單GPS 定位系統(tǒng)在扭王字塊水下安裝中的應(yīng)用

劉大為，翟永貞

（中交第一航務(wù)工程局第一工程有限公司，天津 300456）

1 各扭王字塊安裝工藝優(yōu)缺點(diǎn)比較

阿爾及利亞斯基克達(dá)油氣港改擴(kuò)建工程項(xiàng)目兩座新建防波堤海側(cè)采用預(yù)制扭王字塊護(hù)面，最大的扭王字塊規(guī)格達(dá)到16 m3和20 m3，安裝最大水深約-17 m，墊層石坡比為3:4。扭王字塊采用海上起重船和陸地起重設(shè)備相結(jié)合的方法進(jìn)行安裝。本項(xiàng)目扭王字塊安裝是基于CLI 專利要求，與國內(nèi)傳統(tǒng)的扭王字塊安裝規(guī)則有較大的區(qū)別，其中最突出的一個(gè)差異在于，盡管都是定點(diǎn)隨機(jī)碼放，但國內(nèi)相鄰兩塊體會“碰塊”，即塊體安裝時(shí)，待安裝塊體與已安裝塊體碰撞后即可脫鉤。本項(xiàng)目CLI 專利公司對塊體的要求是同排相鄰兩塊體之間是有間距的，不可接觸，且間距的大小跟塊體的規(guī)格有關(guān)系。由于水下環(huán)境不可視，塊體安裝的精度直接影響了塊體的勾連效果和整體防護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的扭王字塊單GPS 接收機(jī)定位系統(tǒng)獨(dú)創(chuàng)性的只使用1 臺GPS 接收機(jī)和手簿即可實(shí)現(xiàn)大型扭王字塊的水下快速安裝。

各扭王字塊安裝工藝的優(yōu)缺點(diǎn)如表1 所示：

表1 各種扭王字塊安裝工藝的優(yōu)缺點(diǎn)

2 單GPS 接收機(jī)定位系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成，第一部分為GPS 定位系統(tǒng)，包括GPS 接收機(jī)一臺，手簿一臺；第二部分為固定系統(tǒng)，通過腳手管將GPS 接收機(jī)與起重設(shè)備的鋼絲吊索固定在一起。具體的安裝順序?yàn)椋?/p>

1）截取三段腳手管，單根長度約1.2 m；

2）使用十字扣件將兩根腳手管呈水平方向與鉤頭下方鋼絲繩連接；

3）將第三根腳手管通過十字扣件與前兩根腳手管連接；

4）將GPS 接收機(jī)插入至第三根腳手管內(nèi)，并調(diào)整十字扣件，使得GPS 天線中心位于鉤頭垂線上；

5）通過GPS 手簿實(shí)時(shí)顯示的偏移數(shù)據(jù)，將扭王字塊安裝在正確位置。

3 單GPS 接收機(jī)定位系統(tǒng)誤差分析與修正

3.1 誤差來源

在安裝扭王字塊時(shí)，塊體會受到風(fēng)浪影響而影響精度。這是所有安裝方法所面對的共性問題，但相比較于塊體自身的重量，這些外在因素對塊體安裝精度的影響甚微。

系統(tǒng)誤差主要來自于GPS 接收機(jī)與“三心一線”之間的偏差。三心，指的是起重設(shè)備鉤頭中心、自動(dòng)脫鉤器中心和待安裝塊體中心。一線，指的是上述“三心”所形成的鉛垂線。在重力作用下，起重設(shè)備的鉤頭中心、自動(dòng)脫鉤器中心和塊體重心必將保持在同一條鉛垂線上，否則將會產(chǎn)生偏心力矩，無法保持穩(wěn)定狀態(tài)。如果安裝的GPS 接收機(jī)天線中心偏離了此條鉛垂線，誤差便由此產(chǎn)生。此時(shí)，GPS 接收機(jī)所顯示的坐標(biāo)數(shù)據(jù)將與待安裝塊體中心產(chǎn)生差異，差異值的大小取決于GPS 天線中心距離鉛垂線的距離。

圖1 “三心一線”示意圖

3.2 誤差修正方法

為消除GPS 接收機(jī)與鉛垂線不一致帶來的系統(tǒng)誤差，需要在此定位系統(tǒng)安裝完畢后，使用雙全站儀呈90°兩個(gè)方向進(jìn)行校核和減少該誤差。具體流程為：

1）在起重設(shè)備鉤頭下方鋼絲繩上安裝好兩根水平腳手管和自動(dòng)脫鉤器，并在脫鉤器下方掛上扭王字塊，使得鋼絲繩處于繃緊狀態(tài)。根據(jù)項(xiàng)目塊體安裝區(qū)域的水深，適當(dāng)調(diào)整水平腳手管距離自動(dòng)脫鉤器的位置，使其處在水面上方2～3 m 的位置；

2）在正面架設(shè)一臺全站儀，使得目鏡十字絲豎絲對準(zhǔn)鉤頭中心、自動(dòng)脫鉤器中心；

3）在兩根水平腳手管上做好鉛垂線標(biāo)記然后安裝GPS 接收機(jī)；在測量人員的指揮下，將GPS接收機(jī)中心與棱鏡十字絲豎絲重合；

4）在垂直方向架設(shè)另外一臺全站儀，在測量人員的指揮下調(diào)整GPS 接收機(jī)的位置，使其與棱鏡十字絲豎絲重合；

5）反復(fù)在相互垂直的兩個(gè)方向上調(diào)整GPS 接收機(jī)中心位置，直至其與棱鏡十字絲豎絲重合。

3.2 系統(tǒng)誤差檢驗(yàn)

單GPS 接收機(jī)定位系統(tǒng)安裝并調(diào)試完畢以后，檢驗(yàn)該定位系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差。

1）在無風(fēng)的天氣選一開闊區(qū)域，在自動(dòng)脫鉤器下方掛一塊混凝土塊體，使得鋼絲繩處于繃緊狀態(tài)。塊體中心位置為鏤空結(jié)構(gòu)形式。

2）從自動(dòng)脫鉤器中心往下掛一個(gè)2kg 重的線墜，操作起重設(shè)備使得線墜與地面剛好接觸。根據(jù)三心一線原理，線墜的中心與塊體的重心在同一平面位置（圖2）。

圖2 系統(tǒng)誤差檢校示意圖

3）使用GPS 接收機(jī)手簿記錄此點(diǎn)的坐標(biāo)；

4）在地面上做好線墜位置的標(biāo)記，操作起重設(shè)備挪開塊體，并使用全站儀測量此點(diǎn)的坐標(biāo)。

5）如此反復(fù)40 次，比較GPS 接收機(jī)和全站儀測得的數(shù)據(jù)偏差。

根據(jù)測得的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，共有3個(gè)點(diǎn)超出2.5 cm，占比7.5 %；平均值為2.0 cm，極值為2.8 cm。表明GPS 接收機(jī)所采集的數(shù)據(jù)就是塊體重心的數(shù)據(jù)，且精度可以滿足項(xiàng)目要求。

4 實(shí)際安裝效果檢驗(yàn)

每一塊扭王字塊在安裝就位后，在脫鉤前使用GPS 手簿記錄脫鉤前的塊體坐標(biāo)。通過與理論坐標(biāo)比較，來驗(yàn)證單GPS 接收機(jī)定位系統(tǒng)的安裝效果。

安裝后，根據(jù)記錄與理論坐標(biāo)比較，超過20 cm 的塊體有3 個(gè)，占比3 %；最大偏差值為23 cm，平均偏差15 cm，相對于塊體的尺寸而言，該偏差完全不會影響后排扭王字塊與前排扭王字塊勾連，精度完全滿足CLI 安裝要求。

5 結(jié)語

1）單GPS 接收機(jī)系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)塊體定位精度不高的問題，系統(tǒng)誤差可以控制在2～3 cm，完全可以滿足CLI 安裝要求。在安裝和使用時(shí)，要特別注意調(diào)整接收機(jī)的位置來消除或減少該系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差；

2）該定位系統(tǒng)接收機(jī)處在水面以上2～3 m 位置，并非安裝在起重設(shè)備爬桿頂部，解決了陸地汽車吊無法安裝傳統(tǒng)定位系統(tǒng)問題。且本定位系統(tǒng)采用無線傳輸數(shù)據(jù)，其傳輸距離只跟塊體的安裝跨距有關(guān)，不受起重設(shè)備扒桿工作角度影響，從而減少了傳統(tǒng)定位系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差，提高了定位精度；

3）由于該系統(tǒng)定位精度較高，在待安裝扭王字塊到達(dá)安裝位置后，即可下沉自動(dòng)脫鉤，無須配合潛水員反復(fù)調(diào)整扭王字塊的位置，因而安裝速度得到大大提高；

4）該系統(tǒng)不僅適用于水下大型扭王字塊安裝，還適用于出水以后對安裝精度要求比較高的塊體，適用范圍比較廣，有很高的推廣價(jià)值。