长距离沉管隧道施工通讯工艺及控制方法

孙健，魏红波，马宗豪

1　概述

港珠澳大桥沉管隧道是典型的长距离沉管隧道[1]，隧道部分总长约5 990 m，由西岛暗埋段、沉管隧道、东岛暗埋段组成。其中，沉管隧道全长5 664 m，33节管节采用两孔一管廊的截面形式[2]，最终接头位于E29与E30管节之间，按照航道转换的需要和施工步序的安排，沉管浮运安装总体分为5个阶段，分别为：E1—E10安装，E11—E15安装，E16—E28安装，E29—E33安装，最终接头施工。通讯系统（如图1所示）除了需要满足已安装沉管隧道的日常通讯外，还需要保证沉管安装期间管内部分与安装船之间的不间断通讯。

2　施工工艺

2.1　工艺简介

沉管安装需要从西人工岛对接E1—E29管节，从东人工岛安装E30—E33，最终接头设在E29和E30之间，因此将唯一基站安置在西岛暗埋段内通过八木天线完成管内信号覆盖，在西人工岛选择一处架放玻璃钢增益天线位置，以保证海上信号覆盖。

图1　通讯系统示意图Fig.1　Communication system diagram

沉管隧道以管节形式对接完成，每节管节首尾用钢封门进行封堵，沉管安装完成后利用钢封门上的人孔门进入管内以完成贯通测量，在后续管内施工中拆除钢封门，完成隧道全面贯通。受限于钢封门的拆除进度影响，管内信号覆盖需要分两个部分，拆除封门部分即贯通部分，通讯信号可以通过光纤和直放站的形式进行信号覆盖，未拆除封门部分通过2台车台进行背靠背形式[3]连接，将信号以接力棒形式进行传输。

东岛暗埋段内设置无线近端机将西岛基站信号引入隧道内，完成信号覆盖，隧道内信号与西岛隧道内信号覆盖方式相同。

通讯系统主要组成：基站、基站耦合光纤直放站近端机、无线耦合光纤直放站近端机、光纤直放站远端机、光纤、全向玻璃钢增益天线、八木天线、吸盘天线、车台、手台等。

2.2　工艺内容

1）通讯信号测试

经过实地电测发现，西人工岛至东人工岛之间海域的电磁环境在450 MHz频段无人使用，所以数字机采用450 MHz频段的频点。

2）隧道内贯通部分信号覆盖

隧道建设从西人工岛E1管节开始，通过西岛隧道内的基站天线，能够覆盖隧道入口处200～300 m左右的范围；通过分布在管内的直放站远端机拉出的天线，对E1—E29节沉管进行信号的覆盖[4]。按照工程进度，随着隧道建设不断延伸，直放站远端机与天线也会随着隧道建设进度进行延伸，分批完成远端机及天线的布设，直到覆盖E1—E29。

当隧道从东岛E33开始安装时，通过东岛隧道无线耦合近端机的天线接收到西岛基站的信号，分布给管内远端机，用同样的方法对东岛E30—E33管内进行信号的覆盖。

隧道内由暗埋段进行光纤的铺设延伸至隧道尾端，由于西岛两台基站耦合式近端机为一拖四设备，因此在西岛隧道内铺设2条光纤，分别为8芯（4芯用4芯备用）、4芯（2芯用2芯备用），E1—E25共布置6台远端机完成信号的覆盖[5]。

光纤直放站通过天馈器件，分出3路信号，如图2所示，由于中间的安全通道容积较小，可分出较弱的信号进行覆盖；两侧的南北车道容积较大，分出较强的信号进行覆盖。根据对环境的勘察，能够满足单向各300～500 m的信号覆盖。

图2　光纤直放站远端机信号覆盖Fig.2　Optical fiber repeater remotesignal coverage

3）隧道内未贯通部分信号覆盖

沉管隧道以管节形式对接完成，通讯系统通常需要在未拆除封门管节内安装两组背靠背相连的车台进行信号的传输。A车台与数字手台频点一致，负责与基站进行通讯，天线放置在隧道的贯通部分。B车台频点与A车台相同，但是收发频点相反，将天线放置在未拆除封门的沉管内，将吸盘天线吸附在铁板高处。

通过双车台背靠背技术，如图3所示，将未拆除封门管节内手台的信号通过B车台接收并引出，通过背靠背连接线转发到A车台，此时A车台和数字手台一样，通过无线信号转发到基站，再通过基站广播给其他手持机，这样就实现了隧道未贯通部分与贯通部分的语音通信，通过这个方法实现管内的信号覆盖。

4）人工岛之间海域信号覆盖

图3　背靠背技术示意图Fig.3　Back to back technology diagram

在西人工岛内选择一处无遮挡位置，将天线架高，测试信号在人工岛之间海域的覆盖。对比板状定向天线只有120°的覆盖区间，选择带有增益功能的玻璃钢全向天线，将天线架设在开阔处，确保信号在人工岛之间海域的覆盖。

3　控制方法

3.1　控制目的

长距离沉管隧道施工中受很多因素的干扰导致信号减弱，因此必须采取可行的措施减少通讯信号的损耗。

3.2　影响因素

1）长距离造成信号衰减。

2）直放站数量增加造成信号衰减。

3）背靠背车台的采用造成信号衰减。

4）交叉作业造成信号衰减。

5）恶劣天气条件造成信号衰减。

3.3　控制措施

1）克服长距离造成的信号衰减

如图4所示，将基站外置天线（1）选用增益效果好的玻璃钢全向天线，天线设置不仅要在空旷位置，架设高度应满足前方无遮挡，周围尽量避开对信号吸附较强的金属材料。东人工岛处，无线耦合式光纤直放站近端机外置天线（13）可选用定向板式天线，天线中心面向西岛基站方向。

图4　通讯系统平面布置图Fig.4　Communication system plan layout diagram

2）克服直放站数量增加造成信号衰减

西岛隧道内由基站以耦合形式分两路进行信号传输，信号在一定程度上发生衰减，调整远端机的上行下行发射功率，在沉管安装期间调大尾端直放站近端机（9、10）的上下行功率，必要时可暂停前面几台近端机（5、6、7、8）以确保未贯通部分信号输入强度。

3）克服背靠背车台的采用造成信号衰减

在施工中，应尽量减少背靠背车台（14、15）的使用数量。受钢封门拆除进度的影响，在施工中经常遇到3个管节未拆除封门的情况，根据现场经验，利用八木天线定向传输效果好，吸盘天线覆盖传输效果好的特点，在第1个管节内设置1组背靠背车台，向贯通部分采用八木天线，向尾端也采用八木天线，测试信号可以满足第2个管节中廊道覆盖。由于未拆除封门管节只开中廊道人孔门，而沉管安装也主要集中在最尾端管节，因此第2管节仅覆盖中廊道足以。在最尾端管节设置1组背靠背车台，收发第1个管节八木天线信号，在最尾端管节内采用吸盘天线进行覆盖，这样便可以减少1组背靠背车台的使用，以达到减少信号衰弱作用。

4）克服交叉作业造成信号衰减

由于安装船上各种通讯设备非常集中，导致信号受到干扰，再加上安装船操作室的屏蔽作用，对海上信号传输造成一定的影响。因此在安装船增加1部车台，将频点设置与手台相同，并且安装八木天线作为外置天线朝向基站方向，由于车台本身功率较大，且天线外置避免信号干扰，大大改善了海上信号的传输。

管内合理布设光纤，减少中廊道施工时对光纤造成的破坏，采用8芯和4芯光纤，每个直放站处留2根尾纤，一用一备，减少由于光纤破损造成的信号衰弱。

交叉作业造成的意外断电常常影响通讯，为确保管节安装期间通讯的稳定性，在通讯系统关键部位，如基站（2）、近端机（3、12）、远端机（9、10）以及背靠背车台组（14、15）处，适当增加不间断电源UPS。

5）克服恶劣天气条件造成的信号衰减

港珠澳大桥施工水域雨季持续时间较长，施工作业窗口的选择首先针对流速和风速，施工中发现在云层和降雨影响期间信号阻隔较明显，无法在此环境下通讯时应将无线耦合式光纤直放站近端机（12）的上行和下行功率、基站的上行功率调大，必要时关闭几台隧道内覆盖信号用的光纤直放站远端机（5、6、7、8），以保证基站的输出功率，同时要检查基站和近端机的防雷设施[6]。

4　结语

以港珠澳大桥沉管隧道为例，对沉管隧道施工期间通讯工艺进行研究和说明，克服长距离对信号衰弱的影响，在施工中不断总结、改进，并通过研究改进更好的控制通讯工艺，满足隧道施工日常通讯，尤其是针对沉管对接时采取的一系列措施，对后续工作具有一定的指导意义。

参考文献：

[1] 崔之鉴.交通隧道规划与设计[M].成都：西南交通大学出版社，2006.CUI Zhi-jian.Traffic tunnel planning and design[M].Chengdu:Southwest Jiaotong University Press,2006.

[2]中交公路规划设计院有限公司.港珠澳大桥主体工程岛隧工程施工图设计[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，电磁辐射防护规范[S].GB 8702—1988,Regulations for electromagnetic radiation protection[S].

[4]YD 5039—2009，通讯工程建设环境保护技术暂行规定[S].YD 5039—2009,Provisional specifications on environment protection for engineeringconstruction of telecommunications[S].

[5]GB/T 50311—2000，建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范[S].GB/T 50311—2000,Codefor engineeringdesign of generic cabling systemfor buildingand campus[S].

[6]YD 5098—2005，通信局（站）防雷与接地工程设计规范[S].YD 5098—2005,Specificationsof engineering design for lightning protection and earthing design for telecommunication bureaus(stations)[S].