國內(nèi)海底管道后挖溝施工技術(shù)

柳宇，黃海濱，曲有杰，陳俊友，李晶

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518067）

0 引言

隨著海洋石油的開發(fā)向大型化及深水化發(fā)展，海底管道遇到越來越復(fù)雜的海洋工程環(huán)境。近年來，一些海域有發(fā)生海管漂移、漁船拋錨拖拉等海管損傷事故，引起了相關(guān)各方的高度重視，為保證海管安全，設(shè)計(jì)單位對海管的挖溝處理提出了較高的要求。

海管挖溝處理可根據(jù)挖溝相對于海管鋪設(shè)的時(shí)間分為：1）預(yù)挖溝。即先挖溝，再進(jìn)行海管鋪設(shè)到管溝，預(yù)挖溝法多用于較淺水域，例如過河管線、海管登陸段部分等，對于特殊海床，例如地貌凹凸不平、巖石質(zhì)海底等部位也常采用預(yù)挖溝法。預(yù)挖溝挖溝土方量大、開溝寬度大，對管線不存在損傷風(fēng)險(xiǎn)。2）邊鋪管邊挖溝。在管道鋪設(shè)過程中進(jìn)行挖溝，使管道落入管溝，此種方法對挖溝設(shè)備要求高，適用于海管穩(wěn)定性不能滿足要求，需鋪設(shè)后立即挖溝的情況。3）后挖溝。在管道鋪設(shè)完成后，用挖溝機(jī)在管道上進(jìn)行挖溝，后挖溝方法一般多用于較深水域，此種挖溝方法處理土方量少。目前，國內(nèi)建成的海底管道，除了登陸的管道外，大多采用后挖溝[1]。

本文以海油工程股份有限公司近幾年來國內(nèi)海管后挖溝項(xiàng)目為例，介紹海管后挖溝的工作特點(diǎn)、主要設(shè)備參數(shù)和作業(yè)流程，以為未來海底管道后挖溝項(xiàng)目實(shí)施提供借鑒。

1 國內(nèi)外挖溝機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 挖溝機(jī)分類

挖溝機(jī)根據(jù)破土形式可分為：1）噴射式挖溝機(jī)。噴射式挖溝機(jī)根據(jù)在挖溝過程中是否與海管接觸又可分為接觸式挖溝機(jī)和非接觸式挖溝機(jī)。2）犁式挖溝機(jī)。3）機(jī)械切割挖溝機(jī)。機(jī)械切割挖溝機(jī)根據(jù)機(jī)械切割形式可分為鏈?zhǔn)酵跍蠙C(jī)、盤狀旋削式挖溝機(jī)和柱狀銑削式挖溝機(jī)。挖溝機(jī)根據(jù)行進(jìn)方式可分為：1）自行式挖溝機(jī)。自行式挖溝機(jī)可分為ROV式挖溝機(jī)和履帶式挖溝機(jī)。2）牽引式挖溝機(jī)。牽引式挖溝機(jī)可分為懸掛式挖溝機(jī)、滑靴拖曳式挖溝機(jī)和犁式挖溝機(jī)[2-3]。

1.2 國外挖溝機(jī)現(xiàn)狀

國外在海管挖溝技術(shù)和設(shè)備方面均比較成熟，制造了多種形式的水下挖溝機(jī)，包括噴射式、機(jī)械切割式、犁式、ROV式等多種形式，基本覆蓋了所有的土壤情況，表1為國外主要挖溝機(jī)運(yùn)營商挖溝機(jī)參數(shù)[2]。

表1 國外挖溝機(jī)參數(shù)

1.3 國內(nèi)挖溝機(jī)現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)的挖溝設(shè)備大多為噴射式，可處理剪切強(qiáng)度在80 kPa以下的土壤，平均作業(yè)水深為0～120 m，單遍挖溝深度最大可達(dá)4.5 m，挖溝速度普遍為1.5～2.0 km/d，可用于淺水及登陸段海管挖溝，表2為國內(nèi)主要挖溝機(jī)運(yùn)營商挖溝機(jī)參數(shù)。

表2 國內(nèi)挖溝機(jī)參數(shù)

2 海底管道犁式后挖溝技術(shù)

犁式挖溝機(jī)的工作機(jī)理是在外部牽引力的作用下（如圖1）采用機(jī)械犁刃裂解翻拋土壤成預(yù)定溝型。犁式挖溝機(jī)特點(diǎn)是：1）需要大系柱拖力DP2支持母船拖曳前進(jìn)；2）質(zhì)量大（一般自重約為100～200 t），體積大，需要船舶A吊作為收放系統(tǒng)；3）作業(yè)水深可達(dá)500 m；4）爬坡能力不小于10°。犁式挖溝的優(yōu)點(diǎn)是：1）適合土壤剪切強(qiáng)度在30～100 kPa條件下的挖溝作業(yè)；2）挖溝成型好；3）作業(yè)效率高；4）可進(jìn)行重復(fù)挖溝[2]。以下以樂東22-1/15-1海管挖溝項(xiàng)目為例說明犁式挖溝工作流程。

圖1 海管犁式挖溝機(jī)

1）項(xiàng)目概況。樂東22-1/15-1項(xiàng)目地處南海西部地區(qū)，海管管徑為24 in，作業(yè)水深為10～95 m，海管挖溝長度約為60 km，挖溝深度為1.8 m；土壤最大剪切強(qiáng)度為120 kPa。

2）APP挖溝犁規(guī)格。尺寸為19.5 m×10 m×8 m；質(zhì)量（空氣/水中）為135 t/120 t；破土強(qiáng)度≤300 kPa。

3）工作流程。海管預(yù)調(diào)查及海管路由障礙物清理；船舶DP測試，挖溝犁收放測試和入水測試，然后船舶挪位至海管起始挖溝點(diǎn)旁50 m處就位；下放挖溝犁至海床上約10 m位置，然后進(jìn)行功能檢查和挖溝犁浮筒充氣（如需要）；船舶挪位至挖溝起始點(diǎn)就位，下放挖溝犁至海管上進(jìn)行就位，然后連接挖溝犁和海管，完成連接后，將挖溝犁從船舶A吊上解開；船舶開始沿挖溝方向進(jìn)行前進(jìn)，由船上卷揚(yáng)機(jī)拖纜牽引挖溝犁進(jìn)行挖溝；完成挖溝作業(yè)后，解除挖溝犁與海管的連接，回收挖溝犁至甲板；進(jìn)行海管挖溝后調(diào)查，如溝深未達(dá)標(biāo)，則重復(fù)上述步驟進(jìn)行二次挖溝。

3 海底管道噴射式后挖溝技術(shù)

3.1 非接觸式海管后挖溝技術(shù)

非接觸式挖溝機(jī)（如圖2）的工作機(jī)理是使用大流量軸流泵抽水噴沖海床，通過水流將管底土壤泥沙帶走，形成溝槽。非接觸式挖溝機(jī)的特點(diǎn)是：1）挖溝時(shí)與海管全程無接觸，不存在對海管表面造成接觸損壞；2）非接觸式挖溝屬于低壓大流量噴射沖刷式挖溝；3）作業(yè)水深可達(dá)300 m。非接觸式挖溝優(yōu)點(diǎn)是：1）在土壤剪切強(qiáng)度為40 kPa及以下時(shí)效率較高,適合在軟泥及粗沙地質(zhì)條件下挖溝作業(yè)；2）挖溝機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單；3）可進(jìn)行重復(fù)挖溝；4）經(jīng)濟(jì)性高、適用面廣。以下以黃巖項(xiàng)目海管挖溝項(xiàng)目為例說明非接觸式挖溝機(jī)工作流程[4-5]。

圖2 海管非接觸式挖溝機(jī)

1）項(xiàng)目概況。黃巖項(xiàng)目地處東海地區(qū)，海管管徑為12 in，作業(yè)水深為94～108 m，海管挖溝長度約為60 km，挖溝深度為1 m；土壤最大剪切強(qiáng)度為26 kPa。

2）非接觸式挖溝機(jī)規(guī)格。尺寸為9 m×5.5 m×6 m；質(zhì)量（空氣中）為40 t；破土強(qiáng)度≤55 kPa；工作水深為0～300 m。

3）工作流程。海管預(yù)調(diào)查及海管路由障礙物清理；船舶DP測試，挖溝機(jī)進(jìn)行水下試挖溝，通過試挖溝結(jié)果選擇挖溝機(jī)與海管的間距，軸流泵開啟功率及船舶移動(dòng)速度等挖溝參數(shù)；待挖溝參數(shù)確定后，移動(dòng)船舶至距離海管挖溝點(diǎn)20～30 m處就位，就位后下放挖溝機(jī)至工作水深，挪動(dòng)船位直至挖溝機(jī)位于海管正上方；啟動(dòng)挖溝機(jī)軸流泵，開始進(jìn)行海管挖溝起始點(diǎn)造坡；船舶沿挖溝方向移動(dòng)，進(jìn)行挖溝；在挖溝即將接近終止點(diǎn)時(shí)，進(jìn)行挖溝終止點(diǎn)造坡；挖溝終止點(diǎn)造坡完成，關(guān)閉挖溝機(jī)，回收至甲板；進(jìn)行海管挖溝后調(diào)查，如溝深未達(dá)標(biāo)，則重復(fù)上述步驟進(jìn)行二次挖溝。

3.2 滑靴拖曳噴射式后挖溝技術(shù)

滑靴拖曳噴射式挖溝機(jī)（如圖3）的工作機(jī)理是：利用噴射泵通過挖溝機(jī)噴射臂上的噴嘴形成高壓水柱將海床打散并進(jìn)行稀釋液化，再通過挖溝機(jī)抽吸臂將液化的土壤排出溝外，從而形成溝槽?；ネ弦穱娚涫酵跍蠙C(jī)的特點(diǎn)是：1）挖溝時(shí)為非接觸式，對海管損傷較??；2）溝槽相對較窄?；ネ弦穱娚涫酵跍蟽?yōu)點(diǎn)是：1）埋深大，最大埋深可達(dá)4.5 m；2）結(jié)構(gòu)簡單，故障率低；3）經(jīng)濟(jì)性高、適用面廣。以下以曹妃甸單點(diǎn)維修項(xiàng)目海管挖溝項(xiàng)目為例說明滑靴拖曳噴射式挖溝機(jī)工作流程[6-7]。

圖3 海管滑靴拖曳式挖溝機(jī)

1）項(xiàng)目概況。曹妃甸項(xiàng)目地處渤海地區(qū)，海管管徑為12 in和16 in，作業(yè)水深為25 m，海管挖溝長度約為10 km，挖溝深度為1.5 m；土壤最大剪切強(qiáng)度為30 kPa。

2）滑靴拖曳噴射式挖溝機(jī)規(guī)格。尺寸為10 m×8.2 m×9 m；質(zhì)量（空氣中）為65 t；破土強(qiáng)度≤40 kPa；工作水深為0～100 m。

3）工作流程。海管預(yù)調(diào)查及海管路由障礙物清理；船舶拋錨就位；挖溝機(jī)入水進(jìn)行功能測試，待測試合格后，下放挖溝機(jī)至海管上就位；啟動(dòng)挖溝機(jī)，同時(shí)通過挪動(dòng)船位進(jìn)行起始造坡；繼續(xù)挪動(dòng)船位，進(jìn)行正常挖溝；在挖溝即將接近終止點(diǎn)時(shí)，進(jìn)行挖溝終止點(diǎn)造坡；挖溝終止點(diǎn)造坡完成，關(guān)閉挖溝機(jī)，回收至甲板；進(jìn)行海管挖溝后調(diào)查，如溝深未達(dá)標(biāo)，則重復(fù)上述步驟進(jìn)行二次挖溝。

3.3 ROV式后挖溝技術(shù)

ROV式挖溝機(jī)（如圖4）的工作機(jī)理與滑靴拖曳噴射式挖溝機(jī)一樣，均是利用高壓水將土壤液化，并通過抽吸臂將液化的土壤排出溝外，從而形成溝槽，不同的是ROV式挖溝機(jī)可自行在水下利用推進(jìn)器行走，無需由船舶拖曳行走。ROV式挖溝機(jī)的特點(diǎn)是：1）需要DP2支持母船，依靠挖溝機(jī)自身動(dòng)力前進(jìn)；2）適用于深水，可達(dá)3000 m或更深。ROV式挖溝機(jī)的缺點(diǎn)是：1）不適合在淺水海域，比如灘海區(qū)作業(yè)；2）適合處理剪切強(qiáng)度在100 kPa以內(nèi)的土壤，超過100 kPa時(shí)，效率會(huì)大幅降低。以下以荔灣海管挖溝項(xiàng)目為例說明ROV式挖溝機(jī)工作流程。

圖4 海管ROV式挖溝機(jī)

1）項(xiàng)目概況。荔灣項(xiàng)目地處南海東部地區(qū)，海管管徑為30 in，作業(yè)水深為60～190 m，海管挖溝長度約為150 km，挖溝深度為1.0～1.5m；土壤最大剪切強(qiáng)度為70 kPa。

2）滑靴拖曳噴射式挖溝機(jī)規(guī)格。尺寸為9.4 m×7.8 m×7.57 m；質(zhì)量（空氣中）為63 t；工作水深最大為1500 m。

3）工作流程。海管預(yù)調(diào)查及海管路由障礙物清理；船舶DP測試，挖溝機(jī)進(jìn)行水下功能測試，然后船舶挪位至海管起始挖溝點(diǎn)旁50 m處就位；下放挖溝機(jī)至海床上約10 m位置，然后船舶挪位至挖溝起始點(diǎn)就位；下放挖溝機(jī)至海管上進(jìn)行就位，然后啟動(dòng)挖溝機(jī)上的高壓噴嘴和抽吸臂，并將高壓噴嘴逐漸插入泥中，進(jìn)行土壤液化和排泥；啟動(dòng)挖溝機(jī)推進(jìn)器進(jìn)行前行造坡，同時(shí)船舶以DP模式沿挖溝方向前行；待造坡結(jié)束后，進(jìn)行正常挖溝；在挖溝即將接近終止點(diǎn)時(shí)，挖溝機(jī)逐漸將高壓噴嘴和抽吸臂拔出泥中，進(jìn)行終止點(diǎn)造坡；挖溝終止點(diǎn)造坡完成，關(guān)閉挖溝機(jī)，回收至甲板；進(jìn)行海管挖溝后調(diào)查，如溝深未達(dá)標(biāo)，則重復(fù)上述步驟進(jìn)行二次挖溝。

4 結(jié)語

海管挖溝機(jī)選擇通常需要考慮海床所處地質(zhì)條件、水深、海流和經(jīng)濟(jì)成本等因素，根據(jù)國內(nèi)海管挖溝以往的經(jīng)驗(yàn)，對挖溝機(jī)選型建議如下：

1）渤海地區(qū)總體地質(zhì)較軟，部分區(qū)域存在較高剪切力的礫石和硬質(zhì)土，可考慮噴射式為主，犁式和機(jī)械切割式為輔的形式。

2）東海地區(qū)的地質(zhì)總體較軟，多為砂質(zhì)和軟質(zhì)黏土，可考慮使用大流量噴射式挖溝機(jī)進(jìn)行后挖溝處理。

3）南海東部地區(qū)多為砂質(zhì)和軟質(zhì)黏土，但伴有貝殼及珊瑚等海生物沉積，地質(zhì)會(huì)有變化，如果長距離的管道挖溝建議主要采用犁式和機(jī)械切割式挖溝機(jī)及噴射式協(xié)同作業(yè)，以保證海管后挖溝的有效施工。

4）對于南海西部地區(qū)地質(zhì)變化比較劇烈，多為硬質(zhì)黏土及砂質(zhì)地質(zhì)，建議采用犁式和機(jī)械切割式挖溝機(jī)。