎林和同事们预测出“威马逊”登陆路径，向南偏移，对伶仃洋上的港珠澳大桥岛隧工程施工影响不大。这对计划于21日进行的沉管对接来说，甚至是个利好信息。因为台风过境，空气将释放几乎全部能量，使得接下来的几天洋面环境比较稳定。这一消息让林鸣和他的团队紧绷的心放松了下来。

　　然而，还没来得及庆幸，又一则坏消息传来。孙虎林向林鸣汇报“威马逊”后没多久，就发现太平洋上新的台风即将形成，这一后来被命名为 “麦德姆”的10号台风有可能对沉管对接带来冲击。日本专家预测的台风路径甚至直扑珠江口。林鸣和海洋环境预报中心的同事们又开始进入紧急备战状态。

　　国内包括中央台在内的气象预报机构，对台风的预报精度，24小时内，误差范围是100公里，72小时内，误差范围是300公里。这种精度的预报对于沉管对接几百平米的施工海域来说，实在是难以适用。

　　18日、19日、20日，针对“麦德姆”是否会影响沉管安装，海洋环境预报中心和中交港珠澳大桥岛隧项目的指挥人员召开了多次决策会。“我们退休在家的资深预报专家也连夜从北京飞了过来”，孙虎林说。

　　20日早上，“麦德姆”中心最大风力已达到12级。预报中心现场专家细致分析最新资料，并参考国内外多个预测机构的台风路径预报，作出判断：“麦德姆”将向北迁移，不会影响珠江口。

　　柳暗花明，这一信息终于让当晚就要下令出坞拖运沉管的林鸣放下了心。

　　20日到21日晚，沉管拖运和安装过程中，空气能见度、风速、浪高、海流流速等，一系列指标全部符合要求。

　　23日，“麦德姆”登陆台湾和福建，造成一百万人受灾，数人死亡。南有“威马逊”，北有“麦德姆”，在两大超强台风的夹击下，第11节沉管和第10节沉管的对接取得圆满成功。

　　任务完成后，孙虎林如释重负，“大自然的奥妙是无穷尽的，海底流速的特殊现象，增加了我们对大自然的认知。”国家海洋环境预报中心在这次项目中，首创小窗口预报机制，实现了预报模式和观测手段的重大突破，有利于提高区域化预报精度，为今后保障其他国家海洋工程积累了经验。

　　人类对大海的认知程度远远低于对天空的认知，航天可以远行到距离地球几十万公里的星球，而深海“蛟龙号”也只能探测到海底数千米。港珠澳大桥岛隧项目集成了海洋环境预报中心和三〇四所的高端资源，利用了大数据和高科技，使得变幻莫测的海洋水文气象可以预测。“这是土木工程与现代技术的结合，提升了整个工程的技术层次”，林鸣称赞道。（文/任明朝）