CN203745863U - 沉管隧道管节海上浮运和沉放施工作业监控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种沉管隧道管节海上浮运和沉放施工作业监控系统，包括设置在施工现场的监测机构、与监测机构通讯连接的处理中心和客户终端，所述监测机构包括水流监测装置、波浪监测装置、风监测装置、用于记录管节外部受力情况的管节外力监测装置、用于记录管节内部钢筋应力变化的管节内力监测装置、以及设置在管节中间截面用于监测管节姿态变化的管节姿态监测装置，所述处理中心用于存储监测机构发送的数据并转发至客户终端。本实用新型的系统实时监测管节海上施工作业的各种水文参数，为管节的现场施工提供施工环境的参考。

Description

沉管隧道管节海上浮运和沉放施工作业监控系统

技术领域

本实用新型属于隧道工程的技术领域，涉及一种外海沉管隧道的管节海上浮运和沉放施工作业监控系统。

背景技术

水底隧道作为重要的水域跨域交通基础设施形式，因其对航运的影响小，被普遍认为是跨越航运繁忙水域的第一选择。海上自然环境条件远较陆地恶劣，且具有很大的随机性，对隧道管节的施工影响很大。为了满足管节的浮运、系泊和沉放等工作的要求，海上施工一般要求在环境条件相当平稳时进行，同时必须策划好应对突发事件的安全措施。沉管隧道工程耗资巨大，事故后果严重，其施工决策必须经过充分的认证。如何结合水域的气象水文等环境条件，针对沉管隧道的特点，做出正确的施工决策是摆在施工人员面前的一大难题。因为施工过程受力因素众多，迫切需要一种实时监测、分析、预报的管节海上施工作业时间窗口的预报系统。

如申请号为201220317051.3，实用新型名称为全自动气象观测系统中公开了一种针对农业气象气象观测系统，但是其并不适用于管节的海上施工。

实用新型内容

本实用新型的目的，就是克服现有技术的不足，提供一种具有实时监测风浪流等环境参数以及管节的受力与稳性数据的沉管隧道管节海上浮运和沉放施工作业监控系统，能为现场施工人员提供即时的参考，随时监测施工的效果。

为了达到上述目的，采用如下技术方案：

一种沉管隧道管节海上浮运和沉放施工作业监控系统，包括设置在施工现场的监测机构、与监测机构通讯连接的处理中心和客户终端，所述监测机构包括水流监测装置、波浪监测装置、风监测装置、用于记录管节外部受力情况的管节外力监测装置、用于记录管节内部钢筋应力变化的管节内力监测装置、以及设置在管节中间截面用于监测管节姿态变化的管节姿态监测装置，所述处理中心用于存储监测机构发送的数据并转发至客户终端。

进一步地，所述风监测装置包括设置在水平面上的风速仪、与风速仪连接并转发风速仪测量的数据至处理中心的风处理器。

进一步地，所述波浪监测装置包括波浪监测仪器、与波浪监测仪器连接并转发波浪监测仪器的数据至处理中心的波浪处理器。

进一步地，所述水流监测装置包括用于监控施工过程中的剖面流参数的流速仪、与流速仪连接的浮标、与流速仪连接并转发流速仪的数据至处理中心的水流处理器。

进一步地，所述管节外力监测装置包括布置在管节系缆点、用于监控施工过程中管节系缆点的缆力的一个以上索力测试传感器，与索力测试传感器连接的数据采集仪，与数据采集仪连接的将其采集的数据转发至处理中心的索力处理器。

进一步地，所述管节内力监测装置包括用于监控施工过程中的管节内部钢筋应力变化的一个以上钢筋应力测试传感器，连接钢筋应力测试传感器的数据采集仪，连接数据采集仪并转发其采集的数据至处理中心的钢筋应力处理器。

进一步地，所述管节姿态监测装置包括布置在管节中间截面处的姿态仪、与姿态仪连接的转发数据至处理中心的无线处理设备。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

包括各种监测设备的集成，监控终端到服务器的集成，数据处理系统与数据采集设备的集成，信息管理系统与数据分析系统的集成，最终组成了高度可扩展性的开放式系统，在施工现场的工人可以根据客户终端的信息而决定是否继续施工，实现了管节施工的监控管理。

附图说明

图1是本实施例所述沉管隧道管节海上浮运和沉放施工作业监控系统的结构示意图；

图2是管节外力监测装置的位置示意图；

图3是管节姿态监测装置的位置示意图；

图4是图3的A角度视图；

图5（a）是钢筋应力测试传感器的布置面位置图，（b）中实心点是布置面的各个布置点。

图6是本实施例管节海上施工作业窗口预报方法的步骤流程图。

图示：1—监测机构；11—水流监测装置；12—波浪监测装置；13—风监测装置；

14—管节外力监测装置；15—管节内力监测装置；16—管节姿态监测装置；

2—处理中心；3—客户终端。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施方法来详细说明本实用新型，在本实用新型的示意性实施及说明用来解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

如图1所示，本实用新型所述沉管隧道管节海上浮运和沉放施工作业监控系统包括设于施工现场的监测机构1、与监测机构通讯连接的处理中心2和接收处理中心处理结果的客户终端3。其中，监测机构1包括水流监测装置11、波浪监测装置12、风监测装置13、用于记录管节外部受力情况的管节外力监测装置14、用于监控施工过程中的管节内部钢筋应力变化的管节内力监测装置15和布置在管节内中间截面用于监测施工过程中管节姿态变化的管节姿态监测装置16。监测机构1的各个监测装置通过有线或无线网络将其监测获得的数据发送给处理中心2。处理中心2将数据存储及信号并通过网络发布给现场施工管理人员的客户终端。处理中心可以是一些现有的计算机服务器，可以存储数据和处理逻辑信号，可以根据监测装置反馈的数字量进行分析和判断该测量数值是否超过预设的值。例如，风监测装置监测得到的风速值转换为数字信号，发送至处理中心分析是否超过预设值，并将结果发送至客户终端。本实用新型的处理中心利用现有的处理电路处理数字信号，依赖于现有的处理电路可以实现本实用新型的处理中心的功能，并发送至客户终端显示让现场施工人员可以判断是否满足施工条件。下面所述的处理中心的分析处理功能并不是本实用新型的处理中心所依赖实施的功能。本实用新型的处理中心并不依赖下述处理中心的分析处理功能实施，下述的处理中心分析处理功能仅作为参考示例。

在管节施工过程，一般从出坞到浮运、系泊、沉放的整个过程，考虑到浮运过程转体需要，根据每个施工过程的关键位置设置一个观测点。在观测点分别为出坞区、出坞转体区、浮运区、浮运转体区、系泊区、沉放区的位置布置水流监测装置、波浪监测装置和风监测装置。在管节的缆绳、空腔内及结构内部钢筋上布设监测点，分别监测整个施工过程中管节的受力、姿态和内力。

如图2所示，管节外力监测装置14包括布置在管节系缆点、用于监控施工过程中管节系缆点受到缆力的一个以上索力测试传感器，与索力测试传感器连接的数据采集仪，与数据采集仪连接的将其采集的数据转发至处理中心的索力处理器。多个缆力测试传感器的线缆统一连接到数据采集仪，数据采集仪采集到的数据通过索力处理器处理后转发至处理中心。观测点根据管节浮运、系泊施工过程的系缆点进行布置。在管节主要承受缆上布置，以实时获得缆力测试数据信息。

如图3所示，管节姿态监测装置包括布置在管节内中间截面处的姿态仪161、与姿态仪连接的转发数据至处理中心的无线处理设备162。姿态仪161布置在管节内中间截面处，固定安装在底板的钢板上，通过RS232线缆连接到无线处理设备162，经过其处理后的实时数据发送给处理中心。管节姿态监测装置监控施工过程中的管节姿态变化，持续监控管节施工的整个过程，以实时获得管节姿态数据信息。监测位置如图4所示的管节中的廊道内表面位置，通过刚性钢板固定到管节底板顶面。

如图5所示，管节内力监测装置包括用于监控施工过程中的管节内部钢筋应力变化的一个以上钢筋应力测试传感器，连接钢筋应力测试传感器的数据采集仪，连接数据采集仪并转发其采集的数据至处理中心的钢筋应力处理器。如图5（a）所示，钢筋应力测试传感器布置主要考虑受力较大的截面，如吊点02、系缆点01和跨中截面03所示位置（波浪弯矩最大）。如图5（b）的黑色实心点所示，分别在每个截面的侧墙、内墙、顶板和底板的钢筋布置钢筋应力测试传感器。钢筋应力测试传感器的监测数据通过线缆经过内墙汇总在中隔墙底板引出。测试数据按各截面的换算截面弯矩并结合环境参数汇总补充构成气象窗口筛选数据库，并进行数据发布。

风监测装置包括设置在水平面上的风速仪、与风速仪连接并转发风速仪测量的数据至处理中心的风处理。风速仪布置在管节施工区域的观测点，所示用于监控施工过程中的关键风速、风向。测点在海面10m高度以上，可布置在气象观测站、静止船只上。每个测点布置一个风速仪，测试数据均分别独立转发至处理中心。观测点根据管节浮运、系泊施工过程的关键施工区域进行布置，以实时获得风速数据信息，进而评估风速的影响。根据管节浮运过程的关键施工地点，测点布置在坞内、出坞口、航道浮运过程、浮运由航道转到基槽、系泊点等地方。

波浪监测装置包括波浪监测仪器、与波浪监测仪器连接并转发波浪监测仪器的数据至处理中心的波浪处理器。波浪监测仪器布置在管节施工区域的观测点，用于监控施工过程中的波谱等统计参数，统计参数经过波浪处理器处理后再发送至处理中心进行进一步处理。波浪监测仪器由浮标系统和观测系统两大部分组成，其中浮标系统由数据采集处理、数据存储、全向天线、锚泊设备等组成；观测系统由计算机、数据传输系统、无线处理设备等组成。浮标系统负责采集数据，并通过观测系统进行采集、通过无线网络对波浪时程数据进行转发，提交给监测信息存储服务器，对波浪的统计信息进行存储分析。观测点根据管节浮运、系泊施工过程的关键施工区域进行布置，分析过程为实时统计最大波高、最大波周期、有效波高、有效波周期、1/10波高、1/10波周期、平均波高、平均波周期、波浪个数、主波向及波向的16方位分布等数据。

水流监测装置包括用于监控施工过程中的剖面流参数的流速仪、与流速仪连接的浮标、与流速仪连接并转发流速仪的数据至处理中心的水流处理器。浮标、流速仪布置在管节施工区域的远场来流位置，用于监控施工过程中的流速剖面参数，包括剖面流速流向，剖面布置8-10个剖面测点，测点根据水深进行平均深度布置，用来计算管节水流力。各个测点均与水流处理器连接。每个测点布置流速仪和浮标，流速仪负责采集数据，并通过水流处理器处理后转发至处理中心。

图1中，处理中心包括管节受力与稳性分析装置和施工作业时间窗口预报装置。管节受力与稳性分析装置用于处理监测机构转发至处理中心的数据，获得管节的受力与稳性计算结果。所述施工作业时间窗口预报装置用于处理管节受力与稳性分析装置的受力与稳性结果并发送最终结果至客户终端。其中，管节受力与稳性分析装置包括用于分析管节施工过程中的状态，获得其受力与稳性数据的水动力计算分析处理器和用于存储受力与稳性数据的管节受力与稳性数据库存储器。

进一步地，管节受力与稳性分析装置还包括定时器，其用于在设定时间通知水动力计算分析处理器对监测机构监测的数据进行水动力计算，得到管节受力与稳性数据，并存储至管节受力与稳性数据库存储器。这样设置的好处是可以监测需要的时间的管节受力与稳性数据，减少其它一些非关键时间和环节所测量的数据，减少管节受力与稳性数据库存储器中非关键受力与稳性数据的数量，以进行更加准确的计算和分析，减少分析量，减轻硬件的负担。

施工作业时间窗口预报装置包括施工数据库存储器、施工作业时间窗口和网页发布模块。施工数据库存储器用于预存的施工作业时间窗口限制性条件，即管节的受力与稳性判断条件。根据管节的受力与稳性判断条件可以筛选出哪些受力与稳性数据符合施工要求。这些预设的施工作业时间窗口限制性条件已经存储在施工数据库存储器中。通过存储器等硬件存储这些数据，通常使用一个存储分隔多个分区存储，或者多个不同的硬件存储器进行分别存储，施工作业时间窗口分别访问这些存储器。施工作业时间窗口包括第一处理单元、第二处理单元和第三处理单元。其中，第一处理单元根据管节受力与稳性数据库存储器存储的受力与稳性计算结果，通过风浪模型、潮流模型分析，进行气象参数限制条件与气象窗口筛选得到风浪流预测数据。第二处理单元用于根据管节受力与稳性数据库存储器存储的受力与稳性数据对应的气象水文参数、筛选得到气象水文限制性条件。也就是说，获得施工作业时间窗口限制性条件对应的气象水文限制性条件。第三处理单元用于根据施工作业时间窗口限制性条件对风浪流预测数据进行筛选，得到具体管节施工窗口。网页发布模块用于发布管节受力与稳性数据、具体管节施工窗口至现场施工的客户终端。

如图6所示，本实施例所述管节海上施工作业窗口预报方法，包括以下步骤：

S10：设置在现场的监测机构包括水流监测装置、波浪监测装置、风监测装置、管节外力监测装置、管节姿态监测装置分别发送各自在施工现场的检测数据至处理中心。

S20：管节受力与稳性分析装置处理监测机构发送至处理中心的数据，获得管节受力与稳性结果。

S30：施工作业时间窗口预报装置处理受力与稳性计算结果得到气象水文限制性条件与施工作业时间窗口并将其发送至客户终端。

其中，管节受力与稳性分析装置处理监测机构发送至处理中心的数据包括气象水文参数分析和管节受力与稳性数据分析。气象水文参数分析运用风浪流统计方法统计施工区域各重现期的风速风向、流速流向及垂向分布、浪高与周期、各波向各级波高分布、各级浪高出现的天数，统计环境参数的年月分布情况。管节受力与稳性数据分析结合水动力学计算分析方法，首先针对环境数据统计分析的结果，建立各施工过程各种可能管节受力与稳性计算工况。每个计算工况包括波高、周期、风速、风向、流速、流向、施工位置的基槽开挖深度等参数。通过水动力学势流理论、系泊分析计算方法得出相应的管节受力与稳性数据，包括风浪流荷载、最大缆力、平均缆力、管节六自由度运动响应的平均值最大值及幅值。建立管节受力与稳性数据库，作为管节施工过程筛选分析结果的集合，提供基础数据给气象窗口筛选分析。

气象水文限制性条件确定方法包括以下内容：

气象水文限制性条件是对于管节整个施工过程中浮运系泊沉放过程水动力计算分析结果的集合，集合中每个方案数据包括条件参数与结果参数。条件参数包括风速、风向；浪周期、浪高、浪向；流速、流向等参数。结果参数包括环境风浪流等环境荷载结果、运动响应结果、系泊等外部荷载计算结果及其他外力计算结果等参数。根据气象水文参数可以得到施工作业时间窗口。气象水文限制性条件主要根据以下方法确定：

1、确定气象水文参数中哪些参数对实际管节受力与稳性产生重要性的影响，获得关键气象水文参数。考虑U=[风速，风向，浪高，浪向，浪周期，流速，流向]条件参数；根据管节受力与稳性数据库结果，分析以上参数对管节受力与响应贡献的比例和重要程度。一般来说，在近海涌浪环境下，流速流向起主要作用，浪高、浪向和浪周期起第二重要作用。但如果波浪级别到达一定级别（大浪、巨浪），浪高、浪向和浪周期则起主要作用了。管节施工干舷一般较低，风参数对于管节受力与响应起次要作用。关键气象水文参数就是不同的条件参数的影响重要性的顺序排列。不同情况下，关键气象水文参数不同。

2、根据施工作业窗口限制性条件，即管节的受力与稳性数据计算关键受力与稳性参数的极限值，确定关键气象水文参数限制性条件。关键气象水文参数限制性条件即关键气象水文参数的极限值。分析过程的集合必须包含整个施工过程可能遭遇的关键气象水文参数以及管节的受力与稳性计算结果。管节的受力与稳性计算结果通过受力与稳性数据对应的关键气象水文参数判断。从管节的受力与稳性计算结果出发，找到对应的关键气象水文参数，从而确定关键气象水文限制性条件。即对于关键气象水文参数U=[风速，风向，浪高]，对应的受力与稳性数据V=[风力Fx，风力Fy，波浪力Fx，波浪力Fy，流力Fx，流力Fy，总力Fx，总力Fy，最大缆力Tmax，缆力平均值Tavg，缆力变化幅值Tf，缆力比例系数r（最大缆力与平均缆力之比），管节跨中截面弯矩作用力Mc，关键吊点截面弯矩作用力Md，系缆墩截面弯矩作用力Mt]，通过受力与稳性判断条件，如总力Fy<150t，进而确定关键气象水文参数U的极限值的过程。

3、判断关键气象水文限制性条件之间存在相互独立关系或严格优选关系。流速、流向、浪高、浪周期、浪向等关键气象水文参数相互独立。管节为长条形状，各关键气象水文参数都存在不同的作用效应，需作为独立变量来进行考虑。即如果不考虑风的情况，建立施工作业时间窗口限制性条件可通过一系列向量来建立：U=[浪高，浪向，浪周期，流速，流向]，如[0.8，S，6，1.0，S]表示当浪向S、浪周期6s、浪高不超过0.8m，流向S，流速不超过1.0m/s。不同的关键气象水文参数之间的联系不同，有些关键气象水文参数与其它的环境参数是相互影响，不可或缺的。因此需要找出这些关键气象水文参数之间的关系，避免因为漏判造成最终结果的不准确。

4、分析过程的任意两个方案数据对于特定的受力与稳性数据和关键气象水文参数，存在相互独立，即不能同时剔除或严格优选关系，即可剔除一个的关系。如对于[U,V]的集合，根据受力与稳性数据V，对于关键气象水文参数U=[风速，风向，浪高，浪向，浪周期，流速，流向]，定义流向、浪向为独立变量，流速、浪高、浪周期为可比较变量，对于任意两个Ui、Uj有少于等于3个变量相同，即定义相互独立，如果Ui、Uj为4个相同参数与一个不同的可比较变量，则根据比较关系可剔除一个。对于某个条件参数，可以指定某个切除值，当方案数据的条件参数值低于或高于时表明该方案数据可剔除。未被排除的方案数据的关键气象水文限制性条件即为气象水文限制性条件。

上述1-2点为方案数据的构成条件，3-4点为多属性参数的筛选的优势法与满意值法的描述。优势法为对于不同的两个[U,V]方案存在相互独立（不能同时剔除）或严格优选关系（即可剔除一个），满意值法对于某个关键参数，对于[U,V]的集合可以指定某个切除值，当[U,V]中某个参数值低于或高于时表明该方案可剔除。本实用新型采用基于优势法和满意值法的方案筛选方法，通过对受力与稳性数据进行分析，模拟不同条件参数的筛选，最终得到水文气象限制性条件。

例：波高0.8m，流速1.0m/s，流向N，不同周期5s、6s、7s，考虑不同波向的波浪作用下的缆力比例系数r计算结果构成{[U,V]}。取施工作业窗口限制性条件Vmax=[安全系数r<1.5]，可得对应不同波向的波浪周期的关键气象水文限制性条件{Umax}。

气象水文限制性条件对风浪流预测数据进行筛选，得到施工作业时间窗口、发布施工作业时间窗口的方法包括以下内容：

对于在整个管节的浮运和沉放空间过程中的每一个监测点，不同时序风浪流预测和监测数据不同。针对空间过程中每个监测点预测的风浪流数据，确定其是否为施工作业窗口范围内点，并根据该监测点监测的风浪流数据判断是否需要进行施工作业窗口的更新。其关键点就是对于每个监测点的预测风浪流数据进行筛选判断。气象水文限制性条件集合有一个优先序列，并存在最优解方案，可根据这个最优解决方案确定监测点预测的风浪流数据的时间是否满足施工作业窗口限制性条件。如在已经满足施工作业窗口限制性条件的时间窗口（08-1905：00～08-1922：00），方案{A1=（流速0.7m/s，方向SSE，…），A2=（流速0.8m/s，方向S，…），A3=（流速0.75m/s，方向SE，）}，则监测点的预测风浪流数据（流速0.7m/s，方向181°，…，08-1922：10）中流速的值均小于或等于方案A1、A2和A3中的流速值，其满足条件。根据水流角度与正北方向夹角进行最近匹配可得优先序列为（A2，A1，A3）。A2即为最优解，即可根据A2的时间点将窗口条件更新为（08-1905：00～08-1922：10）。以上仅为单流速方向情况，实际情况仍需考虑不同流向、不同浪向、不同风向进行优先排序选择最优解。采用基于权值的判断算法，给定监测点监测的风浪流数据，即气象水文参数U_ij，对流向、浪向、风向设置不同权值w_j表征不同重要程度，其他条件参数权值为零。对每个方案计算总权值取最小值即为获得最优气象水文限制性条件。通过对监测点监测的风浪流数据，即气象水文参数的条件参数进行筛选，可以判断对应的监测点的预测的风浪流数据是否满足气象水文限制性条件而更新施工作业时间窗口。当预测的风浪流数据满足气象水文限制性条件时，扩展施工作业时间窗口，将预测的时间点的时间加入到符合管节施工作业条件的时间窗口内。

以上对本实用新型实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本实用新型实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (7)

1.一种沉管隧道管节海上浮运和沉放施工作业监控系统，其特征在于：包括设置在施工现场的监测机构、与监测机构通讯连接的处理中心和客户终端，所述监测机构包括水流监测装置、波浪监测装置、风监测装置、用于记录管节外部受力情况的管节外力监测装置、用于记录管节内部钢筋应力变化的管节内力监测装置、以及设置在管节中间截面用于监测管节姿态变化的管节姿态监测装置，所述处理中心用于存储监测机构发送的数据并转发至客户终端。

2.根据权利要求1所述的沉管隧道管节海上浮运和沉放施工作业监控系统，其特征在于：所述风监测装置包括设置在水平面上的风速仪、与风速仪连接并转发风速仪测量的数据至处理中心的风处理器。

3.根据权利要求1所述的沉管隧道管节海上浮运和沉放施工作业监控系统，其特征在于：所述波浪监测装置包括波浪监测仪器、与波浪监测仪器连接并转发波浪监测仪器的数据至处理中心的波浪处理器。

4.根据权利要求1所述的沉管隧道管节海上浮运和沉放施工作业监控系统，其特征在于：所述水流监测装置包括用于监控施工过程中的剖面流参数的流速仪、与流速仪连接的浮标、与流速仪连接并转发流速仪的数据至处理中心的水流处理器。

5.根据权利要求1所述的沉管隧道管节海上浮运和沉放施工作业监控系统，其特征在于：所述管节外力监测装置包括布置在管节系缆点、用于监控施工过程中管节系缆点的缆力的一个以上索力测试传感器，与索力测试传感器连接的数据采集仪，与数据采集仪连接的将其采集的数据转发至处理中心的索力处理器。

6.根据权利要求1所述的沉管隧道管节海上浮运和沉放施工作业监控系统，其特征在于：所述管节内力监测装置包括用于监控施工过程中的管节内部钢筋应力变化的一个以上钢筋应力测试传感器，连接钢筋应力测试传感器的数据采集仪，连接数据采集仪并转发其采集的数据至处理中心的钢筋应力处理器。

7.根据权利要求1所述的沉管隧道管节海上浮运和沉放施工作业监控系统，其特征在于：所述管节姿态监测装置包括布置在管节中间截面处的姿态仪、与姿态仪连接的转发数据至处理中心的无线处理设备。