CN115217165A - 一种沉管隧道顶进式最终接头传感器的布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及沉管隧道监测技术领域，尤其涉及一种沉管隧道顶进式最终接头传感器的布置方法，包括如下步骤：S1、传感器选型及率定；S2、传感器支架位置放点；S3、传感器支架安装；S4、传感器安装及走线；S5、对轴向监测结构进行位置精调；S6、对径向传感器进行位置精调；S7、传感器及最终接头位置标定；S8、传感器供电及数据采集；S9、防海生物保护措施。采用该方法进行沉管隧道顶进式最终接头顶进施工监测，数据质量好，且监测设备结构设计合理、实用性高、稳定性高。监测数据溯源性高，可为多种计算模型提供数据。监测数据稳定向高，避免监测数据不可控。适用于满足监测要求多种传感器，不仅限于特定厂家型号传感器，具有广谱适用性。

Description

一种沉管隧道顶进式最终接头传感器的布置方法

技术领域

本发明涉及沉管隧道监测技术领域，尤其涉及一种沉管隧道顶进式最终接头传感器的布置方法。

背景技术

沉管隧道最后一节管段的最后一个端面连接之处称为最终接头，用于沉管段与暗埋段之间的最终连接，最终接头是整个沉管隧道中的关键工序之一。最终接头包括外部套筒、顶进节段和顶推系统等，其中外部套筒套设在所述暗埋段的连接端部，顶进节段设置在所述沉管段与所述外部套筒之间，顶进节段的一侧与所述沉管段相固定连接，另一侧与所述外部套筒之间通过后浇筑混凝土连成一体，所述顶推系统用于对所述顶进节段向沉管段一侧顶推滑移。

目前，采用顶进节段法施工的沉管隧道最终接头，在对接施工过程中需要实时掌握顶进节段的运动状态，最终确保顶进节段满足线型控制要求。

由于沉管隧道最终接头工艺复杂，周期较长，以往监测多为长时间的人工水下探摸，监测安全风险较大，精度相对较差。因此，降低水下作业依赖性，减小监测安全风险，实现顶进式沉管隧道最终接头监测的精准、方便，是沉管隧道顶进式最终接头监测的重要研究方向。中国专利CN202020866287.7公开了一种沉管隧道顶推式最终接头监测结构，该监测结构通过在外部套筒和顶进节段内设置轴向和径向的监测结构，在最终接头的对接施工过程中能够实时掌握顶进节段的运动状态，确保顶进节段满足线型控制要求；并且减小了监测安全风险，最终实现了顶推式沉管隧道最终接头监测的精准和方便。然而对于传感器如何精确布置，没有明确说明，因此在CN202020866287.7的技术基础上进行了进一步的探索。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种沉管隧道顶进式最终接头传感器的布置方法,采用该方法进行沉管隧道顶进式最终接头顶进施工监测，数据质量好，且监测设备结构设计合理、实用性高、稳定性高。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种沉管隧道顶进式最终接头传感器的布置方法，最终接头包括外部套筒和顶进节段；传感器的布置方法包括如下步骤：

S1、传感器率定；S2、传感器支架位置放点；S3、传感器支架安装；S4、传感器安装及走线；S5、对轴向监测结构进行位置精调；S6、对径向传感器进行位置精调；S7、传感器及最终接头位置标定；S8、传感器供电及数据采集；S9、防海生物保护措施。

作为优选的技术方案，S1步骤具体内容如下：

(1)所有传感器选择磁致伸缩位移传感器；

(2)传感器数量及量程规格的确定以能计算最终接头的x,y,θ_xy为准，其中x表示最终接头轴向的坐标，y表示最终接头径向坐标，θ_xy表示最终接头的转角；θxy＝arccos(1-ΔX²/2L²)；Δx为最终接头转角前后的轴向偏差；L为最终接头径向距离；

(3)传感器校准；

(4)传感器连接采集仪。

作为优选的技术方案，S2步骤具体内容如下：

(1)建立局部坐标系：利用卷尺和全站仪进行支架位置放点，建立局部坐标系，要求轴向传感器支架水平放置且与外部套筒中轴线平行，径向传感器支架水平放置且与外部套筒中轴线垂直；

在外部套筒中轴线首端和尾端各布设一个观测点，利用全站仪在尾点架站，以尾点为零值点(0，0,0)，以首点方向为X正向，测得首点三维坐标(X_首，0，Z_首)，建立局部坐标系；

布置传感器支架：在外部套筒与顶进节段连接区域放点布置传感器支架安装位置：要求位于顶进节段外侧的传感器尽可能向顶进节段的径向两侧安装，且传感器要沿外部套筒中轴线对称布置，使得θxy以中轴线为转点中心；不同坐标下Y坐标修正公式如下：

y’＝y-y/cosθ_xy+x*sinθ_xy；

其中，其中x表示最终接头轴向坐标，y表示最终接头径向坐标，θ_xy表示最终接头的转角；y’为y的修正量；

然后在确定好的位置处打传感器支架安装孔。

作为优选的技术方案，S4步骤包括安装轴向传感器与对应支架、安装径向传感器与对应支架以及绑扎传感器线缆；

轴向传感器与对应支架的安装：轴向传感器支架包括沿轴向设在顶进节段内侧底部的第一支座及设在外部套筒内侧底部的第二支座；所述第一支座上通过若干第一支架固定有平行于顶进节段轴向的外套管；所述第二支座上通过第二支架设有与外套管伸缩配合的内套管；内套管端部连接有可测量顶进节段轴向顶进距离的轴向传感器；所述第二支架上还设有可轴向移动的滑台，以便对内套管进行高度调整，保证其能水平进入外套管内，调整完毕后，该滑台通过设在第二支架上的锁紧螺母进行位置固定；

安装轴向传感器支架时，将外套管套在轴向传感器上，传感器电子仓的固定端安放在外部套筒支架上，然后将外套管安放在顶进节段支架上，利用卷尺检查轴向传感器是否平行中轴线且整体水平后，拧紧轴向传感器与支架螺栓，完成轴向传感器初步安装。

进一步的，径向传感器与对应支架的安装：径向传感器支架包括分别沿轴向悬空固定在顶进节段内的滑道及外部套筒内的三脚架；具体的，所述滑道通过螺栓连接于顶进节段的侧壁上；所述三脚架由固定在外部套筒底部的第三支架支起，三脚架底部是沿轴向由外部套筒延伸至顶进节段内的一个条形支架，该条形支架位于顶进节段内的端部一侧设有径向距离传感器，另一侧固定有处于压缩状态的弹簧件，弹簧件与滑道之间设有一径向顶杆；顶杆端部与所述滑道侧壁滑动配合；这样径向距离传感器利用三脚架与滑道之间相互位移变化值确定顶进节段径向变化，变化值可以通过径向距离传感器向外部的监测平台进行实时反馈；

安装径向传感器支架时，将径向传感器穿过支架，依次穿套安装螺母、弹簧件和顶杆，将安装螺母拧上劲后松开弹簧件，使得顶杆顶靠在滑道上，手动调节传感器保持水平且垂直于中轴线，最后拧紧安装螺母，完成径向传感器初步安装；弹簧件弹簧系数为100～200N/m，弹簧件长度为径向变化量程的1.5～2.5倍+顶杆与安装螺母的初始安装间距。

进一步的，施工时相邻的传感器线缆绑扎在一起，并沿外部套筒与顶进节段的间隙布置；具体的，线缆每米绑扎一次，每两米通过膨胀螺丝将线缆固定到混凝土面上，最后汇总在穿舱件法兰区域，通过与穿舱件匹配的内、外侧盲板穿越到外部套筒非涉水区域；

线缆穿舱布设步骤：(a)在内盲板上均匀开设多个与所有传感器数量相等的螺纹孔，然后将每个传感器对应的电缆防水接头安装于所述螺纹孔；(b)线缆穿过内侧盲板上的防爆电缆防水接头后拧紧；(c)穿舱件法兰打磨光滑，然后两端用内侧盲板+四氟法兰垫片+带帽螺栓密封固定，螺栓对角拧紧；(d)内侧盲板与穿舱件法兰之间、以及与电缆防水接头之间均在安装后沿环向涂胶进一步提高密封效果；(e)将内侧盲板安装完成后，按照同样步骤安装外侧盲板。

作为优选的技术方案，S5对轴向监测结构进行位置精调步骤中，根据计算要求，轴向传感器需保持水平且与外部套筒中轴线平行；精调方法如下：先调节轴向传感器与外部套筒中轴线平行，利用对中杆分别测量第一支架、外套管、内套管和轴向传感器的顶部中心坐标；若以上全部Y坐标差异在2mm以内，则不用再次调节，重新紧固全部螺栓；若Y坐标差异在2mm以上则需要调整；四个点Y坐标与初步放点一致后保持不动，对其余点进行调整：其中通过滑台及锁紧螺母用来调节轴向传感器及内套管的Y坐标值，松开滑台螺母，使得传感器电子仓在Y坐标移动；松开锁紧螺母，使得轴向传感器沿螺母水平转动，从而调节Y坐标；松开第一支架的底部螺母，调节外部套筒Y坐标；

然后调节整个轴向传感器的高度，轴向传感器自带的伸长杆及外套管顶部均保持水平，利用对中杆分别测量伸长杆露出部分的前后Z坐标以及外套管首尾截面顶部Z坐标；若对中杆的Z坐标差异在2mm以内，则不用再次调节，重新紧固全部螺栓；若Z坐标差异在2mm以上则需要调整：保持伸长杆处于外套管中间，松开第二支架上的螺母，调节伸长杆高度；松开外套管底部的螺母，调节外套管高度；

各阶段调节完成后，各螺母微拧，复核不合格后重新调整，若复核偏差小于2mm，则认为满足要求，最后拧紧各螺母。

作为优选的技术方案，S6中，径向传感器需严格控制保持水平且与外部套筒中轴线垂直；利用对中杆分别测量径向传感器伸长杆外部首尾顶部中心X、Z坐标；若两点X、Z坐标差异在2mm以内，则不用再次调节，重新紧固全部螺栓；若X、Z坐标差异在2mm以上则需要调整；松开径向传感器安装螺母，调整安装螺母上的垫片方向及在安装螺母边缘增减薄垫片，从而调节径向传感器偏移角度，进而调节径向传感器伸长杆外部首尾顶部中心坐标相同；

各阶段调节完成后，各螺母微拧，复核不合格后重新调整，若复核偏差小于2mm，则认为满足要求，最后拧紧调节螺母。

作为优选的技术方案，S7中，以放点时局部坐标系标定各传感器安装位置及最终接头特征点位置；

传感器安装位置信息包括传感器电子仓坐标、伸长杆首尾坐标及外套管首尾坐标，传感器伸长标距；最终接头信息包括顶进节段底板上部四顶角坐标、中管廊中线前后两坐标、顶进节段首尾截面上下四角共八个点坐标、及外部套筒首尾截面上下四角共八个点坐标；

具体操作方式

(a)在最终接头外套筒段中轴线首端和尾端各布设一个观测点，在尾点架站，以尾点为零值点(0，0,0)，以首点方向为X正向，测得首点三维坐标(X_首，0，Z_首)，建立局部坐标系；

(b)在首端和尾端架站，测量各需要标定点三维坐标，其中受空间遮挡处点，可通过导线或者后方交会测得；

(c)利用水准仪或其他手段从高等级高程水准点将1985国家高程基准引到最终接头外部套筒首端和尾端两点；利用GPS静态和全站仪将最终接头局部坐标系与2000国家大地坐标系建立联系，即有相距大于40m的两个点，同时测得其局部坐标系坐标值和2000国家大地坐标系坐标值；

平面二维转换方法需要4个参数，包括2个平移、1个旋转、和1个尺度。坐标系Xo-Yo经过尺度缩放，坐标系旋转，然后再平移，变成了Xt-Yt坐标系；

其中本局部坐标系与大地坐标系尺度相同，故

Xt＝△X+X0*cosɑ-Y0*sinɑ；

Yt＝△Y+X0*sinɑ+X0*cosɑ；

其中：Xt表示大地坐标系X轴；

△X表示本局部坐标系原点在大地坐标系x轴的坐标值；

Xo表示本局部坐标系x轴；

ɑ表示本局部坐标系与大地坐标系夹角；

Yo表示本局部坐标系Y轴；

Yt表示大地坐标系Y轴；

△Y表示本局部坐标系原点在大地坐标系Y轴的坐标值；

(d)待全部工作完成后，在监测设备无外界因素影响下，读取各传感器数据，每个传感器共读取多组数据，若偏差值在传感器精度范围内，取其平均值作为安装初始值记录；若偏差较大，则考虑更换传感器。

作为优选的技术方案，S9中传感器安装完成后，从外套管的一端灌注环保油脂，灌至另一端饱满出油，外套管两端用PE膜微微缠裹；将滑道上涂抹一层油脂，粘贴PE膜；最终接头顶进施工前，通过潜水将PE膜撕走。

本发明具有的优点和积极效果是：

1、采用本发明的传感器布置方法对顶进式沉管隧道最终接头进行监测，监测数据准确稳定，且该监测方法经过实验，已成功应用于大连湾海底隧道建设工程最终接头模拟顶进施工监测。

2、监测数据溯源性高，可为多种计算模型提供数据。

3、监测数据稳定向高，避免监测数据不可控。

4、本发明适用于满足监测要求多种传感器，不仅限于特定厂家型号传感器，具有广谱适用性。

附图说明：

图1是现有技术最终接头监测结构的三维结构示意图；

图2是现有技术中轴向传感器支架的示意图；

图3是现有技术中径向传感器支架的示意图；

图4是本发明中最终接头的示意图和应的局部直角坐标系；

图5是本发明最终接头转角示意图；

图6是本发明的最终接头局部坐标系与大地坐标系的关系示意图。

其中：1、外部套筒；11、首端；12、尾端；2、顶进节段；3、轴向传感器支架；31、第一支座；32、第二支座；33、第一支架；34、第二支架；35、外套管；36、内套管；37、轴向传感器；38、滑台；39、锁紧螺母；4、径向传感器支架；41、滑道；42、三脚架；43、第三支架；44、径向传感器；45、弹簧件；46、顶杆；5、中管廊。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图；对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然；所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例；而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例；本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例；都属于本发明保护的范围。

如图1-6所示，本发明提供了一种沉管隧道顶进式最终接头传感器的布置方法，包括如下步骤：

S1、传感器率定；

(1)传感器选择：由于振弦、光纤、电阻及差阻类传感器由于自身存在较大拉力，且大量程难以保证稳定不进水。针对最终接头水下特殊环境，考虑水密性要求及量程精度要求，S1中的传感器优选磁致伸缩位移传感器，各传感器出厂前均需要按照相应产品标准进行检测；

(2)传感器数量及量程确定：传感器数量及量程规格由冗余数据要求及最终接头顶进轨迹范围确定。根据最终接头运动轨迹均为缓慢移动，最终接头运动为平面二维运动，其模型的未知参数仅为x,y,θ_xy，其中x表示最终接头轴向的坐标，y表示最终接头径向坐标，θ_xy表示最终接头的转角；这三个自由度需要通过现场监测直接或间接获得。工程现场对水平角度监测较少，故通过公式θxy＝arccos(1-Δx²/2L²)计算出最终接头的转角；Δx为最终接头转角前后的轴向偏差；L为最终接头径向距离。优选的，轴向传感器不少于6个，径向传感器不少于3个。

(3)传感器校准：利用检定合格的高精度钢板尺做对比，传感器按照从零到满量程然后归零方式，共进行3个大循环校准，从零到满量程(或满量程到零)分为10档。考虑钢板尺与传感器准确度，要求校核偏差不大于钢板尺精度。

(4)传感器连接采集仪：将传感器连接上采集仪，保持传感器固定不动，按照1s进行10次采集的高频采集(监测时采集频率可调整)，测量传感器数据重复稳定及应答灵敏性。

安装所用传感器需满足率定要求，避免使用已破坏的传感器。

S2、传感器支架位置放点；

(1)建立局部坐标系：利用卷尺和全站仪进行支架位置放点，建立局部坐标系，要求轴向传感器支架水平放置且与外部套筒中轴线平行，径向传感器支架水平放置且与外部套筒中轴线垂直；

在外部套筒1中轴线首端(靠近顶进节段2)和尾端(远离顶进节段2)各布设一个观测点，利用全站仪在尾点架站，以尾点为零值点(0，0,0)，以首点方向为X正向，测得首点三维坐标(X_首，0，Z_首)，建立局部坐标系。不同于一般施工固定坐标放点、也不同于一般监测考虑不变形的局部坐标系，本方法中最终接头局部坐标系需严格按照流程要求(如中轴线艏艉点作为基准点)建立，对后期计算水平转动角度大小及转心及径向修正具有较高的意义。

(2)布置传感器支架：根据图1整体平面布置图，在最终接头外部套筒1与顶进节段2的连接区域放点布置传感器支架安装位置：

为保证监测数据具有代表性且易于计算，要求位于顶进节段2外侧的传感器尽可能向顶进节段的径向两侧安装，这是由于θxy＝arccos(1-Δx²/2L²)，最终接头径向距离L增大，相同Δx测量误差下，θxy准确性越大；且传感器要沿外部套筒中轴线对称布置，使得θxy以中轴线为转点中心；然后在确定好的位置处打传感器支架安装孔；由于顶进节段与外部套筒间结合腔存在大量液压千斤顶，为便于千斤顶后期维护处理，打孔位置需要避让千斤顶10cm以上。优选的，传感器支架为可调节的伸缩型支架。

如图4所示，以6个轴向传感器两两一组为例，各轴向传感器的安装支架X坐标(沿外部套筒轴向)相同；顶进节段两侧双组轴向传感器Y坐标(沿外部套筒径向)正负对称；中间一组的两个轴向传感器沿外部套筒中轴线对称布置，Y坐标正负对称。所有轴向传感器平行外部套筒中轴线布置于同一Y坐标上，X坐标顺序变化，使得顶进节段上的测点为固定对称点，便于计算转角值及异常传感器数据校核。

同理的，以3个径向传感器沿外部套筒径向布置为例，各径向传感器安装支架的X坐标值相同，两侧的径向传感器Y坐标正负对称。

因为转角作用，导致顶进节段任意平面位置点运动轨迹不同，假定中轴线原点为转心，存在不同坐标下Y坐标修正。修正公式如下：

y’＝y-y/cosθ_xy+x*sinθ_xy；

其中，其中x表示最终接头轴向的坐标，y表示最终接头径向坐标，θ_xy表示最终接头的转角；y’为y的修正量；因此传感器对称布设有利于尽快判断异常，避免初始转角计算错误。

S3、传感器支架安装

如图2所示，轴向传感器支架包括沿轴向设在顶进节段2内侧底部的第一支座31及设在外部套筒1内侧底部的第二支座32；所述第一支座31上通过若干第一支架33固定有平行于顶进节段2轴向的外套管35；所述第二支座32上通过第二支架34设有与外套管35伸缩配合的内套管36；内套管36端部连接有可测量顶进节段2轴向顶进距离的轴向传感器37。所述第二支架34上还设有可轴向移动的滑台38，以便对内套管36进行高度调整，保证其能水平进入外套管35内，调整完毕后，该滑台38通过设在第二支架34上的锁紧螺母39进行位置固定。

如图3所示，径向传感器支架包括分别沿轴向悬空固定在顶进节段2内的滑道41及外部套筒1内的三脚架42；具体的，所述滑道41通过螺栓连接于顶进节段2的侧壁上(顶进节段的侧壁图中未示出)；所述三脚架42由固定在外部套筒1底部的第三支架43支起，三脚架42底部是沿轴向由外部套筒1延伸至顶进节段2内的一个条形支架，该条形支架位于顶进节段2内的端部一侧设有径向距离传感器44，另一侧固定有处于压缩状态的弹簧件45，弹簧件45与滑道41之间设有一径向顶杆46；顶杆端部与所述滑道41侧壁滑动配合；这样径向距离传感器44利用三脚架42与滑道41之间相互位移变化值确定顶进节段2径向变化，变化值可以通过径向距离传感器44向外部的监测平台进行实时反馈。

磁致伸缩位移传感器通过切割磁感线确定距离，因此磁头连接不锈钢管为奥氏体不锈钢。

根据放点数据，将各支架模拟摆放到相应位置，通过支架固定端安装圆孔标记出安装孔位置；利用铁锤和钢钉在安装孔标记处中心凿出一小凹槽，防止后续电锤钻孔时打滑偏位。

使用角磨机将安装区域面混凝土表面打磨干净平滑，若表面有缺损，则使用环氧树脂或更高标号砂浆进行找平，待强度满足使用要求后，重新进行打磨找平。不进行表面处理易造成支架调节超限及传感器对称安装偏差大。

使用不锈钢膨胀螺栓固定支架，膨胀螺栓大小不小于M8。在电锤钻头上用记号笔或胶带标记出钻孔深度，钻孔深度应为膨胀螺丝底部至顶部螺母下边沿长度，钻出相应位置安装孔，用气吹把安装孔内杂质及灰尘吹出，并用酒精棉把安装孔周围及整个安装面擦拭干净。在膨胀螺丝外部及内部(膨胀管与螺丝间空腔间隙)均匀涂抹环氧树脂胶(或其他类型高强度植筋胶)，然后塞入安装孔内，拧紧支架。最后将支架各非调节螺栓拧紧。

S4、传感器安装及走线

传感器支架安装完成后进行传感器安装，由于各支架可伸缩调节，因此初始安装时需统一调节在归零位置；

(1)轴向传感器的安装：

安装轴向传感器时，将外套管35套在向传感器上，传感器电子仓的固定端安放在外部套筒段支架上，然后将外套管安放在顶进节段支架上，利用卷尺粗略检查轴向传感器是否平行中轴线且整体水平后，拧紧轴向传感器与支架螺栓，完成轴向传感器初步安装。具体的，为解决长期布设条件下传感器磁杆产生挠度，影响测量精度的问题，所述外套管是在磁杆外套退磁不锈钢管。

(2)径向传感器的安装：

安装径向传感器时，将径向传感器穿过支架，依次穿套安装螺母、弹簧件和顶杆，将安装螺母拧上劲后松开弹簧件，使得顶杆顶靠在滑道上，手动调节传感器保持水平且垂直于中轴线，最后拧紧安装螺母，完成径向传感器初步安装。优选的，弹簧件弹簧系数为100～200N/m，弹簧件长度为径向变化量程的1.5～2.5倍+顶杆与安装螺母的初始安装间距。弹簧系数小易造成弹力无法满足要求，系数大易造成滚球摩擦面摩擦力增大，监测滑动不流畅。

(3)传感器线缆选用专用水工双屏蔽线缆，施工时相邻的传感器线缆绑扎在一起，并沿外部套筒与顶进节段的间隙布置；具体的，线缆每米绑扎一次，每两米通过膨胀螺丝将线缆固定到混凝土面上，最后汇总在穿舱件区域，通过与穿舱件匹配的内、外侧盲板穿越到外部套筒非涉水区域；本实施例中，所述穿舱件为法兰；

线缆穿舱布设步骤：(a)在规格为DN150的内盲板上均匀开多个与所有传感器数量相等的螺纹孔，然后将316不锈钢防爆电缆防水接头安装于所述螺纹孔；(b)监测线缆穿过内侧盲板上的防爆电缆防水接头后，拧紧；(c)穿舱件法兰打磨光滑，然后两端用内侧盲板+四氟法兰垫片+带帽螺栓密封固定，螺栓对角拧紧；(d)内侧盲板与穿舱件法兰、电缆防水接头间均在安装后沿环向涂覆704硅胶进一步提高密封效果；(e)将内侧盲板安装完成后，安装外侧盲板，安装方法同内侧盲板。

S5、对轴向监测结构进行位置精调

具体的，根据计算要求，轴向传感器需严格控制保持水平且与外部套筒中轴线平行。精调方法如下：先调节轴向传感器与外部套筒中轴线平行，利用对中杆分别测量第一支架33、外套管35、内套管36和轴向传感器37的顶部中心坐标；若以上以后全部Y坐标差异在2mm以内，则不用再次调节，重新紧固全部螺栓；若Y坐标差异在2mm以上则需要调整。四个点Y坐标与初步放点一致后保持不动，对其余点进行调整：其中通过滑台38及锁紧螺母39，可用来调节轴向传感器37及内套管36的Y坐标值，松开滑台38螺母，可使得传感器电子仓在Y坐标移动；松开锁紧螺母39，可使得轴向传感器沿螺母水平转动，从而调节Y坐标。松开第一支架33的底部螺母，可调节外部套筒Y坐标。

然后调节整个轴向传感器高度，轴向传感器上的伸长杆36及轴向外套管顶部均保持水平，利用对中杆分别测量轴向传感器伸长杆36露出部分的前后Z坐标以及外套管首尾顶部中心Z坐标。若两个对中杆的Z坐标差异在2mm以内，则不用再次调节，重新紧固全部螺栓；若Z坐标差异在2mm以上则需要调整。保持传感器的伸长杆处于外套管中间，松开第二支架34上的螺母，可调节传感器伸长杆高度；松开装置33底部的螺母，可调节外套管35高度。

各阶段调节完成后，各螺母微拧，复核不合格后重新调整，若复核偏差小于2mm，则认为满足要求，最后拧紧各调节螺母。

S6、对径向传感器进行精调：

根据计算要求，径向传感器需严格控制保持水平且与外部套筒中轴线垂直，见图5。利用对中杆分别测量径向传感器伸长杆外部首尾顶部中心X、Z坐标。若两点X、Z坐标差异在2mm以内，则不用再次调节，重新紧固全部螺栓；若X、Z坐标差异在2mm以上则需要调整。松开径向传感器安装螺母，调整安装螺母上的垫片方向及在安装螺母边缘增减薄垫片，从而调节径向传感器偏移角度，进而调节径向传感器伸长杆外部首尾顶部中心坐标相同。

各阶段调节完成后，各螺母微拧，复核不合格后重新调整，若复核偏差小于2mm，则认为满足要求，最后拧紧调节螺母。

S7、传感器及最终接头位置标定

以放点时局部坐标系，标定各传感器安装位置及最终接头特征点位置。传感器安装位置信息包括传感器电子仓坐标、伸长杆首尾坐标及外套管首尾端坐标，传感器伸长标距等；最终接头信息包括顶进节段底板上部四顶角坐标、中管廊中线前后两坐标、最终接头顶进节段首尾截面上下四角共八个点坐标、及外部套筒首尾截面上下四角共八个点坐标，及其他所需要的特征点，该部分内容属于现有技术，此处不再赘述。

具体操作方式

(a)在最终接头外套筒段中轴线首端(靠近顶进节段)和尾端(远离顶进节段)各布设一个观测点，在尾点架站，以尾点为零值点(0，0,0)，以首点方向为X正向，测得首点三维坐标(X_首，0，Z_首)，建立局部坐标系；

(b)在首端11和尾端12架站，测量各需要标定点三维坐标，其中受空间遮挡处点，可通过导线或者后方交会等方法测得；

(c)利用水准仪或其他手段从高等级高程水准点将1985国家高程基准引到最终接头外部套筒首端和尾端两点；利用GPS静态和全站仪将最终接头局部坐标系与2000国家大地坐标系建立联系，即有相距大于40m的两个点，同时测得其局部坐标系坐标值和2000国家大地坐标系坐标值；

平面二维转换方法需要4个参数，包括2个平移、1个旋转、和1个尺度。坐标系Xo-Yo经过尺度缩放，坐标系旋转，然后再平移，变成了Xt-Yt坐标系。如图6：

其中本局部坐标系与大地坐标系尺度相同，故

Xt＝△X+X0*cosɑ-Y0*sinɑ；

Yt＝△Y+X0*sinɑ+X0*cosɑ；

其中：Xt表示大地坐标系X轴；

△X表示本局部坐标系原点在大地坐标系x轴的坐标值；

Xo表示本局部坐标系x轴；

ɑ表示本局部坐标系与大地坐标系夹角；

Yo表示本局部坐标系Y轴；

Yt表示大地坐标系Y轴；

△Y表示本局部坐标系原点在大地坐标系Y轴的坐标值；

(d)待全部工作完成后，在监测设备无外界因素影响下，读取各传感器数据，每个传感器共读取5组数据，若偏差值在传感器精度范围内，取其平均值作为安装初始值记录；若偏差较大，则考虑更换传感器。

S8、传感器供电及数据采集

传感器及集线器均由直流稳压开关电源进行供电，选用相同工作电压的传感器和集线器，避免误接电源造成设备损坏。为保证供电电源稳定，要求开关电源功率不小于全部传感器和集线器总功率的5倍。

直流稳压开关电源、集线器及监测线缆屏蔽层需要接地，接地电阻一般要求不大于4Ω，难以满足特殊情况接地电阻严禁大于10Ω。

传感器为485数据通讯传感器，遵守MODBUS通信协议,采用了MODBUS协议中的子集中RTU方式，RS485半双工工作方式。设置通讯参数波特率9600bps，设置数据帧1个起始位、8位数据、偶校验、1个停止位。

多个传感器通过自适应双向485集线器与电脑端连接在一起，利用电脑串口软件即可发送测量命令及读取测量结果。集线器内部采用工业级超强抗干扰芯片和浪涌保护/静电保护电路。内置电路智能判别电路，自动感知数据流方向，并且自动切换控制电路，解决RS485收发转换时延问题。

传感器电源及数据线一般在最终接头结合腔内为通长无缺损，严禁采用接头过多的线缆，当存在接头是，需分段焊接线且分线屏蔽热缩，接头需加劲处理。该步骤内容为现有技术，此处不再赘述。

S9、防海生物保护措施

为解决传感器长期海底放置，海中生物附着作用影响，使用外加保护套及填充环保类油脂等措施。

传感器安装完成后，在从外套管的一端灌注牛油或其他环保油脂，灌至另一端饱满出油，外套管两端用PE膜微微缠裹；注意包裹PE膜能一拉即可拆除。将滑道上涂抹一层油脂，粘贴PE膜。经测试，在半密闭海水空间内，支架填充油脂外部包裹PE膜能有效减少海生物附着影响，且易去除。

最终接头顶进施工前，通过潜水将PE膜轻轻撕走。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种沉管隧道顶进式最终接头传感器的布置方法，最终接头包括外部套筒和顶进节段；其特征在于：传感器的布置方法包括如下步骤：

S1、传感器率定；

S2、传感器支架位置放点；

S3、传感器支架安装；

S4、传感器安装及走线；

S5、对轴向监测结构进行位置精调；

S6、对径向传感器进行位置精调；

S7、传感器及最终接头位置标定；

S8、传感器供电及数据采集；

S9、防海生物保护措施。

2.如权利要求1所述的沉管隧道顶进式最终接头传感器的布置方法，其特征在于：S1传感器率定的具体步骤如下：

(1)选择传感器类型；

(2)传感器量程不小于最终接头最大理论纵向及径向移动值及安装初始量值，传感器精度不小于1mm，纵向传感器数量要求不小于6只，纵向传感器数量要求不小于6只；

(3)最终接头采用平面三参数运动模型，三参数分别为x,y,θ_xy，其中x表示最终接头轴向的坐标，y表示最终接头径向坐标，θ_xy表示最终接头的转角；其中转角值可由纵向传感器差异变化数据计算得到：θxy＝arccos(1-Δx²/2L²)；Δx为最终接头转角前后的轴向偏差；L为最终接头径向距离；

(4)传感器校准；

(5)传感器连接采集仪。

3.如权利要求2所述的沉管隧道顶进式最终接头传感器的布置方法，其特征在于：S2传感器支架位置放点的具体步骤如下：

(1)建立局部坐标系：利用卷尺和全站仪建立局部坐标系，进行支架位置放点，要求轴向传感器支架水平放置且与外部套筒中轴线平行，径向传感器支架水平放置且与外部套筒中轴线垂直；

在外部套筒中轴线首端和尾端各布设一个观测点，利用全站仪在尾点架站，以尾点为零值点(0，0,0)，以首点方向为X正向，测得首点三维坐标(X_首，0，Z_首)，建立局部坐标系；

(2)布置传感器支架：在外部套筒与顶进节段连接区域放点布置传感器支架的安装位置：要求位于顶进节段外侧的传感器尽可能向顶进节段的径向两侧安装，且传感器要沿外部套筒中轴线对称布置，使得θxy以中轴线为转点中心；不同坐标下Y坐标修正公式如下：

y’＝y-y/cosθ_xy+x*sinθ_xy；

其中，其中x表示最终接头轴向坐标，y表示最终接头径向坐标，θ_xy表示最终接头的转角；y’为y的修正量；

然后在确定好的位置开设传感器支架安装孔。

4.如权利要求1所述的沉管隧道顶进式最终接头传感器的布置方法，其特征在于：S4步骤包括安装轴向传感器与对应支架、安装径向传感器与对应支架以及绑扎传感器线缆；

轴向传感器与对应支架的安装：轴向传感器支架包括沿轴向设在顶进节段内侧底部的第一支座及设在外部套筒内侧底部的第二支座；所述第一支座上通过若干第一支架固定有平行于顶进节段轴向的外套管；所述第二支座上通过第二支架设有与外套管伸缩配合的内套管；内套管端部连接有可测量顶进节段轴向顶进距离的轴向传感器；所述第二支架上还设有可轴向移动的滑台，以便对内套管进行高度调整，保证其能水平进入外套管内，调整完毕后，该滑台通过设在第二支架上的锁紧螺母进行位置固定；

安装轴向传感器支架时，将外套管套在轴向传感器上，传感器电子仓的固定端安放在外部套筒支架上，然后将外套管安放在顶进节段支架上，利用卷尺检查轴向传感器是否平行中轴线且整体水平后，拧紧轴向传感器与支架螺栓，完成轴向传感器初步安装。

5.如权利要求4所述的沉管隧道顶进式最终接头传感器的布置方法，其特征在于：

径向传感器与对应支架的安装：径向传感器支架包括分别沿轴向悬空固定在顶进节段内的滑道及外部套筒内的三脚架；具体的，所述滑道通过螺栓连接于顶进节段的侧壁上；所述三脚架由固定在外部套筒底部的第三支架支起，三脚架底部是沿轴向由外部套筒延伸至顶进节段内的一个条形支架，该条形支架位于顶进节段内的端部一侧设有径向距离传感器，另一侧固定有处于压缩状态的弹簧件，弹簧件与滑道之间设有一径向顶杆；顶杆端部与所述滑道侧壁滑动配合；这样径向距离传感器利用三脚架与滑道之间相互位移变化值确定顶进节段径向变化，变化值可以通过径向距离传感器向外部的监测平台进行实时反馈；

安装径向传感器支架时，将径向传感器穿过支架，依次穿套安装螺母、弹簧件和顶杆，将安装螺母拧上劲后松开弹簧件，使得顶杆顶靠在滑道上，手动调节传感器保持水平且垂直于中轴线，最后拧紧安装螺母，完成径向传感器初步安装；弹簧件弹簧系数为100～200N/m，弹簧件长度为径向变化量程的1.5～2.5倍+顶杆与安装螺母的初始安装间距。

6.如权利要求5所述的沉管隧道顶进式最终接头传感器的布置方法，其特征在于：施工时相邻的传感器线缆绑扎在一起，并沿外部套筒与顶进节段的间隙布置；具体的，线缆每米绑扎一次，每两米通过膨胀螺丝将线缆固定到混凝土面上，最后汇总在穿舱件法兰区域，通过与穿舱件匹配的内、外侧盲板穿越到外部套筒非涉水区域；

线缆穿舱布设步骤：(a)在内盲板上均匀开设多个与所有传感器数量相等的螺纹孔，然后将每个传感器对应的电缆防水接头安装于所述螺纹孔；(b)线缆穿过内侧盲板上的防爆电缆防水接头后拧紧；(c)穿舱件法兰打磨光滑，然后两端用内侧盲板+四氟法兰垫片+带帽螺栓密封固定，螺栓对角拧紧；(d)内侧盲板与穿舱件法兰之间、以及与电缆防水接头之间均在安装后沿环向涂胶进一步提高密封效果；(e)将内侧盲板安装完成后，按照同样步骤安装外侧盲板。

7.如权利要求4所述的沉管隧道顶进式最终接头传感器的布置方法，其特征在于：S5对轴向监测结构进行位置精调步骤中，根据计算要求，轴向传感器需保持水平且与外部套筒中轴线平行；精调方法如下：先调节轴向传感器与外部套筒中轴线平行，利用对中杆分别测量第一支架、外套管、内套管和轴向传感器的顶部中心坐标；若以上全部Y坐标差异在2mm以内，则不用再次调节，重新紧固全部螺栓；若Y坐标差异在2mm以上则需要调整；四个点Y坐标与初步放点一致后保持不动，对其余点进行调整：其中通过滑台及锁紧螺母用来调节轴向传感器及内套管的Y坐标值，松开滑台螺母，使得传感器电子仓在Y坐标移动；松开锁紧螺母，使得轴向传感器沿螺母水平转动，从而调节Y坐标；松开第一支架的底部螺母，调节外部套筒Y坐标；

然后调节整个轴向传感器的高度，轴向传感器自带的伸长杆及外套管顶部均保持水平，利用对中杆分别测量伸长杆露出部分的前后Z坐标以及外套管首尾截面顶部Z坐标；若对中杆的Z坐标差异在2mm以内，则不用再次调节，重新紧固全部螺栓；若Z坐标差异在2mm以上则需要调整：保持伸长杆处于外套管中间，松开第二支架上的螺母，调节伸长杆高度；松开外套管底部的螺母，调节外套管高度；

各阶段调节完成后，各螺母微拧，复核不合格后重新调整，若复核偏差小于2mm，则认为满足要求，最后拧紧各螺母。

8.如权利要求4所述的沉管隧道顶进式最终接头传感器的布置方法，其特征在于：S6对径向传感器进行位置精调时，径向传感器需保持水平且与外部套筒中轴线垂直；利用对中杆分别测量径向传感器自带的伸长杆外部首尾顶部中心X、Z坐标；若两点X、Z坐标差异在2mm以内，则不用再次调节，重新紧固全部螺栓；若X、Z坐标差异在2mm以上则需要调整：松开径向传感器安装螺母，调整安装螺母上的垫片方向及在安装螺母边缘增减薄垫片，从而调节径向传感器偏移角度，进而调节径向传感器伸长杆外部首尾顶部中心坐标相同；

各阶段调节完成后，各螺母微拧，复核不合格后重新调整，若复核偏差小于2mm，则认为满足要求，最后拧紧调节螺母。

9.如权利要求4所述的沉管隧道顶进式最终接头传感器的布置方法，其特征在于：S7中，以放点时局部坐标系标定各传感器安装位置及最终接头特征点位置；

传感器安装位置信息包括传感器电子仓坐标、伸长杆首尾坐标及外套管首尾坐标，传感器伸长标距；最终接头信息包括顶进节段底板上部四顶角坐标、中管廊中线前后两坐标、顶进节段首尾截面上下四角共八个点坐标、外部套筒首尾截面上下四角共八个点坐标；

具体操作方式：

(a)在最终接头外套筒段中轴线首端和尾端各布设一个观测点，在尾点架站，以尾点为零值点(0，0,0)，以首点方向为X正向，测得首点三维坐标(X_首，0，Z_首)，建立局部坐标系；

(b)在首端和尾端架站，测量各需要标定点三维坐标，其中受空间遮挡处的坐标，可通过导线或者后方交会测得；

(c)从高等级高程水准点将1985国家高程基准引到最终接头外部套筒首端和尾端两点；利用GPS静态和全站仪将最终接头局部坐标系与2000国家大地坐标系建立联系，即有两个以上相距大于40m的点，同时测得其局部坐标系坐标值和2000国家大地坐标系坐标值；

平面二维转换方法需要4个参数，包括2个平移、1个旋转、和1个尺度；坐标系Xo-Yo经过尺度缩放，坐标系旋转，然后再平移，变成了Xt-Yt坐标系；

其中本局部坐标系与大地坐标系尺度相同，故：

Xt＝△X+X0*cosɑ-Y0*sinɑ；

Yt＝△Y+X0*sinɑ+X0*cosɑ；

其中：Xt表示大地坐标系X轴；

△X表示本局部坐标系原点在大地坐标系x轴的坐标值；

Xo表示本局部坐标系x轴；

ɑ表示本局部坐标系与大地坐标系夹角；

Yo表示本局部坐标系Y轴；

Yt表示大地坐标系Y轴；

△Y表示本局部坐标系原点在大地坐标系Y轴的坐标值；

(d)待全部工作完成后，在监测设备无外界因素影响下，读取各传感器数据，每个传感器共读取多组数据，若偏差值在传感器精度范围内，取其平均值作为安装初始值记录；若偏差较大，则考虑更换传感器。

10.如权利要求1所述的沉管隧道顶进式最终接头传感器的布置方法，其特征在于：S9中传感器安装完成后，从外套管的一端灌注环保油脂，灌至另一端饱满出油，外套管两端用PE膜缠裹；将滑道上涂抹一层油脂，粘贴PE膜；最终接头顶进施工前，通过潜水将PE膜撕走。

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