海底數(shù)據(jù)中心示范項(xiàng)目海纜登陸施工技術(shù)研究

胡紹峰 蒲 定 李均波 陳希恰 蘇 洋

（深圳海蘭云數(shù)據(jù)中心科技有限公司，廣東 深圳 518052）

0 概述

海底數(shù)據(jù)中心示范項(xiàng)目是深圳海蘭云科技有限公司在陵水清水灣海域投資建設(shè)的項(xiàng)目，其中海底數(shù)據(jù)中心的電力及光信號(hào)傳輸主要通過海底光電復(fù)合纜將電力和信號(hào)從岸上傳遞至水下的數(shù)據(jù)艙。項(xiàng)目登陸沙灘為旅游沙灘，且在近海區(qū)域有珊瑚棲息區(qū)，傳統(tǒng)明挖法會(huì)破壞生態(tài)及海域、沙灘及防護(hù)林的施工污染，對(duì)環(huán)境的影響比較大[1]。綜合考慮，這次項(xiàng)目選擇采用非開挖水平定向穿越的施工方法進(jìn)行海纜登陸施工作業(yè)。

非開挖水平定向穿越施工是20 世紀(jì)70 年代逐漸開始在給排水、電力、燃?xì)獾炔灰瞬捎瞄_挖施工領(lǐng)域的管道敷設(shè)中應(yīng)用的[2]，在海洋工程的陸海施工中也多有應(yīng)用[3]。該文以海底數(shù)據(jù)中心示范項(xiàng)目海纜登陸段施工所采用的陸海定向穿越技術(shù)為例，對(duì)陸海定向鉆穿越的施工設(shè)計(jì)與施工工藝進(jìn)行介紹。

1 陸海穿越定向鉆施工設(shè)計(jì)

1.1 地質(zhì)巖層特征

該工程對(duì)穿越路由上的地層進(jìn)行鉆孔取樣，得到的場(chǎng)地巖土層特征如下所述。

第①層中砂：松散，局部稍密狀，標(biāo)貫實(shí)測(cè)擊數(shù)為8~13擊，平均擊數(shù)為9.4 擊，fak=130 kPa，該層含黏粒較低。

第②層黏性土：可塑狀，標(biāo)貫實(shí)測(cè)擊數(shù)為9~18 擊，平均擊數(shù)為13.3 擊，fak=160 kPa。該層局部含有風(fēng)化完成的花崗巖石塊及孤石。

第③層強(qiáng)風(fēng)化花崗巖：巖體基本質(zhì)量等級(jí)屬Ⅴ類，重型動(dòng)力觸探實(shí)測(cè)擊數(shù)為10~19 擊，平均擊數(shù)為14.2 擊，fak=350kPa。水平鉆施工時(shí)須更換鉆頭或其他有效方法進(jìn)行施工。

第④層中風(fēng)化花崗巖：巖體基本質(zhì)量等級(jí)屬Ⅱ類，fak=4000 kPa。

1.2 穿越曲線設(shè)計(jì)

該工程定向鉆施工入土點(diǎn)設(shè)在岸邊，考慮到定向穿越的路徑有防護(hù)林及沙灘等多種類環(huán)境條件，尤其是防護(hù)林與沙灘之間的高差有近10 m，所以這次穿越曲線的設(shè)計(jì)將入土角度控制在13°以內(nèi)，出土點(diǎn)位于海上水深4 m~5 m 處的位置，出土角為6°左右。穿越長度為800 m 左右，穿越地層為中風(fēng)化巖層。

1.3 海纜保護(hù)管選型及回拖力計(jì)算

該工程中定向穿越的地質(zhì)條件為中風(fēng)化巖層，如果后續(xù)海纜直接回拖可能會(huì)造成海纜的外護(hù)套損傷，所以需要在定向鉆穿越施工完成后，在穿越路由安裝1 根管材，保障海纜回拖安全。在工程中常見的定向穿越的海纜保護(hù)管分為2種，一種為無縫鋼管，一種為高密度聚乙烯管材（簡稱PE管）?？紤]到鋼管回拖施工，須將鋼管分段運(yùn)輸?shù)酱?，然后在船上?duì)兩段鋼管進(jìn)行焊接后，才可以進(jìn)行回拖，其施工較為復(fù)雜且對(duì)焊接工藝的要求較高，因此選擇更具性價(jià)比的PE 管作為該工程的海纜保護(hù)管。PE 管具有密閉性能好、使用壽命長、耐腐蝕、質(zhì)量輕以及斷裂延長率較高等優(yōu)點(diǎn)[4]，對(duì)該項(xiàng)目來說，PE 管施工也較為方便，只需要通過熱熔膠進(jìn)行連接，性能較為穩(wěn)定，同時(shí)由于定向穿越的巖層為中風(fēng)化巖層，地質(zhì)情況較為穩(wěn)定，可以彌補(bǔ)PE 管抗壓性能較差的缺點(diǎn)[5]。

該工程選用的PE 管相關(guān)參數(shù)見表1，相關(guān)參數(shù)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參考GB/T 13663.2—2018 給水用聚乙烯（PE）管道系統(tǒng)（第2 部分）：管材[6]。

表1 PE 管性能表

該工程穿越PE 管型號(hào)為?355×13.6 mm，根據(jù)GB 50423—2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]的相關(guān)規(guī)定，最大回拖力計(jì)算如公式（1）所示。

式中：L為穿越長度，這次穿越段長度取800 m；f為PE 管與巖層摩擦系數(shù)，取0.6；D為PE 管外徑，取355 mm；γm為泥漿重度，取10.5 kN/m3~12.0 kN/m3；γs為PE 管重度，取9.1 kN/m3；δ為PE 管壁厚，取13.6 mm；Wf為PE 管的單位長度質(zhì)量，取0.9 kN/m，K為黏滯系數(shù)，取0.18 kN/m2；經(jīng)過計(jì)算，PE 管最大回拖力FL=232.04 kN，根據(jù)《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50423—2013[7]，最大回拖力按照取計(jì)算值的1.5~3 倍考慮，經(jīng)計(jì)算，該穿越管段定向鉆最大回拖力不宜小于510 kN。該項(xiàng)目選用的鉆機(jī)為徐州工程機(jī)械制造的XZ5060，其最大推拉力可達(dá)5300 kN，大于該工程PE 管的最大回拖力，滿足施工需求。

1.4 海纜回拖計(jì)算校核

定向鉆施工完成后，海纜敷設(shè)船將在定向鉆的出口進(jìn)行等待，通過定向鉆預(yù)留管道的內(nèi)部鋼絲與船上的海纜端頭拖拉頭進(jìn)行連接，然后由出土點(diǎn)側(cè)的絞車將海纜回拖至岸上?？紤]到海纜回拖過程中，由于海纜以及拖拉頭的距離過長，因此拖拉載荷過大，海纜被拉壞，現(xiàn)對(duì)海纜回拖的載荷進(jìn)行計(jì)算以滿足定向鉆回拖距離的校核計(jì)算。

1.4.1 海纜相關(guān)參數(shù)

本次選用的海纜形式為海底光電復(fù)合纜，其用于回拖校核的相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 海纜回拖校核相關(guān)參數(shù)

1.4.2 海纜回拖計(jì)算校核

本次海纜回拖拉力計(jì)算如公式（2）所示。

式中：T為回拖載荷，T≤min{Fq，F(xiàn)l}/γ0，其中，γ0取1.25；T1為初始拉力，由于海纜提前會(huì)隨鋼絲一起進(jìn)入定向鉆出土點(diǎn)位置，其載荷可忽略不計(jì)。

經(jīng)計(jì)算：海纜牽引的安全距離L為911.2 m，其大于設(shè)計(jì)的定向穿越距離800 m，因此海纜抽拉校核結(jié)果滿足回拖要求。

2 定向鉆重點(diǎn)施工方案

2.1 施工流程

本次定向穿越的施工流程如下：施工現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備→測(cè)量放線定位→入土點(diǎn)夯管施工→定向鉆設(shè)備安裝調(diào)試→泥漿配置→導(dǎo)向孔鉆進(jìn)→擴(kuò)孔→洗孔→PE 管回拖→海纜回拖→海纜陸上錨固施工。

2.2 鉆機(jī)場(chǎng)地布置及鉆具組合

定向鉆岸上入土側(cè)布置如圖1 所示，其中鉆機(jī)布置位置位于定向鉆施工入土點(diǎn)位置，其他相關(guān)設(shè)備及設(shè)施的布置根據(jù)鉆機(jī)位置進(jìn)行布置，布置場(chǎng)地的尺寸為15m×40m。

圖1 定向鉆岸上入土側(cè)布置圖

海上出土側(cè)作業(yè)區(qū)域布置采用駁船進(jìn)行PE 管回拖。駁船將固定在出土側(cè)，主要用于PE 管預(yù)制、鉆桿打撈、PE 管回拖及相關(guān)輔助支持。

2.3 導(dǎo)向及定位系統(tǒng)

為了保證該工程的定向穿越作業(yè)，使用MGS 型有線地磁導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)向作業(yè)，有線導(dǎo)向系統(tǒng)的基本原理如下：在每鉆進(jìn)1 根鉆桿后，導(dǎo)向探測(cè)器測(cè)量出每根鉆桿所改變的水平角度和縱向角度（精度達(dá)到0.01°），根據(jù)每根鉆桿鉆進(jìn)的長度（即單根鉆桿長度，可以在船上測(cè)出），計(jì)算（通過地表計(jì)算機(jī)內(nèi)的控向軟件）每鉆進(jìn)1 根鉆桿鉆進(jìn)后鉆頭的三維坐標(biāo)值（即鉆進(jìn)1 根鉆桿后，在長度、深度、左右偏差的改變值）。采用MGS 導(dǎo)向系統(tǒng)能夠在鉆進(jìn)過程中實(shí)時(shí)顯示鉆進(jìn)將要調(diào)整的方向，并實(shí)時(shí)生成導(dǎo)向孔曲線，且具有較強(qiáng)的抗磁場(chǎng)干擾能力，滿足該工程穿越長度和深度的控向精度要求。在開鉆前，將設(shè)計(jì)穿越曲線輸入系統(tǒng)中，就可以實(shí)時(shí)顯示導(dǎo)向孔實(shí)際曲線與設(shè)計(jì)曲線在深度、左右方向上的差值，直接指導(dǎo)控向和操鉆人員的下一步曲線調(diào)整操作。

除了使用地磁導(dǎo)向外，還將使用海上定位磁靶對(duì)導(dǎo)向探測(cè)器進(jìn)行海上輔助定位。輔助定位間距為100 m/次~200 m/次。根據(jù)出、入土點(diǎn)標(biāo)定的GPS 坐標(biāo)，建立穿越中心線的GPS 坐標(biāo)系，GPS 鉆頭跟蹤測(cè)量儀發(fā)射磁信號(hào)，鉆頭探測(cè)器接收到信號(hào)后，計(jì)算鉆頭相對(duì)穿越中心線的位置。

2.4 導(dǎo)向孔鉆進(jìn)

定向鉆鉆進(jìn)前，首先進(jìn)行鉆具設(shè)置，結(jié)合該工程的項(xiàng)目特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的鉆具組合如下：鉆機(jī)→5-5/8"鉆桿→230 mm無磁鉆鋌→311 mm 斜板鉆頭，具體鉆具設(shè)置如圖2 所示。

圖2 導(dǎo)向孔施工示意圖

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁┑娜胪咙c(diǎn)、出土點(diǎn)坐標(biāo)，嚴(yán)格按控向系統(tǒng)調(diào)校程序進(jìn)行調(diào)校；在鉆進(jìn)過程中控向人員及監(jiān)測(cè)人員隨時(shí)監(jiān)視和控制穿越曲線情況，避免鉆進(jìn)過程中的急劇調(diào)向，以防卡鉆；這次磁方位角測(cè)量將在鉆頭穿越出套管后使用地面輔助定位系統(tǒng)測(cè)量磁方位角，將在鉆頭鉆出50m~100m 后設(shè)定穿越磁方位角。并在之后的鉆進(jìn)過程中進(jìn)行復(fù)測(cè)和糾偏，保證穿越精度；在鉆進(jìn)過程中，根據(jù)設(shè)計(jì)的每根鉆桿的全角變化率，確定控向基本參數(shù)；鉆孔施工同時(shí)采用人工校驗(yàn)法，探測(cè)器對(duì)信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行采集，從而計(jì)算探頭的位置；當(dāng)鉆頭接近地方設(shè)施時(shí)，使用鉆頭輔助定位系統(tǒng)的測(cè)深功能，保證這次穿越與第三方設(shè)施的安全距離。

2.5 擴(kuò)孔、洗孔施工

鉆頭從海底出土后，由潛水員將鉆頭從海底經(jīng)過出土側(cè)鉆桿龍門支架打撈至駁船上，卸掉導(dǎo)向鉆頭，連接擴(kuò)孔器，開始進(jìn)行擴(kuò)孔工作。當(dāng)擴(kuò)孔時(shí)，海上駁船的拋錨位置與導(dǎo)向孔階段的船舶位置相同，拆除入土側(cè)鉆桿支撐導(dǎo)向套管，由支撐樁支撐海水中的鉆桿。

擴(kuò)孔計(jì)劃見表3。

表3 導(dǎo)向孔、擴(kuò)孔、洗孔計(jì)劃表

擴(kuò)孔鉆具組合如下：鉆機(jī)→8-5/8"鉆桿→（扶正器）→擴(kuò)孔器→8-5/8"鉆桿；具體鉆具組合如圖3 所示。

圖3 擴(kuò)孔施工示意圖

在擴(kuò)孔過程中，按照設(shè)計(jì)要求適當(dāng)?shù)卦黾幽酀{排量，控制回拖速度。一級(jí)擴(kuò)孔完成后，分析成孔情況，再用同級(jí)別擴(kuò)孔器進(jìn)行清孔。

當(dāng)擴(kuò)孔和清孔時(shí)，要保持足夠的排量，入土點(diǎn)配備2 臺(tái)大功率泥漿泵，單泵額定排量為2 m/min。在擴(kuò)孔中時(shí)刻注意泥漿壓力及返漿的情況，發(fā)現(xiàn)返漿量減少及時(shí)停工，處理妥當(dāng)后才可以繼續(xù)擴(kuò)孔。

2.6 管道與海纜回拖

導(dǎo)向孔擴(kuò)孔完成后，開始進(jìn)行PE 管回拖，PE 管回拖的方向是從出土點(diǎn)向入土點(diǎn)進(jìn)行回拖，PE 管會(huì)提前放在駁船上進(jìn)行擺放并進(jìn)行熔接，首段PE 管需要與鉆頭進(jìn)行套管安裝，安裝后的PE 管如圖4 所示。安裝完成后，岸上鉆機(jī)開始回收鉆桿，同時(shí)開始PE 管的回拖，在PE 管回拖期間，需要在駁船上觀察PE 管下放速度，并與入土點(diǎn)的司鉆保持密切聯(lián)系，確保PE 管不會(huì)在回拖過程中被破壞，回拖完成后，需要對(duì)回拖的PE 管進(jìn)行岸側(cè)固定，并對(duì)施工過程中產(chǎn)生的泥漿進(jìn)行回收處理。

圖4 出土點(diǎn)套管安裝示意圖

PE 管回拖完成后，駁船收錨并撤離施工現(xiàn)場(chǎng)，海纜敷設(shè)船舶進(jìn)場(chǎng)后進(jìn)行拋錨布場(chǎng)，然后開始海纜的回拖，海纜回拖方向從鋪纜船上向陸地進(jìn)行回拖。

回拖時(shí)鉆具連接方式如下：鉆機(jī)→鉆桿→旋轉(zhuǎn)接頭→“U”形環(huán)→海纜。

在海纜回拖的整個(gè)過程中要根據(jù)鉆機(jī)顯示回拖力的大小控制回拖的速度；確?；赝线^程中海纜所受拉力處于許用拉力范圍內(nèi)。海纜回拖完成后需要對(duì)海纜進(jìn)行絕緣及光纖的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果滿足要求后再對(duì)已回拖的海纜進(jìn)行錨固固定，保證登陸海纜滿足在位要求。

3 結(jié)語

海底數(shù)據(jù)中心示范項(xiàng)目作為國內(nèi)首次將數(shù)據(jù)中心布放在海底的海洋新基建項(xiàng)目，其中海纜登陸施工作為該項(xiàng)目電力與通信輸送的重要通道施工，對(duì)整個(gè)項(xiàng)目具有重要的意義，該項(xiàng)目采用陸海定向穿越施工，工期為40 天（含設(shè)備自動(dòng)復(fù)原），與明挖施工方案相比，節(jié)省工期約20 天。在環(huán)境要求較高的海南陵水清水灣進(jìn)行該項(xiàng)目定向穿越施工過程中，沒有對(duì)海洋環(huán)境及穿越路徑上的沙灘和防護(hù)林造成影響，為國內(nèi)類似的海底數(shù)據(jù)中心海纜登陸設(shè)計(jì)與施工提供參考。