聲納法在管節(jié)沉放實時定位測量中的運用探討

舒升元

武漢長江航道救助打撈局

聲納法在管節(jié)沉放實時定位測量中的運用探討

舒升元

武漢長江航道救助打撈局

聲納法是一種通過超聲波進行定位的測量方式，在管節(jié)沉放的過程中通過換能設(shè)備發(fā)出超聲波，進而通過計算其傳遞設(shè)計和傳遞距離，測量出管節(jié)在沉放過程中的準(zhǔn)確位置。因此，本文就聲納法在管節(jié)沉放實時定位測量中的運用展開分析和討論。

聲納法；管節(jié)沉放；實時定位測量

引言

在管節(jié)沉放工程中，實時定位測量直接關(guān)系到管節(jié)能否實行精準(zhǔn)沉放，也是整個管節(jié)施工的關(guān)鍵所在。而聲納法在管節(jié)沉放過程中，通過換能設(shè)備能夠在水下進行超聲波測量，解決了管節(jié)沉放過程中的技術(shù)難題，實現(xiàn)管節(jié)的精確沉放。

一、管節(jié)的形態(tài)測量

管節(jié)的形態(tài)測量是在預(yù)制過程中進行的，在制造過程中管節(jié)的模板、鋼制端殼組裝、澆筑混凝土以及管節(jié)的拼裝等環(huán)節(jié)都有可能出現(xiàn)一定的誤差，因此在管節(jié)制造完成之后，需要進行準(zhǔn)確的形態(tài)檢測，防止在管節(jié)的三維形態(tài)與設(shè)計上出現(xiàn)誤差。通過檢測保證管節(jié)的形態(tài)真正符合設(shè)計需求，一旦發(fā)現(xiàn)管節(jié)的形態(tài)出現(xiàn)較大的誤差，則需要及時的進行處理。當(dāng)測量的關(guān)管節(jié)符合設(shè)計要求時，則需要將測量好管節(jié)三維形態(tài)數(shù)據(jù)輸入到管節(jié)沉放定位程序中，通過系統(tǒng)建立管節(jié)沉放模型。由于建立模型之前，管節(jié)進行了嚴格的三維形態(tài)測量，因此定位測量的準(zhǔn)確度會極大的提升[1]。

在制作管節(jié)之前，需要在施工現(xiàn)場的干塢中設(shè)置若干個監(jiān)測點，通常進行管節(jié)沉放時，測量點需要在干塢的兩側(cè)安裝，數(shù)量則根據(jù)實際情況而定，一般會設(shè)置2到3個，然后安裝強制對中設(shè)備，控制點的坐標(biāo)將會通過實際測量獲得準(zhǔn)確的坐標(biāo)。在管節(jié)治制作完成之后，需要在管節(jié)兩端的鋼制外殼中軸線位置做出標(biāo)記。標(biāo)記的間隔將根據(jù)設(shè)計的檢測點為準(zhǔn)，此外標(biāo)記的點需要清晰可見，而且不易破壞。

二、聲納裝置的位置標(biāo)定測量

在管節(jié)沉放的施工過程中，需要確保聲納換能設(shè)備的準(zhǔn)確安裝和穩(wěn)定運行。因此聲納換能設(shè)備通常會安裝在一個特殊的鋼制支架上。通常會采用不銹鋼來制作支架，在制造的過程中保障支架的剛度和耐腐蝕度。同時嚴格的把握好支架中心點和聲納換能設(shè)備中心點的對應(yīng)位置。當(dāng)管節(jié)制造完成之后，可以使用預(yù)埋件把換能設(shè)備的支架放在管節(jié)的頂端。通常在進行管節(jié)沉放時，需要安裝四個支架，管節(jié)的前后兩端分別安裝2個。在全部安裝完成之后，可以在管節(jié)的后側(cè)一端開始建立沉放坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點，再通過管節(jié)的三維模型數(shù)據(jù)，計算出管節(jié)的局部精確坐標(biāo)。

三、管節(jié)進行沉放的實時定位測量

在管節(jié)進行實時沉放測量時，需要一共安裝14個換能設(shè)備，其中包括在待沉管節(jié)的兩端位置各安裝3個超聲波測量設(shè)備，共6個換能設(shè)備。在已經(jīng)沉放的管節(jié)上，兩端各安裝4個超聲波測量設(shè)備，由現(xiàn)場專業(yè)的工作人員進行潛水安裝檢查。保證每個換能設(shè)備都已經(jīng)穩(wěn)固的安裝在管節(jié)上，當(dāng)換能設(shè)備安裝完成之后需要使用專業(yè)的信號輸入電纜將設(shè)備與測量主機連接，同時電纜需要進行全面的檢查，保障在操作過程中不會被破壞[2]。

安裝好之后，則開始進行管節(jié)沉放。在進行管節(jié)沉放的前期階段，由于已沉管節(jié)與待沉管節(jié)之間距離較遠，因此聲納檢測設(shè)備無法進行準(zhǔn)確的測量，需要使用GPS等設(shè)備輔助管節(jié)沉放的前期定位。直到管節(jié)不斷下沉，此時已沉管節(jié)和待沉管節(jié)之間的距離縮小的10米，則可以開啟聲納檢測設(shè)備進行檢測。

在測量過程中，換能設(shè)備會發(fā)射超聲波，當(dāng)超聲波在水下經(jīng)過折射、反射和衰減之后，會由水下相應(yīng)的換能設(shè)備接收，主機相應(yīng)則根據(jù)超聲波的傳遞時間進行計算，根據(jù)管節(jié)的坐標(biāo)以及超聲波的傳遞時間可以計算出已沉管節(jié)和待沉管節(jié)之間的具體位置，如果計算出現(xiàn)錯誤則系統(tǒng)會給出警告，根據(jù)換能設(shè)備的坐標(biāo)重新確定位置。當(dāng)測量出具體的管節(jié)沉放三維圖之后，系統(tǒng)會一直監(jiān)視管節(jié)的沉放情況，當(dāng)管節(jié)到達沉放的臨界點時，則系統(tǒng)會給出警告，并開始對管節(jié)沉放進行精準(zhǔn)操作。

四、測量準(zhǔn)確度的研究

（一）外部因素對測量準(zhǔn)確度的影響

超聲波是一種通過發(fā)聲體在介質(zhì)中發(fā)出振動進而傳播出去的物理現(xiàn)象，由于超聲波在水中有著極強的傳播能力，因此在水下工程項目中被廣泛應(yīng)用于空間測量以及探測。而由于水中的實際施工環(huán)境的不同，使得超聲波在水中傳遞的效果也不相同，因此在使用超聲波進行水下檢測時，需要對超聲波在水中傳播規(guī)律有著充分的了解，管節(jié)超聲波測量技術(shù)是通過采集超聲波在水中的傳遞時間來計算出管節(jié)間的距離。而距離的準(zhǔn)確程度直接影響了管節(jié)的定位精度。同時，超聲波測量還會受到水溫因素、鹽度因素、水壓因素等不同因素的影響。其中水的溫度影響最為明顯。

（二）設(shè)備對測量精度的影響

設(shè)備的影響主要在于超聲波的發(fā)射頻率上，在水中超聲波的傳播速度為1500m/s，因此為了能夠?qū)⒄麄€測量的精度保持在毫米范圍內(nèi)，需要將檢測誤差限制在微米層次。因此在使用超聲波進行測量時，其頻率需要滿足于測量距離以及測量精度。

結(jié)論

總而言之，超聲波在水中具有良好的傳播能力，因此可以通過聲吶定位的方法進行水下的測量工作，尤其是管節(jié)沉放施工中，通過聲納換能設(shè)備，可以準(zhǔn)確的測量出已沉管節(jié)和待沉管節(jié)之間的距離，進而通過主機系統(tǒng)的計算，可以準(zhǔn)確的測量出管節(jié)的位置坐標(biāo)，實現(xiàn)管節(jié)的精確沉放。

[1]吳瑞大,任朝軍,呂黃,蘇林王.沉管隧道管節(jié)沉放施工技術(shù)[J].水運工程,2013,05：176-180.

[2]方長遠,李惠明,梁國棟,等.管節(jié)沉放對接中環(huán)境因素對聲吶測距精度的影響[J].水運工程,2013,04：42-45+68.

舒升元（1970-），男，湖北監(jiān)利人，本科，工程師，港口與航道工程。