沉管隧道建设中管段对接的水下高精度测控系统及测控方法技术方案

本发明专利技术公开了一种沉管隧道建设中管段对接的水下高精度测控系统，具有多组接收/发射超声波传感器、工业PC控制平台、串口/无线网络通讯系统、指挥室PC控制和显示平台，多组接收/发射超声波传感器通过同轴电缆与工业PC控制平台连接，工业PC控制平台与指挥室PC控制和显示平台通过串口/无线网络通讯系统连接。同时还提供了一种测控方法。本发明专利技术测量系统成本低、精度高、适应性强、智能化程度高、可靠性好，有效解决沉管隧道建设中管段水下对接的高精度测控问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种。
技术介绍
由于沉管隧道有很多工作是在水下进行的，因此与陆地隧道相比，沉管隧道对测量工作提出了更高的要求。对修建沉管隧道来说，如何对沉管沉放进行测量控制是一个世界性的难题。发达国家对沉管隧道经过了多年的研宄和技术积累，对这些难题己经有了比较成熟的解决方案。由于我国对沉管隧道测量技术的研宄起步比较晚，目前国内研宄掌握的技术、经验和可供参考的资料相对较少，对跨海沉管隧道涉及的测量控制方法与技术更是几乎没有系统深入的研宄。可以说，我国对沉管隧道进行测量控制的方法还处在初级阶段。而随着我国经济的高速发展，在江、河、湖、海中修建高速公路、城市道路、地铁或高速铁路的水下沉管隧道必然越来越多。仅从目前来看，我国对沉管隧道的需求己经特别的大，面对如此急切与大量的需求，无论是从沉管隧道测量控制技术总结方面，还是沉管隧道测量控制技术储备和提高方面，我国都必须加大对建造海底隧道涉及的各方面测量技术进行系统深入的研宄，发展出具有我国自主知识产权的海底隧道测量控制技术，尽快最大限度地满足需求。截止目前，管段对接中首选测量方法是全站仪和GPS测量方法，该方法代表了目前国内外主流沉放监测技术水平，由于目前GPS和全站仪测量技术已发展成熟，因此系统的稳定性较强，一般不会出现测量错误、测量中断等大的故障。该方法的局限性主要有几个方面:(1)控制点测量精度低，不适合长、大结构的管节测量。原因在于，测量方法未考虑管节、测量塔的变形对结果的影响，而在管段结构较大的情况下，变形引起的误差不可忽略；(2)适用于内河测量，在这种情况下，全站仪设站难度较小，且观测距离短，精度高。而外海测量中，站点设置困难，观测距离长，精度低；(3)适合于短距离隧道测量监控，不适合类似港珠澳沉管隧道等长距离隧道的对接测量。因为在沉放对接监控中，不仅需要准确测量待沉放管节的空间坐标，而且需要测量上节已沉放管节的空间坐标(注:注浆托起或重力沉降，空间位置发生了改变)，而已沉放管节的测量只能通过全站仪管内接力测量(注:管节之间只有钢封门是通视的)的方式，在长距离隧道中，精度难以保障；(4)测量方法完全依赖测量塔，在沉放工艺改变，不设置测量塔的情况下即无法实施。另外，从已有沉管隧道测量资料来看，该方法还有一个比较大的缺陷，就是测量结果的验证和校核问题(从已有查阅资料中未发现类似研宄)。这里的验证和校核并不是针对测量点，而是针对接头对接控制点。在管节沉放对接中，潜水测量是主要辅助方法，即由潜水员对两块块体之间的间隙进行估算从而对沉放结果进行测量。这种传统的测量方法在首块块体沉放的时候会比较费时费力，因为当水下没有任何标志的时候，无法利用潜水员定位而只能依赖设置在首块管体上的长杆来定位，由于深处水流无法准确测定，同时长杆的刚度无法得到保证，因此这种方法所得到的首块块体的定位精度无法得到保证，质量比较低，并且水下未知的环境，对潜水员的生命也存在威胁。以上这些方法还有一个严重的缺陷，只能用于浅水测量，在这种条件下，GPS和全站仪可以通过测量控制塔传递测量，潜水员也可以较长时间地进行水下工作。但在深水沉管隧道建设中，潜水作业受到很大的限制，而且安全也是一个大问题，GPS等测量方法也因为没有控制塔传递而无法测量。国外发达国家的沉管隧道建设已经有近80多年的历史，相关的测量技术相对完善和先进。这里对于GPS等常规测量方法不再赘述，只讨论具有一定先进性的非常规测量和监测方法。目前国外沉管隧道建设中能够代表最高测量技术水平的是水下声呐法。该方法是一种相对定位测量方法，其测量的是待沉管节与已沉管节对接端的相对位置，当管节距离较近时，该方法具有较高的定位精度。目前，该方法的在我国的推广应用有一定的难度，主要原因有:(I)由于国外技术垄断，使用成本极高，通常在数几百万元人民币以上；(2)该方法在国内尚未经过实际应用，其可行性和实际使用效果有待进一步研宄。综上所述，目前已有的测量方法均有一定缺陷和不足，不能满足我国沉管隧道建设进一步发展的需要，在测量方法的适应性和分析结果的即时性、准确性等方面均需大幅度提高。从国家基础建设规划来看，随着技术、资金储备的成熟，大规模、长距离、大深度的沉管隧道建设高潮即将到来。在这种背景下，管节沉放对接中存在的测量难题必须尽快予以解决。从目前来看，从传统测量方法的角度出发进行进一步改进很难达到工程要求，而国外技术引进成本又过高，且本土化改造也是一个复杂的过程，必须研宄一种新的设备及相应的标准化操作流程，这种方法应该具有以下特点或功能:(I)测量方法适应强，能够适应沉管隧道施工的一般条件。(2)具有较高的安全性、可靠性，测量过程中无不可控危险因素；测量过程稳定，不受周边环境的影响而中断或出错，具有全天候工作能力。(3)实施过程复杂程度低，具有较强的可操作性。(4)测量精度高，可满足工程要求；测量精度稳定性高，不受水深、水流等环境因素的影响而降低。(5)测量效率高，基本与沉放对接过程可以保持同步进行。(6)测量结果的即时性好，能够及时为工程决策提供所需依据。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了解决上述问题，提供一种沉管隧道建设中管段对接的水下高精度测控系统。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案:一种沉管隧道建设中管段对接的水下高精度测控系统，具有多组接收/发射超声波传感器、工业PC控制平台、串口 /无线网络通讯系统、指挥室PC控制和显示平台，多组接收/发射超声波传感器通过同轴电缆与工业PC控制平台连接，工业PC控制平台与指挥室PC控制和显示平台通过串口 /无线网络通讯系统连接。优选的是:接收/发射超声波传感器组数为三组，每组接收/发射超声波传感器中，发射超声波传感器与接收超声波传感器的对应关系为I对4，I对3，2对4或者2对3，接收超声波传感器通过支架安装在沉管的管尾，发射超声波传感器通过支架安装在待沉管的管头。优选的是:工业PC控制平台与指挥室PC控制和显示平台通过无线电传输系统或者3G/4G传输系统连接。另一方面，一种应用上述沉管隧道建设中管段对接的水下高精度测控系统实现的测控方法，具有以下步骤:S1、安装传感器，接收/发射超声波传感器分组面对面安装到管头和管尾的位置；S2、接收/发射超声波传感器测量中心和预设控制点标定，采用高精度全站仪在同一坐标系下测量得到传感器中心、预设控制点以及管段角点的空间坐标值，用于管段相对姿态的计算；S3、现场测量，控制接收/发射超声波传感器的声波发射和接收，根据声波在水中的走时计算接收/发射超声波传感器之间的空间距离；S4、发射传感器测量中心坐标计算，以已沉放管段管底面为投影中心建立独立坐标系，根据前面标定结果计算出接收超声波传感器中心、控制点的空间坐标，然后以发射超声波传感器中心坐标为未知数建立接收/发射超声波传感器测量中心之间的距离方程组，通过解方程组得到发射超声波传感器的中心坐标值，以此类推得到各个发射超声波传感器测量中心的空间坐标；S5、待沉放管段控制点坐标计算，根据发射超声波传感器前期标定坐标和测量坐标计算变换矩阵，然后将标定的管段控制点坐标乘以该矩阵即可得到其即时坐标；S6、在计算得到所有控制点坐标的基础上，调用微软Direct3D函数库建立两节管段的空间模型。优选的是:接收/发射本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种沉管隧道建设中管段对接的水下高精度测控系统，其特征在于，具有多组接收/发射超声波传感器、工业PC控制平台、串口/无线网络通讯系统、指挥室PC控制和显示平台，多组接收/发射超声波传感器通过同轴电缆与工业PC控制平台连接，工业PC控制平台与指挥室PC控制和显示平台通过串口/无线网络通讯系统连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郭强，胡勇前，孙斌，赵鹏辉，贺维国，林金雄，宋光猛，裴凯，
申请(专利权)人：上海海科工程咨询有限公司，佛山市新城开发建设有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31