大水深沉管管节用三维横向测绳定位装置及方法与流程

本发明属于沉管安装测控，尤其涉及一种大水深沉管管节用三维横向测绳定位装置及方法。

背景技术：

1、目前沉管安装水下定位测量方法主要有四种，分别是全站仪法、gnss-rtk法、声呐法和机械拉线法。其中，gnss-rtk法是较为成熟的测量方法，但是该方法是基于测量塔实现的，随着管节安装水深增加，测量塔高度需要增加，高度过高会使测量误差及安全风险不可控，故该方法主要用于浅水区域。

2、在大型沉管隧道工程中，沉管水下安装精度要求高，且沉管水下安装横向轴线精度控制难度大。随着大型沉管隧道安装逐渐向外海、深水方向发展，无测量塔的沉管安装测量方法是未来发展趋势。如何在无测量塔的情况下保证测量精度，使待安装管节与已安装管节精准对接，已成为亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对相关技术中存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种大水深沉管管节用三维横向测绳定位装置及方法，在没有测量塔的情况下保证测量的高精度，解决深水区域沉管沉放对接难题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种大水深沉管管节用三维横向测绳定位装置，包括：

4、箱体，箱体内设有腔室，箱体上设有与腔室连通的开孔；

5、转轴系统，转轴系统设于腔室内，转轴系统包括第一旋转件和第二旋转件，第二旋转件设于第一旋转件上，第一旋转件纵向旋转，第二旋转件横向旋转；

6、连接件，连接件内设有中空腔，连接件的一端与第二旋转件连接，连接件的另一端经箱体上的开孔伸出箱体；

7、绕线器，绕线器设于腔室内；

8、测绳，测绳缠绕于绕线器上，测绳的第一端部固定连接于绕线器上，测绳的第二端部穿过中空腔伸出至箱体外部；

9、固定件，固定件连接测绳的第二端部，固定件用以将测绳的第二端部固定在测量点处；

10、测量系统，测量系统设于腔室内，测量系统用以测量测绳的拉伸长度、测量连接件的横向偏转角和纵向偏转角。

11、在其中一些实施例中，绕线器包括转轴、电机和绕线筒，电机具有输出轴，电机的输出轴与转轴连接，绕线筒设于转轴上，绕线筒表面设有螺纹，测绳缠绕设于绕线筒上，测绳位于螺纹内。

12、在其中一些实施例中，大水深沉管管节用三维横向测绳定位装置还包括排线器，排线器设于腔室内，排线器与绕线器连接，以使测绳均匀分布在绕线筒表面的螺纹内。

13、在其中一些实施例中，测量系统包括：

14、第一编码器，第一编码器设于转轴上，第一编码器的输出轴与转轴同轴，第一编码器用以测量测绳的拉伸长度；

15、第二编码器，第二编码器设于第二旋转件上，第二编码器的输出轴与第二旋转件同轴，第二编码器用以测量连接件的横向偏转角；

16、单轴倾斜仪，单轴倾斜仪设于连接件上以测量连接件的纵向偏转角。

17、在其中一些实施例中，转轴系统还包括安装架，第一旋转件和第二旋转件设于安装架上。

18、在其中一些实施例中，大水深沉管管节用三维横向测绳定位装置还包括底座，底座固定在箱体底部，底座上设有用以标定方向的标记。

19、一种大水深沉管管节用三维横向测绳定位方法，采用上述的大水深沉管管节用三维横向测绳定位装置，以三维横向测绳定位装置的第二编码器的旋转平面为参考面，以三维横向测绳定位装置的第二编码器的旋转轴为主轴，以连接件与第二旋转件连接的端部为旋转中心，旋转中心与参考面和主轴的交点为同一点，方法包括如下步骤：

20、s1、将至少两个三维横向测绳定位装置分别安装在待安装管节的左右两侧，安装位置低于待安装管节的管顶且靠近对接面，安装后，参考面与待安装管节侧面垂直、主轴与待安装管节的管顶垂直；

21、s2、获取三维横向测绳定位装置的标定数据：

22、标定旋转中心在船体坐标系中的坐标，标定主轴与船体坐标系参考面的横向夹角，标定主轴与船体坐标系参考面的竖向夹角，标定连接件与船体坐标系参考面平行时单轴倾斜仪的读数，标定测绳的初始长度，标定测绳在初始长度状态下的第一编码器读数，标定测量点在已安装沉管坐标系中的位置；

23、s3、将固定件固定在测量点处，根据标定数据，获取三维横向测绳定位装置的测量数据：

24、旋转中心在三维横向测绳定位装置坐标系中的坐标为（0，0，0），第一编码器测得旋转中心到测量点的测绳长度为l，第二编码器测得连接件的横向偏转角为b，单轴倾斜仪测得连接件的纵向偏转角为a；

25、s4、设测量点在三维横向测绳定位装置坐标系中坐标为（x，y，z），，则，，；

26、s5、设通过贯通测量得到测量点在施工坐标系中的坐标为（xc,yc,zc），旋转中心在施工坐标系中的坐标为（xg,yg,zg），则，,；

27、其中，为待安装管节的沉管轴线在施工坐标系中的方向角。

28、在其中一些实施例中，在使用三维横向测绳定位装置进行测量前，待安装管节已相对已安装管节粗定位，使待安装管节与已安装管节轴线一致，在步骤s4中，为测量点与三维横向测绳定位装置沿当前管节轴线方向的距离，为测量点与三维横向测绳定位装置沿垂直当前管节轴线方向的横向距离，为测量点与三维横向测绳定位装置在竖直方向的高程差。

29、在其中一些实施例中，在步骤s5中，待安装管节与已安装管节轴线一致，采用已安装管节的沉管轴线在施工坐标系中的方向角。

30、在其中一些实施例中，大水深沉管管节用三维横向测绳定位方法还包括s6：根据步骤s2~s5，获取多个旋转中心在施工坐标系中的坐标，根据旋转中心在沉管坐标系中坐标，计算待安装管节的沉管轴线的方向。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

32、1、本发明提供的大水深沉管管节用三维横向测绳定位装置在使用时安装在待安装管节上，固定件将测绳端部固定在已安装管节的测量点上，在沉管管节沉放对接过程中，测绳随待安装管节移动并带动连接件，测量系统测量测绳的拉伸长度、连接件的横向偏转角和纵向偏转角，测量的精度高，可以保证深水区域沉管精准沉放对接。

33、2、本发明提供的大水深沉管管节用三维横向测绳定位方法，采用大水深沉管管节用三维横向测绳定位装置，测量不受水深限制，测量过程中无需体型庞大的测量塔仍能保证测量精度，且舾装作业量少，不影响现场紧急情况下的撤船。

技术特征：

1.一种大水深沉管管节用三维横向测绳定位装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的大水深沉管管节用三维横向测绳定位装置，其特征在于，所述绕线器包括转轴、电机和绕线筒，所述电机具有输出轴，所述电机的输出轴与所述转轴连接，所述绕线筒设于所述转轴上，所述绕线筒表面设有螺纹，所述测绳缠绕设于所述绕线筒上，所述测绳位于所述螺纹内。

3.根据权利要求2所述的大水深沉管管节用三维横向测绳定位装置，其特征在于，还包括排线器，所述排线器设于所述腔室内，所述排线器与所述绕线器连接，以使所述测绳均匀分布在所述绕线筒表面的螺纹内。

4.根据权利要求2所述的大水深沉管管节用三维横向测绳定位装置，其特征在于，所述测量系统包括：

5.根据权利要求1所述的大水深沉管管节用三维横向测绳定位装置，其特征在于，所述转轴系统还包括安装架，所述第一旋转件和第二旋转件设于所述安装架上。

6.根据权利要求1所述的大水深沉管管节用三维横向测绳定位装置，其特征在于，还包括底座，所述底座固定在所述箱体底部，所述底座上设有用以标定方向的标记。

7.一种大水深沉管管节用三维横向测绳定位方法，其特征在于，采用权利要求4所述的大水深沉管管节用三维横向测绳定位装置，以三维横向测绳定位装置的第二编码器的旋转平面为参考面，以三维横向测绳定位装置的第二编码器的旋转轴为主轴，以连接件与第二旋转件连接的端部为旋转中心，旋转中心与参考面和主轴的交点为同一点，所述方法包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的大水深沉管管节用三维横向测绳定位方法，其特征在于，在使用三维横向测绳定位装置进行测量前，待安装管节已相对已安装管节粗定位，使待安装管节与已安装管节轴线一致，在步骤s4中，x为测量点与三维横向测绳定位装置沿当前管节轴线方向的距离，y为测量点与三维横向测绳定位装置沿垂直当前管节轴线方向的横向距离，z为测量点与三维横向测绳定位装置在竖直方向的高程差。

9.根据权利要求8所述的大水深沉管管节用三维横向测绳定位方法，其特征在于，在步骤s5中，待安装管节与已安装管节轴线一致，f采用已安装管节的沉管轴线在施工坐标系中的方向角。

10.根据权利要求9所述的大水深沉管管节用三维横向测绳定位方法，其特征在于，还包括s6：根据步骤s2~s5，获取多个旋转中心在施工坐标系中的坐标，根据旋转中心在沉管坐标系中坐标，计算待安装管节的沉管轴线的方向。

技术总结
本发明公开了一种大水深沉管管节用三维横向测绳定位装置及方法，属于沉管安装测控技术领域。该装置包括箱体、转轴系统、连接件、绕线器、测绳、固定件和测量系统。箱体具有腔室，箱体上设有与腔室连通的开孔。转轴系统、绕线器和测量系统设于腔室内。转轴系统包括第一旋转件和第二旋转件，连接件的一端与第二旋转件连接，另一端经箱体上的开孔伸出箱体。测绳缠绕于绕线器上，测绳一端穿过连接件至箱体外部。固定件连接测绳端部以将测绳端部固定在测量点处。测量系统用以测量测绳的拉伸长度、测量连接件的横向偏转角和纵向偏转角。本发明提供的大水深沉管管节用三维横向测绳定位装置及方法可以保证测量的高精度，使深水区域沉管精准沉放对接。

技术研发人员：刘兆权,锁旭宏,闫浩文,宁进进,李振洪,苏小宁,杨树文,杨维芳,张德津,张超,郝雪莹,管明雷
受保护的技术使用者：中交第一航务工程局有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4