海底管道聯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定狀態。

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，必須在交越區上方拋填配塊石、混凝土聯鎖軟體排等加以保護［2］。 鋪設的混凝土聯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，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］。海上作業范圍較大及遠海作業時，多采用星站差分技術。

圖1 工程施工區域

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。 根據計算，測區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據的重要保障，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地理論最低潮面，水深數據必須經過潮位改正進而換算到當地理論最低潮面基準面下的水深值。 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 當地理論最低潮面與國家高程基準面關系示意

根據海域特點，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1次，讀數精確到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據。 測深儀采集的數據通過量化自動存儲至計算機內，數據后處理同樣采用HYPACK MAX6.2 軟件。測量結束后，將實時潮位數據輸入計算機，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、現狀、高度等［5］。在施工過程中，需測量混凝土聯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，采用FANSWEEP 20 多波束系統附帶的側掃聲納探測功能對混凝土聯鎖軟體排鋪設區域進行掃測。

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據采集是為了多次從不同方向通過目標來產生記錄，同時在采集過程中必須放慢船速，得到更大的數據量和更清晰的影像，挑選出位置關系清楚的影像來對掃測數據進行處理及解釋。

2.2.2 數據采集及處理

采用美國HYPACK 公司的HYPACK MAX 6.2 軟件采集多波束側掃數據并進行內業處理。 采集平面定位數據的同時接收FANSWEEP20 多波束系統傳來的水深數據、 船舶姿態數據， 并結合時間變量， 得到精確的RTK-DGPS 平面定位數據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，調入掃測數據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鎖軟體排的鋪設效果。以CP1 和CP3為例，截取的混凝土聯鎖軟體影像圖見圖4、5。

圖4 CP1 聯鎖軟體影像

圖5 CP3 聯鎖軟體影像

根據設計，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鎖軟體排排布角點坐標進行比較，從量上判斷混凝土聯鎖軟體排鋪設的情況。 長方形混凝土聯鎖軟體排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鎖軟體排排布位置和設計位置相差不大，滿足混凝土聯鎖軟體排鋪設作業項目的預期要求，混凝土聯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 軟件的側掃數據處理模塊對側掃影像數據進行處理，通過參數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范的要求。 形成了測量及數據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.