伴随大跨径桥梁发展，更大荷载需求的沉井基础也朝着大平面、深下沉等方向持续拓展，攻克水下施工环境复杂、下沉控制困难、决策有效性反馈不及时等难题成为施工建设者的重要目标。

    当前，沉井施工仍过度依赖人工操作。沉井监控需人工测量结构数据，施工危险性大、信息反馈不及时、信息测量不全面，施工决策需依赖工程经验，难以为复杂环境下沉井基础施工提供可靠的数据支撑。

    近年来，中交第二航务工程局有限公司（以下简称“中交二航局”）不断完善科技创新体系，探索智能建造领域，持续展开技术攻关，形成以沉井集群取土系统、沉井施工智能监控系统为代表的一批具有自主知识产权的核心领先成果，在桥梁智能建造领域迈出坚实步伐。

    智能装备精准水下取土

    今年6月9日，由中交二航局参建的常泰长江大桥顺利合龙，标志着长江“三位一体”过江通道历经5年建设，实现全线贯通。

    常泰长江大桥是长江上集高速公路、城际铁路、一级公路“三位一体”的过江通道，跨江连接江苏省常州市与泰兴市。中交二航局承建的水中沉井5号墩沉井长95米，宽57米，总高72米。要让沉井在江底稳稳安家，取土是第一步。

    传统施工中，取土需通过门吊操作员手持遥控器完成吸泥管的下放、起升、移位等动作，这种方法存在定位精度差、夜晚工作效率低、容易出现翻砂等问题。

    为此，中交二航局技术团队按照机器人替代思路开展相关试验研究，结合国内外沉井施工案例及工业自动化控制技术成果，研发出一套智能化气举取土装备与集群控制系统。

    通过在门吊上加装的高精度传感器，吸泥管平面位置及高程信息便能自动被感知并形成数据。技术团队根据传感器获得的数据，再结合沉井结构，在井孔内预设吸泥点位置、吸泥管下放深度和移动路径。当吸泥管单点吸泥达到设定深度后，会在门吊的控制下自动移至下一点位进行吸泥，当井孔内所有点位完成一次作业后，吸泥管又会变身“测量杆”，利用传感器再次测量作业后的泥面高度。这样一来，取土作业真正实现了可控、可视、可测的目标。

    由于沉井是圆角长方体，常规水下取土设备无法覆盖沉井全部结构，取土作业也面临盲区。为此，中交二航局技术团队同时研发了机械臂水下智能取土机器人，在常泰长江大桥5号墩沉井成功应用。

    机械臂水下定点取土机器人由上部平台和水下机器人本体组成。作业时，上部平台下放水下机器人本体至工作区域后，水下机器人支撑于沉井井壁完成驻位，通过机械臂伸缩、回转、俯仰来破除常规取土设备无法触及的土体。水下机器人拥有灵活的手臂，哪里有盲区就去哪里取土。

    “火眼金睛”探秘长江底

    常泰长江大桥主墩钢沉井的底部面积相当于13个篮球场，高度足有24层楼高，施工过程采用台阶型减冲刷减自重沉井基础施工工艺，这对施工过程监控要求极高。

    要让这个大型结构安全精准到达水下指定位置，不仅要保证沉井姿态稳定，还要清楚水下施工环境变化，更要根据沉井姿态、水下施工环境变化准确作出施工决策。

    面对开荒式研发任务，中交二航局技术团队跨领域、跨学科寻找突破点，打通高精度自动采集网络与多种传感器、水下三维声呐仪、取土控制系统等设备的数据交互通道，并自主研发人工智能辅助决策算法，能分析取土控制系统动作执行数据、水下地形测量数据、沉井结构姿态数据，实时提供取土作业点位及沉井姿态调整决策信息。

    同时，团队将决策信息耦合至三维声呐扫描数据，实现施工决策信息的三维可视化，创新性构建沉井施工智能监控系统，实时监控沉井施工下沉状态。

    团队还将涵盖空间姿态、结构受力和水文环境等多方面监测指标的近400个高精度传感器成功部署于沉井内外指定位置。在沉井浮运、定位着床和取土下沉环节，智能监控系统实时采集分析沉井施工全过程数据，施工人员通过手机App即可随时查看沉井实时状态。监控系统的智能辅助决策模块经过大量数据训练后，可提供精准有效的施工决策建议，实现了钢沉井下沉全过程可测、可视、可控。

    “这套沉井施工监控系统涵盖感知、识别、控制、反馈等智能化监控要素，能对沉井状态作出合理判断，是新一代人工智能技术助力桥梁智能建造的代表性成果。”中交二航局技术中心总经理田唯介绍。

    2020年12月29日，常泰长江大桥主塔主墩钢沉井顺利终沉，在智能化手段助力下，实现平均每天下沉45厘米，刷新了超厚粉质黏土层复杂地质情况下大型沉井施工纪录，下沉速度在国内同类型施工中位于前列。

    （晏久顺 薛现凯）  

    数据来源：中交第二航务工程局有限公司