水下插桩定位系统在导管架吊装中的应用.pdf

针对海上导管架吊装水下插桩到海底已有钢管桩内的作业难点，通过使用高精度定位设备、罗经、姿态仪和无线网桥，组建集测量导管架位置、高程、方位和姿态于一体的三维定位系统，接入定位软件中，实现实时显示导管架的位置、高程、方位、姿态和导管架桩腿插尖分别距每个海底钢管桩的平面距离和垂直距离，用于指导导管架吊装作业。在广东阳江某海上风电项目中，将该定位系统应用于风机导管架吊装作业中，实现了数字化和可视化作业指导，快捷地完成吊装作业，对后续类似项目具有参考意义。关键词：定位测量；坐标转换；导管架吊装；水下插桩；海上风电中图分类号：P229.51 引 言导管架基础为海洋结构平台常见的结构，常采用与多根海底钢管桩相连接的方式，作为稳定坚固的基础平台。导管架因强度高、重量轻、受海流作用小等特点，在海洋石油平台、海上风电以及其他资源开发领域中2 得到广泛应用，适用于不同的水深、地质条件下的海洋平台结构项目中。导管架施工工艺根据沉桩和放置导管架的前后顺序关系分为先桩法和后桩法2-3。先桩法是指先打桩后放导管架的工艺，先将几根钢管桩打入海底，然后将导管架桩腿插人到已打钢管桩内2,4-6 ,该方法对沉桩定位精度和导管架施工精度要求较高，但对导管架吊装桩腿插桩定位方法研究较少。后桩法是指先放导管架后打桩的工艺，先将导管架安装在海上设计位置上，然后将基础钢管桩插人到导管架套筒里进行打桩3,7-9,吊装导管架简单，主要是在沉管过程中保证导管水平度，该方法不存在导管架桩腿插桩问题。本文围绕先桩法中导管架吊装过程中的桩腿水下插桩的难点，以广东阳江某海上风电项目为背景,对导管架桩腿水下插桩到海底已有钢管桩内的定位法展开论述，使用高精度仪器设备，组建三维定位系统，通过开发软件系统，解决了导管架桩腿高精度插桩过程,实现了二维数字化和三维可视收稿日期：2 0 2 2-0 5-14；修回日期：2 0 2 2-0 7-0 1基金项目：交通运输部天津水运工程科学研究所科研创新基金（TKS20220303）。作者简介：郝建录（198 7-），男，山西山阴人，工程师，硕士，主要从事海洋测绘与卫星导航定位技术研究。文献标志码：B文章编号：16 7 1-30 44(2 0 2 3)0 3-0 0 30-0 4化作业指导。使用该方法能较快捷地完成海上导管架吊装作业，对后续类似项目具有一定的参考意义。2导管架吊装技术要求及流程以广东阳江某海上风电项目四桩导管架基础吊装为例,在前期完成4根钢管桩沉桩后,不同机位的钢管桩桩顶标高(198 5国家高程基准)分别为-16 m、-18m和-2 1m,需将导管架4根桩腿在水下分别插人到4根钢管桩内。导管架吊装完成后,需满足以下精度要求：导管架中心位置偏差1.5m；导管架法兰面标高偏差在0 0.2 0 0 m内；导管架方位角偏差3；导管架法兰盘水平度3%o。导管架桩腿外半径为1.0 40 m,钢管桩内半径为1.145m,两者间隙理论上仅为0.10 5m，又因沉桩中心位置允许偏差0.040m,从而增加了导管架桩腿水下插桩难度。导管架吊装水下插桩流程简述如下：（1）船舶就位。选择合适的天气作业窗口，根据风浪方向，浮吊船选择合适的向进行就位，导管架运输驳船与浮吊船呈T字型或一字型靠泊就位。因导管架安装采用独立于船舶的插桩定位系统,所以船舶就位的向不用完全与导管架设计轴线的方位一致。(2)起吊导管架。浮吊船旋转吊机至导管架正上方，利用4根吊索起吊导管架；同时悬挂2 条导管架与船舶的稳索,用于导管架的方位调整,驳船退第3期出，导管架下水。(3)组建定位系统。为了进行导管架桩腿高精度水下插桩，导管架顶部上主要配置了高精度GNSS（g l o b a l n a v i g a t i o n s a t e l l i t e s y s t e m）星站差分接收机或RTKGPS天线、罗经、姿态仪、无线数据传输设备、光伏电源等仪器设备，组成集定位、定高、定向、定姿于一体的三维定位系统。通过定位软件解析无线网桥传输的测量数据，实现导管架实时测量与显示。（4)导管架水下插桩定位。通过定位软件,解算出导管架的关键信息参数,如导管架的中心位置、高程、方位角、姿态和4根桩腿插尖距海底已有钢管桩中心的平面距离和垂直距离等信息，用于调整浮吊船吊钩的位置（旋转、变幅、移船等方式），将导管架中心调整至已沉4根钢管桩的对角线交点处,旋转导管架方位,将导管架4根桩腿插尖与水下4根钢管桩对齐,之后慢慢将导管架下放,完成插桩定位。3组建定位系统吊装作业中,指挥者需要知道导管架的实时位置、高程、方位及导管架桩腿插尖与海底已有钢管桩中心的相对位置、高程关系，方可指挥导管架水下插桩作业。为此，需要组建一套集定位、定高、定向、定姿于一体的三维定位系统,来实时显示导管的位置、高程、方位、姿态和桩腿插尖的三维位置及桩腿插尖与海底已有钢管桩的相对关系,实现数字化指导吊装作业。3.1建立导管架三维坐标系为了确定导管架的任一点的位置、高程等信息，需要建立导管架三维坐标系。坐标系原点的选取具有任意性，可任取一点作为原点,如导管架顶部中心点为原点;坐标轴X、Y、Z呈“右手定则”,如X轴正方向指向导管架顶部右侧中点，Y轴正方向指向导管架顶部前向中点,则导管架天向为Z轴正方向。当管节三维坐标系建立后，导管架上任意一点在管节坐标下的三维位置便可确定。使用全站仪测量，确定出定位设备安装位置和4根桩腿插尖在管节坐标系下的坐标。3.2系统组成通过在导管架上安装高精度定位设备（GNSS接收机或RTKGPS天线）、电罗经、姿态仪、无线网桥、光伏电源，完成系统设备组建。定位设备用于测量导管架的位置与高程；电罗经用于测量导管架的向；姿态仪用于测量导管架的横倾角度和纵倾角度；无线网桥用于将上述所有测量数据实时无线传输至浮吊船指挥控制室导航定位电脑中，完成数据调试工作，并实现多个客户端访问；光伏电源给导管郝建录，等：水下插桩定位系统在导管架吊装中的应用架上所有仪器设备供电。作业前，需要对电罗经、姿态仪的初始安装误差进行标定，使得测量数据与导管架的向、姿态一致，来消除安装误差。定位软件接收上述定位数据、罗经数据和姿态数据，并输入设备安装参数、设备标定值和任意点（如导管架中心、桩腿插尖)的管节坐标到定位软件中,经过坐标解算，得到导管架的位置、高程、方位、姿态、任意点的三维坐标、桩腿插尖的插桩相对距离等数据。3.3坐标转换方法在作业时,首先要知道导管架中心及桩腿插尖等特征点在空间直角坐标系的坐标,因此需要将这些点在导管架坐标系的坐标XYZ换算成空间直角坐标系的坐标XYZ.,通过绕坐标轴X、Y、Z分别旋转8 xv8yv8z角度,然后将坐标原点分别平移X。、Y、Z,原理图10 1见图1,换算如公式(1)。X,XX7Y=Y。+R(8 x)R(s y)R(s z)YZZZZTYYTxX图1坐标转换原理示意图10R(8x)=0cOS8xsin&x0-sin&xcOS8xJcos8y0-sin&yR(8)=010Lsingy0cOS8YcOS8zsin8z07R(&z)=-sin8zcOS820L001式中,8 xv8yv8z分别为导管架的纵倾角度、横倾角度、向角度的相反数。从大地坐标系到空间直角坐标系的转换关系方法10 ,可根据公式(5)计算。从空间直角坐标到大地坐标系的转换方法11,可根据公式(7)计算。其中X、Y、Z为空间直角坐标;B、L、H 分别为纬度、经度和大地高;、b 分别为参考椭球的长半轴和短半轴。31(1)0(2)(3)(4)323.4软件系统的实现使用C#作为定位软件系统的开发语言，利用WPF技术构建用户界面,构建数据接收与处理模块、图形加载模块、网络通信等模块，实现了设备数据的接收、解析和处理，导航文件的加载，测量信息的显示，硬件设备间的局域网通信等功能。将计算机三维实时显示技术引入到定位软件中。通过实时的三维坐标和姿态数据将导管架以立体的形式动态显示；同时利用钢管桩的沉桩数据将海底已有钢管桩以立体的形式静态显示。从多个角度观察插桩的三维场景，实时显示和量取插桩的相对距离和方位，监测导管架的动态变化，实现导管架吊装数字化、可视化水下插桩作业指导。3.5加载导航文件为了将导管架桩腿插入到海底已有钢管桩内,需要知道准确的钢管桩中心位置和桩顶高程,作为已知点,编辑成导航文件；另外由于风场障碍物较多,包括风机、升压站和海底电缆等物体,也将这些障碍物编辑为导航文件，避免施工船舶不经意间的失误造成巨大的经济损失。导航文件加载后，显示在定位软件中,将导管架桩腿直接导航至海底已有钢管桩上,同时也可以避开障碍物,起到提醒和警示作用。4导管架水下插桩定位4.1导管架安装过程导管架吊装前，完成导管架上的定位设备、传输设备安装调试，在指挥室导航定位软件中，正常显示导管架的位置、高程、方位、姿态及导管架桩腿插尖距离海底已有钢管桩的相对位置、高程关系,所有数据每秒更新一次。吊装作业过程中，首先，浮吊船根据导管架的定位信息，移船至导管架安装位置附近，通过定位软件海洋测绘X,=NcosBcosL显示的位置、方位、距离等信息和动态画面，利用左Y,=NcosBsinL(5)Z=N(1-e)sinB_a2-6b2e=aN=/1-e sinB(XT)L=arctan(Y）(Z+NesinB)B=arctanVX+YH=/X,+Y,secB-N第43卷右绞车调整导管架的方位，通过吊机调整变幅、旋转角和移动船位,使得导管架桩腿位于钢管桩正上方；其次,根据桩腿插尖到钢管桩中心的水平距离和垂直距离,精确调整导管架最低桩腿插尖,与钢管桩中(6)心完全重合，松勾下放导管架，同时反复调整水平距离，使的最低桩腿顺利进人钢管桩内；再次,利用同样方法,将其余桩腿插入钢管桩内，继续下放导管架,直至导管架坐落在钢管桩顶上，下方过程中，需要注意导管架的姿态变化；最后，导管架插桩完成(7)后，潜水员或ROV等手段进行水下检查导管架与钢管桩的结合情况，测量导管架的最终安装位置、高程、方位和法兰面平整度。4.2应用案例该定位软件系统在广东阳江某海上风电项目中四桩导管架安装过程得到应用，实现了数字化和可视化作业指导导管架水下插桩作业，高效地完成2 0套风机导管架安装作业。以57#机位风机导管架安装为例,经过1个多小时就完成将导管架插桩到海底已有钢管桩内,安装后定位结果为：导管架中心绝对位置偏差0.44m，远小于1.5m的要求；导管架法兰面高程偏差0.070m，远小于0.2 0 0 m的要求；导管架方位角偏差0.11,远小于3的要求；导管架法兰面水平度0.4%o,远小于3%的要求。导管架吊装精度远高于设计要求，得到业主、监理的认可和肯定，同时也说明了组建集于一体的三维定位系统的可行性和正确性。4.3技术特点该定位系统解决了导管架水下插桩的难题,具有如下特点。（1)导管架三维定位。通过定位软件可解算出导管架上任意点的实时三维坐标，尤其是桩腿插尖的三维坐标,进而解算出插尖到钢管桩的平面距离和垂直距离，对水下插桩起着至关重要的作用。(2)远距离高精度定位。项目采用高精度GNSS星站差分接收机或RTKGPS实现高精度定位。RTK GPS定位精度虽高,但会受到与基站距离的限制，目前可达2 0 km12;高精度GNSS星站差分接收机精度略低于RTK GPS,但不受距离影响,精度稳定。两者结合，可实现近远海高精度测量。（3）导管架姿态实时监测。通过导管架顶部安装姿态传感器，实时监测导管架的横倾角度和纵倾角度变化。因受到海流、涌浪、船舶稳定性的影响，导管架桩腿插尖会发生摇晃，通过姿态监测，可以实第3期时反应出插尖的动态变化，以便找准时机进行插桩。(4)导管架插桩三维可视化。通过软件解算和三维显示,可从多个角度观察插桩的三维场景。实时显示和量取插桩的相对距离和方位，实现数字化、可视化指导水下插桩过程。（5)提高工作效率。通过三维显示、测量和实时姿态监测，容易把握插桩时机，提高了工作效率。(6)提高安全性。因测量数据为无线传输,无需传统测量员在现场观测，提高了测量员的安全性。同时导管架插桩过程中,无需常规潜水员水下观测插桩过程与指导,减少了潜水员的作业风险。5结束语通过给导管架安装测量设备，组建了实时测量导管架位置、高程、方位和姿态于一体的三维定位系统，将测量数据无线传输至控制室中开发的软件系统中,解算出导管架实时的位置、高程、方位、姿态和插桩过程中相对距离,并以二维、三维图像形式显示,多个角度观察插桩过程，实现了数字化、可视化指导水下插桩过程，解决了先桩法中导管架水下插桩的难题,无需潜水员进行水下指导插桩,提高了工作效率和安全性。经过广东阳江某海上风电项目中2 0 个风机导管架在不同作业水深（-16 m、-18 m 和-2 1m)环境中安装应用,较快捷地完成吊装作业，对后续类似导管架吊装项目具有参考意义。若使用或开发更高精度的定位仪器设备，同时结合该定位系统的优点，有Application of underwater insertion pile positioning system in jacket hoistingHAO Jjanlul-3,QIN jan-2-3,HANG Yanchang-2-3,EI Peng(1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Tianjin 300456,China;2.Tianjin Survey and Design Institute for Water Transport Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300456,China;3.Tianjin Key laboratory of Surveying and Mapping for Waterway Transport Engineering,Tianjin,300456,China)Abstract:In view of the difficulty of underwater inserting piles into existing steel piles on the seabed during offshorejacket hoisting,the three-dimensional positioning system which is a system to measure the position,elevation,azimuthand attitude of the jacket is established by using high-precision positioning equipment,compass,attitude sensor andwireless bridge.In order to guide the jacket hoisting operation,the positioning software can display measurementresults which are the position,elevation,azimuth and attitude of the jacket and the plane distance and vertical distancefrom the jacket pile leg tip to each subsea steel pile in real time.In an offshore wind power project in Yangjiang,Guangdong Province,the positioning system has been applied to quickly hoist wind turbine jacket and realize digitaland visual guidance,which has reference significance for subsequent similar projects.Key words:positioning measurement;coordinate conversion;jacket hoisting;underwater insertion pile;offshorewind power郝建录,等：水下插桩定位系统在导管架吊装中的应用33望被推广至更深水域进行海上大型结构物的安装或对接。参考文献：1江波，张权，林毅峰.水下导管架打桩内插式定位装置P.中国:CN105672317A,2016.6.15.2范荣山，张健.深水导管架在海上风电项目的施工方法探讨J.水电与新能源,2 0 2 0,34（9）：32-35.3李林山.海上风电水下四桩导管架的施工方法J.工程建设与设计,2 0 18(18)：199-2 0 0.4马涛,余镇江，林晓，等。一种海上风电升压站先桩法外套式导管架的施工工艺P.中国：CN111945767A,2020.11.17.5 张成芹,刘璐，黄艳红，等.基于附着式稳桩装置安装深水导管架的施工工艺P.中国：CN111101496A，2020.05.05.6管鹏程，王宏.海上升压站先桩法导管架水下施工技术J.船舶工程,2 0 2 1,43(S1):127-133.7朱绍华.文昌油田深水导管架安装技术J.中国海上油气(工程),2 0 0 3,15(1):12-15.8李世杰，李军安.浅谈深水导管架安装定位方法J.科技情报开发与经济，2 0 10,2 0（4）：2 0 7-2 0 8.9刘宏洲,王峡平,洛成，等.海上风电桩靴式导管架基础施工关键技术J.水电与新能源,2 0 2 2,36(4)：1-5.10孔祥元,郭际明.控制测量学M.武汉：武汉大学出版社,2 0 0 6.11】廖永生,陈瑞波,王龙波.从地方坐标系到2 0 0 0 国家大地坐标系的转换方法J.海洋测绘，2 0 10,30（5）：6-8.12孙庆祥,马立新，倪煜准.RTKGPS在钻井平台对接定位引导中的应用J.海洋测绘，2 0 0 8,2 8（3）：55-58.1,2,3