伴隨大跨徑橋梁發(fā)展，更大荷載需求的沉井基礎(chǔ)也朝著大平面、深下沉等方向持續(xù)拓展，攻克水下施工環(huán)境復(fù)雜、下沉控制困難、決策有效性反饋不及時(shí)等難題成為施工建設(shè)者的重要目標(biāo)。

當(dāng)前，沉井施工仍過(guò)度依賴人工操作。沉井監(jiān)控需人工測(cè)量結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，施工危險(xiǎn)性大、信息反饋不及時(shí)、信息測(cè)量不全面，施工決策需依賴工程經(jīng)驗(yàn)，難以為復(fù)雜環(huán)境下沉井基礎(chǔ)施工提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

近年來(lái)，中交第二航務(wù)工程局有限公司（以下簡(jiǎn)稱“中交二航局”）不斷完善科技創(chuàng)新體系，探索智能建造領(lǐng)域，持續(xù)展開(kāi)技術(shù)攻關(guān)，形成以沉井集群取土系統(tǒng)、沉井施工智能監(jiān)控系統(tǒng)為代表的一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心領(lǐng)先成果，在橋梁智能建造領(lǐng)域邁出堅(jiān)實(shí)步伐。

今年6月9日，由中交二航局參建的常泰長(zhǎng)江大橋順利合龍，標(biāo)志著長(zhǎng)江“三位一體”過(guò)江通道歷經(jīng)5年建設(shè)，實(shí)現(xiàn)全線貫通。

常泰長(zhǎng)江大橋是長(zhǎng)江上集高速公路、城際鐵路、一級(jí)公路“三位一體”的過(guò)江通道，跨江連接江蘇省常州市與泰興市。中交二航局承建的水中沉井5號(hào)墩沉井長(zhǎng)95米，寬57米，總高72米。要讓沉井在江底穩(wěn)穩(wěn)安家，取土是第一步。

傳統(tǒng)施工中，取土需通過(guò)門(mén)吊操作員手持遙控器完成吸泥管的下放、起升、移位等動(dòng)作，這種方法存在定位精度差、夜晚工作效率低、容易出現(xiàn)翻砂等問(wèn)題。

為此，中交二航局技術(shù)團(tuán)隊(duì)按照機(jī)器人替代思路開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)研究，結(jié)合國(guó)內(nèi)外沉井施工案例及工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)成果，研發(fā)出一套智能化氣舉取土裝備與集群控制系統(tǒng)。

通過(guò)在門(mén)吊上加裝的高精度傳感器，吸泥管平面位置及高程信息便能自動(dòng)被感知并形成數(shù)據(jù)。技術(shù)團(tuán)隊(duì)根據(jù)傳感器獲得的數(shù)據(jù)，再結(jié)合沉井結(jié)構(gòu)，在井孔內(nèi)預(yù)設(shè)吸泥點(diǎn)位置、吸泥管下放深度和移動(dòng)路徑。當(dāng)吸泥管單點(diǎn)吸泥達(dá)到設(shè)定深度后，會(huì)在門(mén)吊的控制下自動(dòng)移至下一點(diǎn)位進(jìn)行吸泥，當(dāng)井孔內(nèi)所有點(diǎn)位完成一次作業(yè)后，吸泥管又會(huì)變身“測(cè)量桿”，利用傳感器再次測(cè)量作業(yè)后的泥面高度。這樣一來(lái)，取土作業(yè)真正實(shí)現(xiàn)了可控、可視、可測(cè)的目標(biāo)。

由于沉井是圓角長(zhǎng)方體，常規(guī)水下取土設(shè)備無(wú)法覆蓋沉井全部結(jié)構(gòu)，取土作業(yè)也面臨盲區(qū)。為此，中交二航局技術(shù)團(tuán)隊(duì)同時(shí)研發(fā)了機(jī)械臂水下智能取土機(jī)器人，在常泰長(zhǎng)江大橋5號(hào)墩沉井成功應(yīng)用。

機(jī)械臂水下定點(diǎn)取土機(jī)器人由上部平臺(tái)和水下機(jī)器人本體組成。作業(yè)時(shí)，上部平臺(tái)下放水下機(jī)器人本體至工作區(qū)域后，水下機(jī)器人支撐于沉井井壁完成駐位，通過(guò)機(jī)械臂伸縮、回轉(zhuǎn)、俯仰來(lái)破除常規(guī)取土設(shè)備無(wú)法觸及的土體。水下機(jī)器人擁有靈活的手臂，哪里有盲區(qū)就去哪里取土。

常泰長(zhǎng)江大橋主墩鋼沉井的底部面積相當(dāng)于13個(gè)籃球場(chǎng)，高度足有24層樓高，施工過(guò)程采用臺(tái)階型減沖刷減自重沉井基礎(chǔ)施工工藝，這對(duì)施工過(guò)程監(jiān)控要求極高。

要讓這個(gè)大型結(jié)構(gòu)安全精準(zhǔn)到達(dá)水下指定位置，不僅要保證沉井姿態(tài)穩(wěn)定，還要清楚水下施工環(huán)境變化，更要根據(jù)沉井姿態(tài)、水下施工環(huán)境變化準(zhǔn)確作出施工決策。

面對(duì)開(kāi)荒式研發(fā)任務(wù)，中交二航局技術(shù)團(tuán)隊(duì)跨領(lǐng)域、跨學(xué)科尋找突破點(diǎn)，打通高精度自動(dòng)采集網(wǎng)絡(luò)與多種傳感器、水下三維聲吶儀、取土控制系統(tǒng)等設(shè)備的數(shù)據(jù)交互通道，并自主研發(fā)人工智能輔助決策算法，能分析取土控制系統(tǒng)動(dòng)作執(zhí)行數(shù)據(jù)、水下地形測(cè)量數(shù)據(jù)、沉井結(jié)構(gòu)姿態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)提供取土作業(yè)點(diǎn)位及沉井姿態(tài)調(diào)整決策信息。

同時(shí)，團(tuán)隊(duì)將決策信息耦合至三維聲吶掃描數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)施工決策信息的三維可視化，創(chuàng)新性構(gòu)建沉井施工智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控沉井施工下沉狀態(tài)。

團(tuán)隊(duì)還將涵蓋空間姿態(tài)、結(jié)構(gòu)受力和水文環(huán)境等多方面監(jiān)測(cè)指標(biāo)的近400個(gè)高精度傳感器成功部署于沉井內(nèi)外指定位置。在沉井浮運(yùn)、定位著床和取土下沉環(huán)節(jié)，智能監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集分析沉井施工全過(guò)程數(shù)據(jù)，施工人員通過(guò)手機(jī)App即可隨時(shí)查看沉井實(shí)時(shí)狀態(tài)。監(jiān)控系統(tǒng)的智能輔助決策模塊經(jīng)過(guò)大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練后，可提供精準(zhǔn)有效的施工決策建議，實(shí)現(xiàn)了鋼沉井下沉全過(guò)程可測(cè)、可視、可控。

“這套沉井施工監(jiān)控系統(tǒng)涵蓋感知、識(shí)別、控制、反饋等智能化監(jiān)控要素，能對(duì)沉井狀態(tài)作出合理判斷，是新一代人工智能技術(shù)助力橋梁智能建造的代表性成果?！敝薪欢骄旨夹g(shù)中心總經(jīng)理田唯介紹。

2020年12月29日，常泰長(zhǎng)江大橋主塔主墩鋼沉井順利終沉，在智能化手段助力下，實(shí)現(xiàn)平均每天下沉45厘米，刷新了超厚粉質(zhì)黏土層復(fù)雜地質(zhì)情況下大型沉井施工紀(jì)錄，下沉速度在國(guó)內(nèi)同類(lèi)型施工中位于前列。