海底管道聯(lián)鎖軟體排鋪設工程測量

馬 平 劉曉建

1.申能（集團）有限公司，上海 201103；2.上海液化天然氣有限責任公司，上海 200021

0 前言

上海LNG 項目海底管道管徑為36 in（914.4 mm），總長35.86 km，是目前國內管徑最大的海底輸氣管道。該項目海底管線施工采用鋪管船法預先鋪設管線，然后用挖溝施工船采用高壓沖水方式挖出滿足設計深度的管溝，使管道在重力的作用下下沉到溝里，回填后使管道達到穩(wěn)定狀態(tài)。

該管線交越5 條海底光纜 （以下簡稱CP1、CP2、CP3、CP4、CP5），為保護海底光纜，不能在交越處附近進行后挖溝， 該范圍的管線不得不直接鋪設在海床上，海床運動和波流沖刷使管道懸空，而沖蝕懸空會造成海底管道破壞［1］。為了保證海底管線運行的安全性，在鋪設管道完畢后，必須在交越區(qū)上方拋填配塊石、混凝土聯(lián)鎖軟體排等加以保護［2］。 鋪設的混凝土聯(lián)鎖軟體排和海底管道的相對位置是否達到設計要求，是影響該段海底管道穩(wěn)定性的關鍵因素。

進行海床和海底管道工程測量運用的技術主要包括：單波束測深、多波束測深、淺地層剖面、側掃聲納等，海底管道常規(guī)探測使用較多的是單波束或多波束測深結合淺層剖面技術，側掃聲納技術在大口徑海底管道上方鋪設混凝土聯(lián)鎖塊的測量尚屬首次。 本文結合上海LNG 項目海底輸氣管線工程鋪設混凝土聯(lián)鎖軟體排后工程測量的實例，對相關問題作了初步探討。

1 測量范圍和主要設備

1.1 工程測量范圍

測量范圍見圖1，即CP1、CP2、CP3、CP4、CP5 的5 條海底光纜與管道的交越處。

1.2 主要測量設備

測量設備見表1。

2 測量工作

2.1 平面定位及高程測量方法的選擇

2.1.1 平面定位方法的選擇

平面定位主要分三種：RBN-DGPS 方式、 星站差分定位方式、RTK-DGPS 方式。 由于探測工作都是水上作業(yè)，在利用側掃聲納技術探測時，一般都采用GPS 來進行平面定位。

一般對于管線絕對位置要求相對稍低（dm 級）的沿海工程項目，多采用RBN-DGPS 方式進行平面定位［3］。海上作業(yè)范圍較大及遠海作業(yè)時，多采用星站差分技術。

圖1 工程施工區(qū)域

表1 測量設備一覽表

對位置要求較高（cm 級定位精度）的海底探測項目多采用RTK-DGPS 方式， 其定位測高的精度相對較高。由于要架設GPS 基準站，在調查費用上相對較高，同時考慮到GPS 基準站控制范圍及海上客觀條件，多適用于近海區(qū)域［4］。

本次探測因為對位置精確度的要求較高， 故采用RTK-DGPS 方式定位，在測區(qū)范圍內選擇蘆潮港水閘管理用房約12 m 高的樓頂上架設GPS 基準站。 根據(jù)計算，測區(qū)距離基準站最遠距離不大于10 km， 基準站有效工作最大距離可以有效覆蓋整個測量區(qū)域，滿足施工定位要求。

2.1.2 高程基準的確定

水深的測量精度直接關系到最終測量結果的準確性， 而合理的潮位控制是得到準確水深數(shù)據(jù)的重要保障，高程和水位應該采用工程附近的驗潮站進行水深改正。 高程基準一般選用當?shù)乩碚撟畹统泵?，水深?shù)據(jù)必須經(jīng)過潮位改正進而換算到當?shù)乩碚撟畹统泵婊鶞拭嫦碌乃钪怠?本次探測選用的基準與1985 年國家高程基準的關系，見圖2。

圖2 當?shù)乩碚撟畹统泵媾c國家高程基準面關系示意

根據(jù)海域特點，本次調查使用了蘆潮港做臨時驗潮站，同時在附近埋設工作水準點，工作水準點高程采用Leica 公司數(shù)字水準儀DNA10 從水準點按四等水準測量要求進行高程引測，驗潮站零點高程從工作水準點上接測。

水域測量時， 采用人工方式驗潮， 每10 min 讀數(shù)1次，讀數(shù)精確到1 cm。水位觀測于測量前10 min 開始，測量后10 min 結束。

2.1.3 水深測量

采用美國HYPACK 公司的HYPACK MAX 6.2 水道測量軟件， 使用RTK-DGPS 接收基準站的差分信號，與回聲測深儀同步采集平面位置和水深數(shù)據(jù)。 測深儀采集的數(shù)據(jù)通過量化自動存儲至計算機內，數(shù)據(jù)后處理同樣采用HYPACK MAX6.2 軟件。測量結束后，將實時潮位數(shù)據(jù)輸入計算機，進行水深改正、編輯，成圖。

2.2 側掃聲納測量

側掃聲納測量技術源于20 世紀60 年代， 通過發(fā)射聲波信號， 并接收海底反射回波信號形成聲學圖像，以反映海底狀況，包括目標物的位置、現(xiàn)狀、高度等［5］。在施工過程中，需測量混凝土聯(lián)鎖軟體排鋪設在管線上的準確位置，該測量是整個測量過程中最重要的一環(huán)，采用FANSWEEP 20 多波束系統(tǒng)附帶的側掃聲納探測功能對混凝土聯(lián)鎖軟體排鋪設區(qū)域進行掃測。

2.2.1 測線布設

圖3 測線布設

測線布設見圖3， 沿混凝土聯(lián)鎖軟體排及管線中心線兩側各20 m 布設2 條測線，同時在混凝土聯(lián)鎖軟體排中心位置垂直于管線方向布設一條測線，采用多條測線進行數(shù)據(jù)采集是為了多次從不同方向通過目標來產(chǎn)生記錄，同時在采集過程中必須放慢船速，得到更大的數(shù)據(jù)量和更清晰的影像，挑選出位置關系清楚的影像來對掃測數(shù)據(jù)進行處理及解釋。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集及處理

采用美國HYPACK 公司的HYPACK MAX 6.2 軟件采集多波束側掃數(shù)據(jù)并進行內業(yè)處理。 采集平面定位數(shù)據(jù)的同時接收FANSWEEP20 多波束系統(tǒng)傳來的水深數(shù)據(jù)、 船舶姿態(tài)數(shù)據(jù)， 并結合時間變量， 得到精確的RTK-DGPS 平面定位數(shù)據(jù)的側掃聲納圖像信息。 側掃聲納影像回放可以通過HYPACK MAX6.2 軟件中多波束測量模塊進行，打開多波束測量模塊，調入掃測數(shù)據(jù)文件就可以進行側掃影像回放，并且可以在圖像中點取混凝土聯(lián)鎖軟體排排布角點坐標，與設計的坐標進行比較來準確評判混凝土聯(lián)鎖軟體排的鋪設效果。以CP1 和CP3為例，截取的混凝土聯(lián)鎖軟體影像圖見圖4、5。

圖4 CP1 聯(lián)鎖軟體影像

圖5 CP3 聯(lián)鎖軟體影像

根據(jù)設計，CP1 、CP2 為長方形的排布，CP3、CP4、CP5 為異型排布，5 塊混凝土聯(lián)鎖軟體排對稱覆蓋于管線之上，通過旁掃影像圖可以清晰地判斷混凝土聯(lián)鎖軟體排與天然氣管線的相對位置， 在HYPACK MAX6.2 軟件中回放的側掃影像圖上點出混凝土聯(lián)鎖軟體排排布的角點坐標，用測得的實際鋪設坐標與設計的混凝土聯(lián)鎖軟體排排布角點坐標進行比較，從量上判斷混凝土聯(lián)鎖軟體排鋪設的情況。 長方形混凝土聯(lián)鎖軟體排CP1 的設計理論坐標及實際鋪設坐標，見表2。

表2 CP1 的設計理論坐標及實際鋪設坐標

CP1 實際鋪設的長度為33.97 m，寬度為12.00 m，在管線西側覆蓋5.28 m，東側覆蓋6.72 m。實際鋪設的混凝土聯(lián)鎖軟體排排布位置和設計位置相差不大，滿足混凝土聯(lián)鎖軟體排鋪設作業(yè)項目的預期要求，混凝土聯(lián)鎖軟體排基本均勻排布在管線交叉點，達到保護管線交叉部位的目的。 現(xiàn)將CP1 排布的設計位置和實際鋪設位置坐標在AUTOCAD 中展繪出來， 圖6 能更清晰地判斷CP1混凝土聯(lián)鎖軟體排鋪設效果。

圖6 CP1 的設計排位及實際排位對比圖

2.2.3 繪圖輸出

通過HYPACK MAX6.2 軟件的側掃數(shù)據(jù)處理模塊對側掃影像數(shù)據(jù)進行處理，通過參數(shù)設置把原以航跡線為中心的影像圖調整為實際的影像平面圖坐標， 再通過HYPLOT MAX 出圖模塊進行標準化出圖，CP1 的影像成果圖見圖7。

在圖7 中能準確辨別航跡線及管線與混凝土聯(lián)鎖軟體排之間的相對位置，滿足設計預期的要求。

圖7 CP1 的側掃影像平面圖

3 結論

本次工程測量主要采用了RTK-DGPS 進行平面定位并結合多波束旁側聲納掃測功能測量混凝土聯(lián)鎖軟體排與管線的相對位置，測量的各項精度指標均符合有關規(guī)范的要求。 形成了測量及數(shù)據(jù)處理的一整套方法和流程。

出于安全考量， 大型LNG 接收站多位于島上，LNG汽化后必須通過海底管道輸送到大陸，將增加海底輸氣管道的鋪設數(shù)量，光電纜與管道交越施工和測量將是不可回避的技術課題。

［1］ 成 磊，陳利瓊，李 桂，等. 海底天然氣懸空管道的動力學分析［J］. 天然氣與石油，2011，29（6）：20-23.

［2］ 王利金，鄒懷海. 關于海管及海纜交越現(xiàn)象的探討［J］. 石油工程建設，2002，35（5）：11-12.

［3］ 韓清國，錢夢祥，王 雷. 海流規(guī)律與GPS 定位技術在海底管道浮拖就位中的應用［J］. 石油工程建設，2002，28（2）：24-26.

［4］ 劉曉建. 單波束及淺地層剖面測量技術的應用［J］. 上海煤氣，2011，（2）：21-24.

［5］ 劉保華，丁繼勝，裴彥良，等. 海洋地球物理探測技術及其在近海工程中的應用［J］.海洋科學進展，2005，23（3）：374-383.