跨航道海底管道大深度預(yù)挖溝技術(shù)應(yīng)用

李曉明，姜學(xué)錄，杜喜軍，崔占明，李 沙

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，港口城市的貨運(yùn)量需求越來越大，港口航道擴(kuò)建成為必然趨勢，這對跨航道海底油氣管道的布線和海管埋深有了更高的要求。為了確保海底管道的正常運(yùn)營，涉及航道擴(kuò)建的海底管道需要改線輸送，將新敷設(shè)管道埋設(shè)到滿足航道深度要求的海底區(qū)域。根據(jù)擴(kuò)建航道噸位要求的不同，新敷設(shè)海底管道埋設(shè)深度有些超過10 m，土方開挖量巨大，這給管道的挖溝工作帶來較大的不便。

對國內(nèi)外海底管道預(yù)挖溝方法和航道疏浚方法進(jìn)行收集與研究，總結(jié)海底管道跨航道區(qū)域大深度預(yù)挖溝技術(shù)，并以渤海某油田海底管道跨航道改線項目為工程實例進(jìn)行分析，為以后類似大深度預(yù)挖溝工程項目提供參考。

1 地質(zhì)條件調(diào)查

在施工作業(yè)之前，對需開挖區(qū)域進(jìn)行海底地貌調(diào)查及地質(zhì)鉆孔調(diào)查，海管布線應(yīng)選擇海底地形平坦、地質(zhì)條件符合開挖條件的區(qū)域。

1.1 海底地形調(diào)查

海底地形調(diào)查主要檢測開挖區(qū)域的地形起伏、海底泥面不同位置距離水面的高差(即水深)、布線勘察區(qū)內(nèi)無影響管道敷設(shè)的異常地形。以渤海某油田海底管道跨航道改線項目為例，進(jìn)行水深與地形地貌調(diào)查。圖1為海底水深地形調(diào)查結(jié)果。

單位：mm 注：圖中數(shù)值表示水深；A、B為管線在調(diào)查邊界內(nèi)的兩個端點；C、D為管線在航道范圍內(nèi)的兩個端點圖1 海底水深地形示例

1.2 地質(zhì)鉆孔調(diào)查

在航道跨越段范圍內(nèi)，以交叉點為中心，左右各200 m，每隔100 m鉆1個20 m深取樣點，共計5處；在航道跨越段范圍外，距離交叉點200～1 000 m，每隔1 000 m鉆1個10 m深取樣點。鉆孔地質(zhì)調(diào)查點的分布情況如圖2所示。以H4鉆孔取樣點為例，描述鉆孔取樣后得到的土質(zhì)結(jié)果，如表1所示。

表1 H4鉆孔土質(zhì)描述

2 船舶選型

目前，國內(nèi)外常見的挖泥船有絞吸式挖泥船和耙吸式挖泥船等，絞吸式挖泥船抗風(fēng)浪能力弱，而耙吸式挖泥船在自航能力、挖深、輸泥距離不受限制等方面有一定優(yōu)勢[1]。在我國海洋工程行業(yè)內(nèi)，通常采用耙吸式挖泥船進(jìn)行大深度預(yù)挖溝作業(yè)。該船工作原理是通過耙頭切削疏浚物并使其液化，通過艙內(nèi)的泥泵或耙臂泵吸取液化疏浚物，并排入船上自帶的泥艙中，然后航行至指定地點將泥砂卸出。

注：H2～H6為航道跨越段范圍內(nèi)的鉆孔取樣點；H1、H7為航道跨越段范圍外的鉆孔取樣點圖2 鉆孔取樣站位布設(shè)

耙吸式挖泥船具有良好的航海性能，可自航、自挖、自吹、自載、自卸，施工中不占用大量水域，可挖掘粗砂、中砂、細(xì)砂以及經(jīng)過處理后粒徑不大的碎巖石、中等密實砂土等[2]。由于具有艏吹裝置，又可承擔(dān)開闊的海灣、河口、海港及較長距離航道等區(qū)域的吹填造陸工程任務(wù)。

2.1 船舶艙容選擇

船艙容量是耙吸式挖泥船主要的技術(shù)指標(biāo)之一，根據(jù)船艙容量的大小可以簡單劃分為小型、中型、大型、特大型和巨型挖泥船[3]。

實例作業(yè)區(qū)域?qū)儆诓澈?，水深約20 m，開挖土方量在100×104～200×104m3，為確保船舶施工效率和施工安全，在控制總體成本的原則下，選擇使用大型耙吸式挖泥船進(jìn)行作業(yè)。

2.2 耙頭選擇

耙頭是耙吸式挖泥船提高挖掘效率的關(guān)鍵，通過對疏浚物的機(jī)械疏松，切削、撕裂、擾動、破壞疏浚物的級配，配合高壓水的沖刷和補(bǔ)水作用，加速疏浚物的液化，將液化的疏浚物通過離心泵吸入裝艙。對于不同的地質(zhì)土壤和工況，選擇的耙頭也不同[4]。

3 施工工藝選擇

(1)分段施工。當(dāng)挖槽較長，挖泥任務(wù)的總挖泥量超過船舶的裝載量，需多次往返作業(yè)時，建議采用分段施工。不規(guī)則挖溝情況需要分層施工，先進(jìn)行直管部分施工，后對彎曲部分進(jìn)行施工。

(2)分層施工。在一般情況下，當(dāng)泥層厚度大于4 m時，可采取分層施工。特別是當(dāng)不同深度的土質(zhì)變化較大時，必須進(jìn)行分層施工。

在施工過程中，根據(jù)耙吸式挖泥船具體施工長度、挖深等確定分段、分帶與分層開挖，避免漏挖情況產(chǎn)生[5]。

實例工程沿路由方向長約3.5 km，長度較短，且兩端彎曲部分挖深較小，不超過1 m，因此不考慮分段施工。但該工程挖深達(dá)10 m，且泥質(zhì)不同，需進(jìn)行分層施工。大部分工程區(qū)域原泥面約-16 m，溝底挖深要求需至-26 m，根據(jù)實際水深情況，依次分為-18 m、-20 m、-22 m、-24 m、-26 m等5層，分層間厚度為2 m。分層緊縮進(jìn)行施工，工程量約120×104m3[6]。

(3)邊坡開挖。采用分層、分臺階的施工方法。按照2 m一個臺階，設(shè)定邊坡開挖截止線，逐階加深依次施工，具體邊坡開挖截止線設(shè)置為：①-26 m的臺階截止線距離設(shè)計海管布線底邊線外5 m處；②-24 m的臺階截止線距離航道底邊線外14 m處；③-22 m的臺階截止線距離航道底邊線外23 m處；④-20 m的臺階截止線距離航道底邊線外33 m處；⑤-18 m的臺階截止線距離航道底邊線外43 m處。各層縱向邊坡開挖坡面圖如圖3所示。

4 驗收標(biāo)準(zhǔn)

為保證海底管道順利敷設(shè)，預(yù)挖溝驗收標(biāo)準(zhǔn)須滿足海管敷設(shè)設(shè)計技術(shù)要求，工程實例的驗收標(biāo)準(zhǔn)說明如下：(1)挖溝溝底設(shè)計底寬為10.0 m，第一層與第二層邊坡比分別為1∶5和1∶3，允許超寬9 m，超深0.7 m；(2)管溝溝底標(biāo)高達(dá)到-26 m；(3)沿新海管布線方向進(jìn)行過渡段處理，過渡段放坡比為1∶140；(4)溝底平整度要求10 m范圍內(nèi)不能出現(xiàn)懸跨；(5)挖溝深度由現(xiàn)場天然泥面的-16 m以1∶140的放坡比過渡至-26 m。

單位：m圖3 各層縱向邊坡開挖坡面圖

各層邊坡比例如圖4所示。

圖4 縱向坡面示例

5 現(xiàn)場施工情況

在實例中，除了將海底管線改線外，還將海管由現(xiàn)有的-16 m挖深至-26 m，在挖溝調(diào)查合格后，進(jìn)行新管道的敷設(shè)。經(jīng)過前期地質(zhì)調(diào)查及船舶資源篩選，采用大型耙吸式挖泥船冀港浚6作為施工船舶。為保證施工質(zhì)量，施工采用分層開挖均勻布耙，每層厚度0.3～1.0 m，逐層調(diào)整開挖區(qū)域。從起點原始泥面開始，耙頭下放深度定深為17.0 m，均勻布耙全面開挖一遍；第2次布耙從距離起點40.0 m處開始，耙頭下放深度定深為17.3 m；第3層布耙從距離起點80.0 m處開始，耙頭下放深度定深為17.6 m；以此類推，直至過航道處，挖出長450 m、深度為-26 m的槽。終點一端與起點一端情況相反，兩邊對稱。兩側(cè)邊坡22.5 m以上按1∶5縮減，下層按1∶3縮減。將這些數(shù)據(jù)標(biāo)注在施工控制文件上，每下挖0.3 m在導(dǎo)航文件上進(jìn)行標(biāo)記以控制實施過程。

6 總 結(jié)

采用耙吸式挖泥船進(jìn)行跨航道大深度預(yù)挖溝是目前主要的施工方法，在施工中需要注意以下問題：

(1)需根據(jù)施工區(qū)段長度和挖泥航速，確定適度的溢流時間，保證每艘挖泥船最大裝艙量，并提高挖泥船次。

(2)至少每下挖1.0 m就應(yīng)進(jìn)行一次多波束水深調(diào)查，調(diào)查數(shù)據(jù)與現(xiàn)場記錄相互印證，開挖到6.0 m溝深以下應(yīng)增加調(diào)查頻率。

(3)隨著開挖深度的增加，溝底局部平整工作將變得越來越困難。部分孤立、水深落差大、分布不集中、難于挖掘且可能影響海管敷設(shè)的重點區(qū)域須進(jìn)行標(biāo)記，后期可使用挖溝機(jī)進(jìn)行定點作業(yè)。