超短基线测量技术在铺排施工中的应用

2013-08-13焦永强田维新潘贤亮

中国港湾建设 2013年3期

焦永强，田维新，潘贤亮

（上海达华测绘有限公司，上海 200136）

0 引言

超短基线的水下定位技术为铺排船的铺排施工提供了很好的测量及控制手段。较传统的利用潜水员水下探摸的方式，在铺排施工的精准控制、进度质量等方面都具有很大的优势。针对长江南京以下12.5 m深水航道一期工程铺排施工项目，通过在长江口白茆沙I标工程中实际应用，取得了良好的效果，为铺排施工提供了新的技术手段。

1 超短基线测量系统的工艺流程

1.1 系统的组成及工作原理

超短基线测量系统主要由两部分组成：发射接收单元（俗称水声换能器）及水下应答信标。换能器探头里有多个水听器，按三角形布阵，水听器之间距离只有几厘米。系统是根据声波在水中传播的往返时间及声速来测量水声换能器到水下信标的距离（S=vt/2）；利用安装在水声换能器探头中的多个水听器接收阵接收水下信标的应答信号的相位差来确定发射接收机相对船艏的方位。如图1所示，图中1、2、3相当于组装在探头内的水听器，通过1、2、3点可以定位空间中的目标物相对于A、B、C三条超短基线构成平面的空间位置（距离和方位）。就测量而言3点足以确定空间的位置，而实际上水声换能器探头内的水听器都多于3个，如英国Sonardyne公司生产的ScoutPro USBL，其水声换能器探头内装有5个水听器（图2），所组成的超短基线数量大大增加，增强了系统的冗余测量能力，提高系统的整体精度。

图1 空间目标的测量定位原理

图2 超短基线测量示意图

常用的超短基线测量系统包括：1套水声换能器探头及若干个信标，采用一对多的模式；由于铺排施工作业的特殊性，需要在铺排船的船艏、船艉分别安装1套水声换能器探头，采用两对多的方式进行排体的水下实时定位，如图3所示。

图3 超短基线铺排作业水下定位系统结构示意图

其中操控室内安装有2套控制单元及1套铺排软件施工作业系统。两组超短基线定位系统分别接收固定在排体两侧的信标所发出的回声信号进行定位，最终将测量定位信息输入到铺排软件控制系统中，系统将两组数据进行坐标转换形成符合施工要求的坐标数据，通过后处理软件及实时显示平台可以很好地监测排体在水下的位置信息，从而对铺排的施工过程进行监控，对铺设好的水下排体进行准确定位。

1.2 系统铺排作业的工艺流程

1.2.1 系统的安装

在超短基线测量系统的安装中，重点是发射接收机探头的安装，由于它是信号的发射接收系统，且内置有动态的姿态测量、艏向测量传感器，对其安装的位置、稳定性及噪声环境有一定的要求：

1）探头的安装要牢固、稳定，施工中不能发生明显的抖动；

2）探头应安装在距离船舶发动机较远、噪声较小的地方；

3）探头与水下信息的连线上应无明显的物理阻隔；

4）探头距离船舷应保持有10 cm以上的间距，且不易被碰撞。

1.2.2 系统的校准

系统的校准是确保测量结果准确的关键。校准的目的：通过一定的测量手段，测量出超短基线发射接收机安装后探头轴线方向与铺排船艏向间的角度关系，通过软件偏移改正实现探头轴向的校正，以确保测量数据成果测量的准确度。

超短基线测量系统以动态校准为主，要求船舶能够自由航行，而铺排船较难实现动态校准；项目实施中，需要结合施工船舶特性制作一个校准杆，分别在探头左右两侧水下固定好校准杆，同时利用超短基线测量系统、双RTK-DGPS测量探头与信标之间的夹角及距离，最后以RTKDGPS的测量结果为准，在超短基线测量软件中修正探头的轴向角，确保其方向值一致。

1.2.3 坐标的比对

在超短基线校准结束后，还要进行相应的坐标比对工作，同时利用超短基线测量系统、RTKDGPS测量系统测量同一个信标点的坐标，当两者互差符合施工要求后，即可进行正常的铺排施工，如比对结果不理想，要重新进行系统校准及相关配置参数的检查调整，直到符合要求为止。

1.2.4 铺排施工作业

系统校准比对结束后，即可进行相应的铺排施工。一般要准备4～6个水下定位信标，如图3所示，将信标固定在排体的边缘，分3组循环使用。每组由两个信标组成，对称分布在排体的两边，每组间距20～30 m；当某一组水下信标到达水底稳定后，测量其最终坐标并释放回收该设备，继续进行下一组的测量控制，如此循环完成整个排体的施工定位及检测工作。

在施工过程中，通过铺排软件的坐标成图、比对、报警功能实现排体铺设的测量控制，为下一张排体的铺设、搭接提供最为准确的数据成果。

2 超短基线在铺排施工中的优势

2.1 传统的方法

传统的铺排施工，水下排体搭接及位置的检测主要通过水面浮标及潜水员水下探摸来实现，浮标的移动性、潜水员的判断能力都影响铺排的质量控制及检测的精度及速度，特别在水深较深、流速较快的区域进行铺排时，拴系在排边的浮标到水面后偏移排体实际位置较多，无法准确测量并判定排体在水下的真实位置，往往会造成搭接过多或搭接不上的情况，致使返工及补排的现象屡有发生，不但影响施工进度，还影响铺排的施工质量。加之潜水员下水的风险较大，费用也较高。

2.2 超短基线测量技术的优势

与传统的铺排施工测量定位及检测方法相比，有以下几项优点：

1）可对施工中的水下排体实现实时动态定位及检测，速度快、效率高，可实现铺排施工的动态控制；

2）检测手段简单，风险小，不用配备专用的检测船及专业的潜水员，成本费用较低；

3）检测精度高，信息量丰富，有利于数据成果分析处理；

4）不受水深及排体检测点多少的影响，易于实现全覆盖检测，检测质量高。

3 应用实例

长江南京以下12.5 m深水航道一期工程铺排施工项目是长江口航道整治拓展的关键性工程，分4个标段进行铺排施工，仅白茆沙I标段的砂肋软体排、混凝土联锁软体排的铺设总量达355.1万m2，铺设工作量大，工期长，精度要求高。施工区域同时有多条大型铺排船同时作业，采用传统的铺排定位检测方式将严重制约铺排的进度。根据项目需求，在2012-10-10—11-28，先后在交建2号及交建4号铺排船上进行了铺排定位的实际应用，重点对交建4号铺排船铺设的第37号、第39号软体排进行了系统的施工定位及水下检测，两张排布长同为250 m，排宽36 m，铺设段的水深10 m，搭接要求不小于3 m。

在施工定位与检测中，将信标定位实测排体位置与理论位置的比较如图4所示。此次铺排区处于拐弯段，第37、39号排体的搭接区域最窄处在北侧，搭接宽度约3.5 m，最大处在南侧，搭接宽度约13 m，搭接符合铺排施工作业要求。

从图4可以看出：

1）排体施工实测位置与设计位置比较吻合；搭接满足设计要求；有效避免了漏铺排、补铺排及重复铺设等问题的发生，施工工效高且比较经济。