舒升元

武漢長(zhǎng)江航道救助打撈局

聲納法在管節(jié)沉放實(shí)時(shí)定位測(cè)量中的運(yùn)用探討

舒升元

武漢長(zhǎng)江航道救助打撈局

聲納法是一種通過(guò)超聲波進(jìn)行定位的測(cè)量方式，在管節(jié)沉放的過(guò)程中通過(guò)換能設(shè)備發(fā)出超聲波，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算其傳遞設(shè)計(jì)和傳遞距離，測(cè)量出管節(jié)在沉放過(guò)程中的準(zhǔn)確位置。因此，本文就聲納法在管節(jié)沉放實(shí)時(shí)定位測(cè)量中的運(yùn)用展開(kāi)分析和討論。

聲納法；管節(jié)沉放；實(shí)時(shí)定位測(cè)量

引言

在管節(jié)沉放工程中，實(shí)時(shí)定位測(cè)量直接關(guān)系到管節(jié)能否實(shí)行精準(zhǔn)沉放，也是整個(gè)管節(jié)施工的關(guān)鍵所在。而聲納法在管節(jié)沉放過(guò)程中，通過(guò)換能設(shè)備能夠在水下進(jìn)行超聲波測(cè)量，解決了管節(jié)沉放過(guò)程中的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)管節(jié)的精確沉放。

一、管節(jié)的形態(tài)測(cè)量

管節(jié)的形態(tài)測(cè)量是在預(yù)制過(guò)程中進(jìn)行的，在制造過(guò)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(jìn)行準(zhǔn)確的形態(tài)檢測(cè)，防止在管節(jié)的三維形態(tài)與設(shè)計(jì)上出現(xiàn)誤差。通過(guò)檢測(cè)保證管節(jié)的形態(tài)真正符合設(shè)計(jì)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(shí)的進(jìn)行處理。當(dāng)測(cè)量的關(guān)管節(jié)符合設(shè)計(jì)要求時(shí)，則需要將測(cè)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(guò)系統(tǒng)建立管節(jié)沉放模型。由于建立模型之前，管節(jié)進(jìn)行了嚴(yán)格的三維形態(tài)測(cè)量，因此定位測(cè)量的準(zhǔn)確度會(huì)極大的提升[1]。

在制作管節(jié)之前，需要在施工現(xiàn)場(chǎng)的干塢中設(shè)置若干個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通常進(jìn)行管節(jié)沉放時(shí)，測(cè)量點(diǎn)需要在干塢的兩側(cè)安裝，數(shù)量則根據(jù)實(shí)際情況而定，一般會(huì)設(shè)置2到3個(gè)，然后安裝強(qiáng)制對(duì)中設(shè)備，控制點(diǎn)的坐標(biāo)將會(huì)通過(guò)實(shí)際測(cè)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(jì)的檢測(cè)點(diǎn)為準(zhǔn)，此外標(biāo)記的點(diǎn)需要清晰可見(jiàn)，而且不易破壞。

二、聲納裝置的位置標(biāo)定測(cè)量

在管節(jié)沉放的施工過(guò)程中，需要確保聲納換能設(shè)備的準(zhǔn)確安裝和穩(wěn)定運(yùn)行。因此聲納換能設(shè)備通常會(huì)安裝在一個(gè)特殊的鋼制支架上。通常會(huì)采用不銹鋼來(lái)制作支架，在制造的過(guò)程中保障支架的剛度和耐腐蝕度。同時(shí)嚴(yán)格的把握好支架中心點(diǎn)和聲納換能設(shè)備中心點(diǎn)的對(duì)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(jìn)行管節(jié)沉放時(shí)，需要安裝四個(gè)支架，管節(jié)的前后兩端分別安裝2個(gè)。在全部安裝完成之后，可以在管節(jié)的后側(cè)一端開(kāi)始建立沉放坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)，再通過(guò)管節(jié)的三維模型數(shù)據(jù)，計(jì)算出管節(jié)的局部精確坐標(biāo)。

三、管節(jié)進(jìn)行沉放的實(shí)時(shí)定位測(cè)量

在管節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)沉放測(cè)量時(shí)，需要一共安裝14個(gè)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(gè)超聲波測(cè)量設(shè)備，共6個(gè)換能設(shè)備。在已經(jīng)沉放的管節(jié)上，兩端各安裝4個(gè)超聲波測(cè)量設(shè)備，由現(xiàn)場(chǎng)專(zhuān)業(yè)的工作人員進(jìn)行潛水安裝檢查。保證每個(gè)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(zhuān)業(yè)的信號(hào)輸入電纜將設(shè)備與測(cè)量主機(jī)連接，同時(shí)電纜需要進(jìn)行全面的檢查，保障在操作過(guò)程中不會(huì)被破壞[2]。

安裝好之后，則開(kāi)始進(jìn)行管節(jié)沉放。在進(jìn)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(yuǎn)，因此聲納檢測(cè)設(shè)備無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)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(shí)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(kāi)啟聲納檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。

在測(cè)量過(guò)程中，換能設(shè)備會(huì)發(fā)射超聲波，當(dāng)超聲波在水下經(jīng)過(guò)折射、反射和衰減之后，會(huì)由水下相應(yīng)的換能設(shè)備接收，主機(jī)相應(yīng)則根據(jù)超聲波的傳遞時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)管節(jié)的坐標(biāo)以及超聲波的傳遞時(shí)間可以計(jì)算出已沉管節(jié)和待沉管節(jié)之間的具體位置，如果計(jì)算出現(xiàn)錯(cuò)誤則系統(tǒng)會(huì)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(cè)量出具體的管節(jié)沉放三維圖之后，系統(tǒng)會(huì)一直監(jiān)視管節(jié)的沉放情況，當(dāng)管節(jié)到達(dá)沉放的臨界點(diǎn)時(shí)，則系統(tǒng)會(huì)給出警告，并開(kāi)始對(duì)管節(jié)沉放進(jìn)行精準(zhǔn)操作。

四、測(cè)量準(zhǔn)確度的研究

（一）外部因素對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響

超聲波是一種通過(guò)發(fā)聲體在介質(zhì)中發(fā)出振動(dòng)進(jìn)而傳播出去的物理現(xiàn)象，由于超聲波在水中有著極強(qiáng)的傳播能力，因此在水下工程項(xiàng)目中被廣泛應(yīng)用于空間測(cè)量以及探測(cè)。而由于水中的實(shí)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(jìn)行水下檢測(cè)時(shí)，需要對(duì)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(cè)量技術(shù)是通過(guò)采集超聲波在水中的傳遞時(shí)間來(lái)計(jì)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(shí)，超聲波測(cè)量還會(huì)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(duì)測(cè)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€(gè)測(cè)量的精度保持在毫米范圍內(nèi)，需要將檢測(cè)誤差限制在微米層次。因此在使用超聲波進(jìn)行測(cè)量時(shí)，其頻率需要滿足于測(cè)量距離以及測(cè)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(guò)聲吶定位的方法進(jìn)行水下的測(cè)量工作，尤其是管節(jié)沉放施工中，通過(guò)聲納換能設(shè)備，可以準(zhǔn)確的測(cè)量出已沉管節(jié)和待沉管節(jié)之間的距離，進(jìn)而通過(guò)主機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算，可以準(zhǔn)確的測(cè)量出管節(jié)的位置坐標(biāo)，實(shí)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(yùn)工程,2013,05：176-180.

[2]方長(zhǎng)遠(yuǎn),李惠明,梁國(guó)棟,等.管節(jié)沉放對(duì)接中環(huán)境因素對(duì)聲吶測(cè)距精度的影響[J].水運(yùn)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。