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摘要：本文主要介绍针对南昌红谷隧道工程江中段沉管浮运、沉放安装监测技术方法，采用RTK定位与姿态仪监测技术相结合，实现实时监测沉管的三维姿态信息。开发沉管浮运施工监测系统软件，指导沉管浮运及水下对接。
关键词：南昌红谷隧道；沉管浮运；沉管沉放水下对接；RTK；拉力仪；姿态仪；沉管浮运施工监测系统软件
1、引言
南昌红谷隧道主线长2650米，工程总投资42.2亿元。管段浮运航道总长度为8510米，穿过生米大桥、朝阳大桥、南昌大桥三座大桥。江中沉管长为1305米，共分12节，管节外宽30米，外高8.3米，管节长度分为115米与90米两种。115米长管节重约2.5万吨，90米长管节重约2万吨，沉管管底最低标高为-7.726米。为了安装南昌红谷隧道沉管，必须对浮运、安装过程进行精密测量和监测，以确定沉管浮运、安装过程的拖轮拉力大小、精确位置和姿态。笔者根据工程需要和工程特点，采用RTK定位技术、姿态监控技术、拉力监控技术、数字电台传输技术、开发出沉管浮运施工监测系统软件，通过可视化模拟软件，指导沉管浮运和水下对接。
2、沉管浮运、沉放定位的主要技术要求及难点
沉管浮运定位的主要要求沉管不能偏离浮运中心航线10cm，沉管安装定位的主要要求如下：沉管管段首端（与前一块对接端）称为A端，末端称为B端。AB端的定位精度应达到±3cm。这一定位精度对水下定位的要求是相当高的，目前单纯的水下声学定位是无法实现的。
在沉管浮运、安装过程中要实时监测其沉管的坐标，航向，航速，及拖轮的坐标、航向，航速，锚链的拉力大小等信息，从而指导浮运及安装。
3、监测的基本思路
在分析研究南昌市红谷隧道工程项目的技术文件及测区已有资料的基础上，精心组织，优化设计，既考虑到利用现代先进设备和技术进行施工，又要兼顾到现场施工条件，将采用沉管浮运施工监测系统。沉管浮运施工监测系统由控制中心、沉管导航中心、拖轮导航中心及实况显示中心四部分组成。（如下图所示）
系统示意图
在沉管测量塔两端各安装一套RTK GPS，在沉管里安装倾斜仪，这样得到沉管的三维坐标及倾斜角度，数据直接显示在本中心电脑上，同时通过数据链将数据发到控制中心；在每条拖轮上安装定位定向仪DGPS及拉力计，每条拖轮可以显示自己的坐标及拉力，也将数据发送到控制中心。控制中心的数据采集器将所有数据统一处理后传送到沉管导航中心和拖轮导航中心以及实况显示中心，因此每个中心的电脑不但可以显示自己的数据，也将同时显示其他拖轮及沉管的坐标方位。
3.1 RTK原理
RTK基站架设在隧址附近楼顶固定位置，连续接收所有可视GPS卫星信号，并将测站坐标、观测值、卫星跟踪状态及接收机工作状态通过数据链发送出去，沉管上的接收机在跟踪GPS卫星信号的同时接收来自基准站的数据，数据处理模块使用动态差分定位的方式确定出流动站相对应基准站的位置，然后根据基准站的坐标求得自己的精确坐标高程。
3.2拖轮导航中心
为了得到拖轮的实时位置信息，将在拖轮顶部安装一套定位定向仪DGPS，DGPS数据通过数据线传输到沉管浮运施工监测系统软件中并实时显示自己的坐标航向，再通过发射电台将数据传送到控制中心，经控制中心数据合成后再由控制中心发射电台将数据传送出去，其它拖轮上的接收电台将数据接受并传送到沉管浮运施工监测系统软件中，因此每条拖轮不仅能显示自己的坐标航向，也可以显示其他拖轮的坐标航向。
3.3 沉管导航中心
沉管位置需要高精度监测，所以要安装两台高精度GPS，其中一台作为定位，另外一台作为定向，来监控沉管的坐标与航向，倾斜仪可以监测沉管的倾斜角度，拉力计用来监测拖轮缆绳的受力情况，以上数据都将实时显示在本中心电脑上，同时将数据发送到控制中心，控制中心经过处理后将数据发送到其他中心电脑端，实现数据共享。
3.4 控制中心
控制中心主要由多台电台及数据转换器电脑组成，接收各个中心发送来的数据，并对其进行处理，然后将全部数据处理后发送到每个电脑，从而实现整体监测，数据互通。
控制中心负责整个系统的指挥、调控、数据调试，它可以自动、手动向设备请求船型和安装参数，可以定期检查设备的启动运行情况，保证整个系统的正常运行。
3.5实况显示中心
实况显示中心由接收电台及电脑组成，地点可以选在项目部，其功能主要是为不在施工现场的人提供一个施工实时画面，来查看工程进度。
4、预防措施
沉管上的GPS安装要事先跟有关人员沟通协商，安装位置要尽量选在缆绳等设备碰撞不到的地方，沉管控制中心要设置遮雨棚，避免电脑、电台等设备被雨水淋湿，以保证施工能顺利进行不受天气影响。
在浮运过程中为了保证沉管浮运的连续性与安全性，将在沉管上备用一台GPS，当一台出现故障或损坏时可以及时替换（本系统均采用新设备，故障率极低）。
如果某一条拖轮上的设备出现故障，也可以显示其他拖轮的位置，即使所有电台均不能正常工作，沉管导航中心也可以独立监测沉管的坐标与航向，并沿着计划航线浮运，从而保证沉管能安全浮运至目的地。
为了保证整套监测系统能顺利正常运行，需要进行模拟沉管浮运一次，模拟方法是找一条交通船，将所有设备安装在船上，模拟沉管浮运状态，查看各项数据能否正常发送接收。
5、结束语
南昌红谷隧道工程江中段沉管浮运、沉放安装监测工作是一项复杂的系统工程，本文提出的方法是具有可行性和最优化的方法之一。系统软件有如下功能和优点：
基本功能：
1）软件导入CAD图形
2）坐标系统可以独立保存文件
3）鼠标位置实时显示
4）调入几百兆的底图可以用鼠标快速滚动浏览
5）夜间施工时可以切换夜间模式
6）原始数据备份并可模拟还原
7）偏航指示
系统优点：
1）全天候实时导航
2）实时施工校正
3）安全航行
4）监测精度高
5）显示直观、方便
6）节省人力、物力
作者简介：
胡燕标，男，汉族，党员，1979年12月25 日出生于广东省五华县安流镇洑溪村，1997年9月进入湖南铁道职业技术学院电子技术应用专业，2002年进入中国地质大学土木工程系，大学本科。现任广州精勘测绘科技有限公司总经理，广州市孛特勘测技术科技有限公司副总经理，广东中小企业文化建设促进会理事，2012年获得广州市科信局立项创新基金，2013年获得国家科技部立项创新基金，2014年获得10项“实用新型专利证书”，获得三项计算机软件著作权。
关键词：南昌红谷隧道；沉管浮运；沉管沉放水下对接；RTK；拉力仪；姿态仪；沉管浮运施工监测系统软件
1、引言
南昌红谷隧道主线长2650米，工程总投资42.2亿元。管段浮运航道总长度为8510米，穿过生米大桥、朝阳大桥、南昌大桥三座大桥。江中沉管长为1305米，共分12节，管节外宽30米，外高8.3米，管节长度分为115米与90米两种。115米长管节重约2.5万吨，90米长管节重约2万吨，沉管管底最低标高为-7.726米。为了安装南昌红谷隧道沉管，必须对浮运、安装过程进行精密测量和监测，以确定沉管浮运、安装过程的拖轮拉力大小、精确位置和姿态。笔者根据工程需要和工程特点，采用RTK定位技术、姿态监控技术、拉力监控技术、数字电台传输技术、开发出沉管浮运施工监测系统软件，通过可视化模拟软件，指导沉管浮运和水下对接。
2、沉管浮运、沉放定位的主要技术要求及难点
沉管浮运定位的主要要求沉管不能偏离浮运中心航线10cm，沉管安装定位的主要要求如下：沉管管段首端（与前一块对接端）称为A端，末端称为B端。AB端的定位精度应达到±3cm。这一定位精度对水下定位的要求是相当高的，目前单纯的水下声学定位是无法实现的。
在沉管浮运、安装过程中要实时监测其沉管的坐标，航向，航速，及拖轮的坐标、航向，航速，锚链的拉力大小等信息，从而指导浮运及安装。
3、监测的基本思路
在分析研究南昌市红谷隧道工程项目的技术文件及测区已有资料的基础上，精心组织，优化设计，既考虑到利用现代先进设备和技术进行施工，又要兼顾到现场施工条件，将采用沉管浮运施工监测系统。沉管浮运施工监测系统由控制中心、沉管导航中心、拖轮导航中心及实况显示中心四部分组成。（如下图所示）
系统示意图
在沉管测量塔两端各安装一套RTK GPS，在沉管里安装倾斜仪，这样得到沉管的三维坐标及倾斜角度，数据直接显示在本中心电脑上，同时通过数据链将数据发到控制中心；在每条拖轮上安装定位定向仪DGPS及拉力计，每条拖轮可以显示自己的坐标及拉力，也将数据发送到控制中心。控制中心的数据采集器将所有数据统一处理后传送到沉管导航中心和拖轮导航中心以及实况显示中心，因此每个中心的电脑不但可以显示自己的数据，也将同时显示其他拖轮及沉管的坐标方位。
3.1 RTK原理
RTK基站架设在隧址附近楼顶固定位置，连续接收所有可视GPS卫星信号，并将测站坐标、观测值、卫星跟踪状态及接收机工作状态通过数据链发送出去，沉管上的接收机在跟踪GPS卫星信号的同时接收来自基准站的数据，数据处理模块使用动态差分定位的方式确定出流动站相对应基准站的位置，然后根据基准站的坐标求得自己的精确坐标高程。
3.2拖轮导航中心
为了得到拖轮的实时位置信息，将在拖轮顶部安装一套定位定向仪DGPS，DGPS数据通过数据线传输到沉管浮运施工监测系统软件中并实时显示自己的坐标航向，再通过发射电台将数据传送到控制中心，经控制中心数据合成后再由控制中心发射电台将数据传送出去，其它拖轮上的接收电台将数据接受并传送到沉管浮运施工监测系统软件中，因此每条拖轮不仅能显示自己的坐标航向，也可以显示其他拖轮的坐标航向。
3.3 沉管导航中心
沉管位置需要高精度监测，所以要安装两台高精度GPS，其中一台作为定位，另外一台作为定向，来监控沉管的坐标与航向，倾斜仪可以监测沉管的倾斜角度，拉力计用来监测拖轮缆绳的受力情况，以上数据都将实时显示在本中心电脑上，同时将数据发送到控制中心，控制中心经过处理后将数据发送到其他中心电脑端，实现数据共享。
3.4 控制中心
控制中心主要由多台电台及数据转换器电脑组成，接收各个中心发送来的数据，并对其进行处理，然后将全部数据处理后发送到每个电脑，从而实现整体监测，数据互通。
控制中心负责整个系统的指挥、调控、数据调试，它可以自动、手动向设备请求船型和安装参数，可以定期检查设备的启动运行情况，保证整个系统的正常运行。
3.5实况显示中心
实况显示中心由接收电台及电脑组成，地点可以选在项目部，其功能主要是为不在施工现场的人提供一个施工实时画面，来查看工程进度。
4、预防措施
沉管上的GPS安装要事先跟有关人员沟通协商，安装位置要尽量选在缆绳等设备碰撞不到的地方，沉管控制中心要设置遮雨棚，避免电脑、电台等设备被雨水淋湿，以保证施工能顺利进行不受天气影响。
在浮运过程中为了保证沉管浮运的连续性与安全性，将在沉管上备用一台GPS，当一台出现故障或损坏时可以及时替换（本系统均采用新设备，故障率极低）。
如果某一条拖轮上的设备出现故障，也可以显示其他拖轮的位置，即使所有电台均不能正常工作，沉管导航中心也可以独立监测沉管的坐标与航向，并沿着计划航线浮运，从而保证沉管能安全浮运至目的地。
为了保证整套监测系统能顺利正常运行，需要进行模拟沉管浮运一次，模拟方法是找一条交通船，将所有设备安装在船上，模拟沉管浮运状态，查看各项数据能否正常发送接收。
5、结束语
南昌红谷隧道工程江中段沉管浮运、沉放安装监测工作是一项复杂的系统工程，本文提出的方法是具有可行性和最优化的方法之一。系统软件有如下功能和优点：
基本功能：
1）软件导入CAD图形
2）坐标系统可以独立保存文件
3）鼠标位置实时显示
4）调入几百兆的底图可以用鼠标快速滚动浏览
5）夜间施工时可以切换夜间模式
6）原始数据备份并可模拟还原
7）偏航指示
系统优点：
1）全天候实时导航
2）实时施工校正
3）安全航行
4）监测精度高
5）显示直观、方便
6）节省人力、物力
作者简介：
胡燕标，男，汉族，党员，1979年12月25 日出生于广东省五华县安流镇洑溪村，1997年9月进入湖南铁道职业技术学院电子技术应用专业，2002年进入中国地质大学土木工程系，大学本科。现任广州精勘测绘科技有限公司总经理，广州市孛特勘测技术科技有限公司副总经理，广东中小企业文化建设促进会理事，2012年获得广州市科信局立项创新基金，2013年获得国家科技部立项创新基金，2014年获得10项“实用新型专利证书”，获得三项计算机软件著作权。