海底管道联锁软体排铺设工程测量

2013-12-23刘晓建

天然气与石油 2013年1期

马平刘晓建

1.申能（集团）有限公司，上海 201103；2.上海液化天然气有限责任公司，上海 200021

0 前言

上海LNG 项目海底管道管径为36 in（914.4 mm），总长35.86 km，是目前国内管径最大的海底输气管道。该项目海底管线施工采用铺管船法预先铺设管线，然后用挖沟施工船采用高压冲水方式挖出满足设计深度的管沟，使管道在重力的作用下下沉到沟里，回填后使管道达到稳定状态。

该管线交越5 条海底光缆（以下简称CP1、CP2、CP3、CP4、CP5），为保护海底光缆，不能在交越处附近进行后挖沟，该范围的管线不得不直接铺设在海床上，海床运动和波流冲刷使管道悬空，而冲蚀悬空会造成海底管道破坏［1］。为了保证海底管线运行的安全性，在铺设管道完毕后，必须在交越区上方抛填配块石、混凝土联锁软体排等加以保护［2］。铺设的混凝土联锁软体排和海底管道的相对位置是否达到设计要求，是影响该段海底管道稳定性的关键因素。

进行海床和海底管道工程测量运用的技术主要包括：单波束测深、多波束测深、浅地层剖面、侧扫声纳等，海底管道常规探测使用较多的是单波束或多波束测深结合浅层剖面技术，侧扫声纳技术在大口径海底管道上方铺设混凝土联锁块的测量尚属首次。本文结合上海LNG 项目海底输气管线工程铺设混凝土联锁软体排后工程测量的实例，对相关问题作了初步探讨。

1 测量范围和主要设备

1.1 工程测量范围

测量范围见图1，即CP1、CP2、CP3、CP4、CP5 的5 条海底光缆与管道的交越处。

1.2 主要测量设备

测量设备见表1。

2 测量工作

2.1 平面定位及高程测量方法的选择

2.1.1 平面定位方法的选择

平面定位主要分三种：RBN-DGPS 方式、星站差分定位方式、RTK-DGPS 方式。由于探测工作都是水上作业，在利用侧扫声纳技术探测时，一般都采用GPS 来进行平面定位。

一般对于管线绝对位置要求相对稍低（dm 级）的沿海工程项目，多采用RBN-DGPS 方式进行平面定位［3］。海上作业范围较大及远海作业时，多采用星站差分技术。

图1 工程施工区域

表1 测量设备一览表

对位置要求较高（cm 级定位精度）的海底探测项目多采用RTK-DGPS 方式，其定位测高的精度相对较高。由于要架设GPS 基准站，在调查费用上相对较高，同时考虑到GPS 基准站控制范围及海上客观条件，多适用于近海区域［4］。

本次探测因为对位置精确度的要求较高，故采用RTK-DGPS 方式定位，在测区范围内选择芦潮港水闸管理用房约12 m 高的楼顶上架设GPS 基准站。根据计算，测区距离基准站最远距离不大于10 km，基准站有效工作最大距离可以有效覆盖整个测量区域，满足施工定位要求。

2.1.2 高程基准的确定

水深的测量精度直接关系到最终测量结果的准确性，而合理的潮位控制是得到准确水深数据的重要保障，高程和水位应该采用工程附近的验潮站进行水深改正。高程基准一般选用当地理论最低潮面，水深数据必须经过潮位改正进而换算到当地理论最低潮面基准面下的水深值。本次探测选用的基准与1985 年国家高程基准的关系，见图2。

图2 当地理论最低潮面与国家高程基准面关系示意

根据海域特点，本次调查使用了芦潮港做临时验潮站，同时在附近埋设工作水准点，工作水准点高程采用Leica 公司数字水准仪DNA10 从水准点按四等水准测量要求进行高程引测，验潮站零点高程从工作水准点上接测。

水域测量时，采用人工方式验潮，每10 min 读数1次，读数精确到1 cm。水位观测于测量前10 min 开始，测量后10 min 结束。

2.1.3 水深测量

采用美国HYPACK 公司的HYPACK MAX 6.2 水道测量软件，使用RTK-DGPS 接收基准站的差分信号，与回声测深仪同步采集平面位置和水深数据。测深仪采集的数据通过量化自动存储至计算机内，数据后处理同样采用HYPACK MAX6.2 软件。测量结束后，将实时潮位数据输入计算机，进行水深改正、编辑，成图。

2.2 侧扫声纳测量

侧扫声纳测量技术源于20 世纪60 年代，通过发射声波信号，并接收海底反射回波信号形成声学图像，以反映海底状况，包括目标物的位置、现状、高度等［5］。在施工过程中，需测量混凝土联锁软体排铺设在管线上的准确位置，该测量是整个测量过程中最重要的一环，采用FANSWEEP 20 多波束系统附带的侧扫声纳探测功能对混凝土联锁软体排铺设区域进行扫测。

2.2.1 测线布设

图3 测线布设

测线布设见图3，沿混凝土联锁软体排及管线中心线两侧各20 m 布设2 条测线，同时在混凝土联锁软体排中心位置垂直于管线方向布设一条测线，采用多条测线进行数据采集是为了多次从不同方向通过目标来产生记录，同时在采集过程中必须放慢船速，得到更大的数据量和更清晰的影像，挑选出位置关系清楚的影像来对扫测数据进行处理及解释。

2.2.2 数据采集及处理

采用美国HYPACK 公司的HYPACK MAX 6.2 软件采集多波束侧扫数据并进行内业处理。采集平面定位数据的同时接收FANSWEEP20 多波束系统传来的水深数据、船舶姿态数据，并结合时间变量，得到精确的RTK-DGPS 平面定位数据的侧扫声纳图像信息。侧扫声纳影像回放可以通过HYPACK MAX6.2 软件中多波束测量模块进行，打开多波束测量模块，调入扫测数据文件就可以进行侧扫影像回放，并且可以在图像中点取混凝土联锁软体排排布角点坐标，与设计的坐标进行比较来准确评判混凝土联锁软体排的铺设效果。以CP1 和CP3为例，截取的混凝土联锁软体影像图见图4、5。

图4 CP1 联锁软体影像

图5 CP3 联锁软体影像

根据设计，CP1 、CP2 为长方形的排布，CP3、CP4、CP5 为异型排布，5 块混凝土联锁软体排对称覆盖于管线之上，通过旁扫影像图可以清晰地判断混凝土联锁软体排与天然气管线的相对位置，在HYPACK MAX6.2 软件中回放的侧扫影像图上点出混凝土联锁软体排排布的角点坐标，用测得的实际铺设坐标与设计的混凝土联锁软体排排布角点坐标进行比较，从量上判断混凝土联锁软体排铺设的情况。长方形混凝土联锁软体排CP1 的设计理论坐标及实际铺设坐标，见表2。

表2 CP1 的设计理论坐标及实际铺设坐标

CP1 实际铺设的长度为33.97 m，宽度为12.00 m，在管线西侧覆盖5.28 m，东侧覆盖6.72 m。实际铺设的混凝土联锁软体排排布位置和设计位置相差不大，满足混凝土联锁软体排铺设作业项目的预期要求，混凝土联锁软体排基本均匀排布在管线交叉点，达到保护管线交叉部位的目的。现将CP1 排布的设计位置和实际铺设位置坐标在AUTOCAD 中展绘出来，图6 能更清晰地判断CP1混凝土联锁软体排铺设效果。