海底管道埋設(shè)和回填改進(jìn)方案研究

孫祥杰, 馮現(xiàn)洪, 李慶, 苑健康, 翟墨

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

（2.中海石油（中國）有限公司北京研究中心，北京 100028）

近些年，對(duì)我國各海域的海管后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前在產(chǎn)油氣田的海管存在多處埋深不足、裸露及懸空的狀態(tài)，為盡量避免由于海管埋深不足和回填問題等因素遭遇第三方破壞給公司的生產(chǎn)及環(huán)境保護(hù)帶來不利影響，需從海管埋設(shè)深度、投資成本、相關(guān)裝備能力、海管路由設(shè)計(jì)、海管施工、挖溝作業(yè)、檢測(cè)及后調(diào)查等方面分析問題產(chǎn)生的原因，提出相應(yīng)的解決措施，從根本上消除和降低風(fēng)險(xiǎn)隱患，同時(shí)也為海底管道挖溝工程硬質(zhì)海床挖溝機(jī)具選型、深挖溝可行性、挖溝設(shè)計(jì)等工程實(shí)際問題提供技術(shù)支撐和保障[1]。

1 概述

我國海管后挖溝作業(yè)主要集中在渤海海域，該海域海底相對(duì)平坦，主要是淤泥及泥砂，地勢(shì)呈現(xiàn)出從三灣向渤海海峽傾斜趨勢(shì)。在黃海三角洲和山東半島北岸多為20-50Kpa的粘土，其他沿岸多為砂質(zhì)地質(zhì)，遼東半島西面中心海域區(qū)域存在超過80Kpa的硬質(zhì)粘土地質(zhì)。黃巖、荔灣、陸豐等東海及南海海域也有部分項(xiàng)目進(jìn)行了后挖溝及超懸跨處理作業(yè)，沒有埋設(shè)要求的海管主要集中在南海文昌、番禺、惠州、恩平、西江等油氣田區(qū)域。

我國從事水下挖溝的公司主要是交通運(yùn)輸部上海打撈局、天津大港油田集團(tuán)工程建設(shè)公司、海王星公司等，國內(nèi)挖溝裝備資源以噴射式挖溝機(jī)為主，基本可以滿足100米以淺海域，土壤的剪切強(qiáng)度在50kPa以內(nèi)海底挖溝作業(yè)。海洋石油工程股份有限公司具有不同類型挖溝機(jī)，可以滿足常規(guī)海管后挖溝作業(yè)和海管開挖暴露作業(yè)等，在國內(nèi)具有領(lǐng)先地位，公司通過裝備能力提升成功完成了香港LNG項(xiàng)目30寸海管5.5米深挖溝作業(yè)，同時(shí)新購置的ROV式挖溝機(jī)和犁式挖溝機(jī)的入列進(jìn)一步提升在深水海域和硬質(zhì)海床的挖溝能力。

2 挖溝機(jī)具及機(jī)理分析

從挖溝方式看，當(dāng)前海底挖溝的種類分為：犁式、噴射式、水下機(jī)械開溝機(jī)等[3]。使用挖溝機(jī)對(duì)管線進(jìn)行綜合治理方法，并根據(jù)管線具體情況編制有針對(duì)性的施工方案，挖溝機(jī)配套船舶應(yīng)按照后挖溝作業(yè)要求選擇與挖溝作業(yè)匹配性高的錨系船或動(dòng)力定位船。

2.1 噴射式挖溝機(jī)

噴射式海底挖溝，是用高壓水射流噴沖對(duì)海底進(jìn)行破土開溝，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)開挖和埋管噴沖，二者均采用環(huán)境水噴沖方式，作業(yè)時(shí)產(chǎn)生大流量水流切削基礎(chǔ)，擾動(dòng)的泥沙通過海水稀釋沖走，形成管溝或基坑，見圖1。噴沖式挖溝不僅可以進(jìn)行后挖溝作業(yè)，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)受損管纜的定點(diǎn)開挖暴露施工。

圖1 噴射式挖溝機(jī)

影響水力噴射式挖溝噴射強(qiáng)度的因素有很多，噴射泵、軸流泵的能力，噴嘴結(jié)構(gòu)形式、角度均對(duì)其噴射出的水流強(qiáng)度產(chǎn)生影響，噴嘴和高壓泵組是水力射流挖溝技術(shù)的關(guān)鍵，為提高沖擊效率，可以對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和分析研究，射流開挖能力會(huì)決定挖溝效果及效率。針對(duì)砂性、粘性等土壤地質(zhì)條件，采用水力破土是比較容易實(shí)現(xiàn)的。射流破土的機(jī)理是，高壓水射流噴射在土體，其部分動(dòng)能隨即轉(zhuǎn)化成對(duì)土體的打擊力，從而使土體在沖擊力作用下而破壞。

2.2 犁式挖溝機(jī)

犁式挖溝機(jī)用于海底開溝埋管，使用具備較大系柱拖力的動(dòng)力定位船，牽引挖溝機(jī)水下行進(jìn)，通過犁鏵將海底土壤移走在海管下方形成管溝，見圖2。對(duì)于犁式挖溝機(jī)，其結(jié)構(gòu)主要包括：定位系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、雪橇式行走機(jī)構(gòu)、機(jī)械手、犁體機(jī)構(gòu)以及動(dòng)力拖動(dòng)系統(tǒng)。犁式挖溝機(jī)最大工作水深可達(dá)400m，主要用于管道挖溝，可以在深水海域施工，進(jìn)行深溝挖掘，適用于各種類型的土質(zhì)，包括易碎的白奎巖及巖石上，開溝成形面比較理想，管道回填主要通過回填犁進(jìn)行回填。

圖2 犁式挖溝機(jī)

2.3 水下機(jī)械挖溝機(jī)

機(jī)械式挖溝機(jī)通常采用履帶形式，靠自身爬行前進(jìn)，與其他類型挖溝機(jī)方法相比，該挖溝機(jī)適用海底土質(zhì)范圍較廣，用絞吸頭或挖掘鏈開溝，幾乎能適應(yīng)除海底硬巖石之外的任何特性的土質(zhì)（砂、砂土、粘土、淤泥和軟性巖石等），見圖3。海底開溝施工機(jī)械的經(jīng)濟(jì)性，主要指初始投資和日常營運(yùn)費(fèi)的大小。機(jī)械開溝機(jī)的作業(yè)水深大，自動(dòng)化程度高，但設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故初始投資遠(yuǎn)大于其他類型的水下開溝機(jī)械。

圖3 機(jī)械挖溝機(jī)

2.4 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

表1 給出了目前常用的挖溝機(jī)在技術(shù)性能、應(yīng)用范圍、開挖溝型、開溝深度、適應(yīng)土壤剪切強(qiáng)度、對(duì)海管的損傷等方面的對(duì)比分析。

表1 常用挖溝機(jī)對(duì)比分析

開挖管溝截面較小，溝頂較窄開挖深度開挖溝形 開挖管溝截面較小，溝頂較窄 開溝較寬 開挖管溝截面較小，溝頂較窄開挖管溝邊坡均勻，溝頂較寬適用于常規(guī)埋深挖溝施工，不適用于大深度開挖適應(yīng)土壤剪切強(qiáng)度 30-60kPa以下 30kPa以下 100kPa以下 400kPa以下適用于常規(guī)埋深挖溝施工，若需大深度開挖需對(duì)挖溝機(jī)進(jìn)行改造適用于常規(guī)埋深挖溝施工，一般不適用大深度開挖適用于常規(guī)埋深挖溝施工，不適用于大深度開挖開挖深度2-2.5m左右，不適用于大深度開挖10-400kPa（定制可達(dá)1 M P a，最大40MPa）對(duì)海管的損傷 采用尼龍滾輪與海管接觸，不損傷海管懸浮開挖，不接觸管纜，無損傷具備先進(jìn)的監(jiān)控系統(tǒng)，不損傷海管采用尼龍滾輪與海管接觸，不損傷海管高速旋轉(zhuǎn)的鉸刀，若防護(hù)不當(dāng)，易損傷海管

3 后挖溝埋設(shè)狀態(tài)影響分析

3.1 后挖溝影響因素分析

海洋環(huán)境條件和海管路由的海床特性的勘察在海底管道的概念設(shè)計(jì)階段完成，以便在確定海管路由的最優(yōu)選取，同時(shí)所有影響海管鋪設(shè)穩(wěn)定性和安全性地形和地質(zhì)需要進(jìn)行提前處理。為了給管道設(shè)計(jì)和挖溝施工作業(yè)提供可靠的支撐，需要掌握根據(jù)管道設(shè)計(jì)壽命而收集的風(fēng)、浪、流、潮汐等資料，此外，還需要對(duì)沿海管路由方向的海洋地質(zhì)條件進(jìn)行更進(jìn)一步調(diào)查，包括表層土數(shù)據(jù)、海床表面平整起伏情況、連續(xù)淺層地質(zhì)剖面圖、沿管軸線方向坡度及淺層工程地質(zhì)鉆孔參數(shù)。

3.1.1 施工預(yù)調(diào)查及地貌地質(zhì)

施工預(yù)調(diào)查主要包括水深調(diào)查、地貌調(diào)查（旁側(cè)聲納調(diào)查）、地質(zhì)調(diào)查（淺層剖面調(diào)查）[4]。對(duì)于特殊區(qū)域如存在懸跨，可移動(dòng)沙波沙脊區(qū)域和存在可疑障礙物等區(qū)域，需要潛水員或ROV 進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查。海管所在海域的地質(zhì)對(duì)挖溝施工工藝、設(shè)備、計(jì)劃和效率起著關(guān)鍵作用，主要考慮巖石、移動(dòng)沙波沙脊、塑性黏土以及其它特殊地質(zhì)。

對(duì)大型障礙物如沉船需要避讓，小型障礙物進(jìn)行移除；對(duì)待深坑需要根據(jù)其面積，深度和與海管路由相對(duì)距離進(jìn)行處理，如深坑直徑小于海管鋪設(shè)懸跨最小安全距離，可在后期挖溝進(jìn)行處理，如在路由區(qū)域或附近需進(jìn)行預(yù)處理，填滿或吹掃等。

部分登陸管線在登陸點(diǎn)附近淺水區(qū)會(huì)經(jīng)過漁業(yè)養(yǎng)殖區(qū)（或在拋錨區(qū)附近），在南亞或中東項(xiàng)目中會(huì)經(jīng)過珊瑚區(qū)（或在拋錨區(qū)附近）；根據(jù)業(yè)主或當(dāng)?shù)胤梢?，珊瑚區(qū)或養(yǎng)殖區(qū)要求移除和恢復(fù)或要求保護(hù)；此部分工作需要有經(jīng)驗(yàn)的分包商完成同時(shí)得到當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)漁業(yè)和環(huán)保部門的批準(zhǔn)。

在設(shè)計(jì)海管路由附近存在舊有的管線和電纜；需要在預(yù)調(diào)查中確定其準(zhǔn)確位置和安裝海管的路由關(guān)系，避免在拋錨作業(yè)時(shí)，因落錨或走錨對(duì)原有的海管海纜進(jìn)行損壞，如安裝海管與已存在海管，海纜出現(xiàn)交叉，則需要在交叉點(diǎn)處進(jìn)行預(yù)先處理。

登陸管線在陸地附近有時(shí)會(huì)有巖石層，一般采用爆破的方式進(jìn)行預(yù)處理；爆破炸礁由國家認(rèn)證的有資格的專業(yè)公司負(fù)責(zé)，需要按照公安監(jiān)管和安全制度規(guī)定制定相關(guān)程序?qū)徟髮?shí)施；爆破后溝深度、平整度是主要的技術(shù)要求。例如在綏中36-1項(xiàng)目中登陸段管線進(jìn)行了炸礁作業(yè)。

海底地質(zhì)主要為淤泥，粉土（砂質(zhì)粉土、粘土質(zhì)粉土），砂（粉砂、礫砂），粘土（砂質(zhì)粘土、軟質(zhì)粘土、硬質(zhì)粘土），巖石。挖溝的效率、效果的重要因素在于挖溝設(shè)備的選取，地質(zhì)土壤是挖溝機(jī)選擇的主要參考依據(jù)，根據(jù)不同的海底土壤選擇合適的挖溝機(jī)。土質(zhì)和不排水抗剪強(qiáng)度（kpa）是確定挖溝機(jī)類型的主要參數(shù)，在預(yù)調(diào)查中一般只進(jìn)行淺層剖面調(diào)查，鉆孔調(diào)查主要依據(jù)前期設(shè)計(jì)調(diào)查資料，對(duì)于長距離管線鉆孔間距1公里至10公里，但有的管線在短距離地質(zhì)變化較大，長距離鉆孔采集數(shù)據(jù)無法代表整個(gè)海管路由，特別在部分地段出現(xiàn)與原勘測(cè)的不排水抗剪強(qiáng)度相差很大的地質(zhì)，對(duì)挖溝設(shè)備的選取、挖溝效率、速度和費(fèi)用出現(xiàn)較大的偏差和影響。

3.1.2 海管鋪設(shè)

海管鋪設(shè)施工工藝，海底管道形式都對(duì)海管挖溝效率和挖溝效果起到重要影響。海管結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)不同包括軟管和鋼性管道；施工工藝中登陸管線和平臺(tái)間管線；海管交叉點(diǎn)處理；航道處海管鋪設(shè)，淺灘海管，彎曲段海管，穿越沙堤或大橋；海管鋪設(shè)施工都對(duì)海管的挖溝起到重要影響。

對(duì)于海管鋪設(shè)施工的作業(yè)難度較大的特定區(qū)域，包括登陸段、彎曲段、穿越沙堤段、與原管纜交叉點(diǎn)鋪設(shè)等，也都對(duì)后挖溝有比較大的影響。如在挖溝階段對(duì)于曲率半徑較小的海管，需要不斷調(diào)整船位，避免挖溝機(jī)與海管接觸，對(duì)海管外管的配重層或防腐層造成損傷，海管的挖溝速度低于較直路由管線挖溝。其它鋪設(shè)因素影響這里不再具體敘述。

3.2 海管埋深不足原因分析

海管埋深不足主要表現(xiàn)在近平臺(tái)裸露、海域海床不穩(wěn)定影響、自然回填未達(dá)到設(shè)計(jì)要求幾大類。需要注意的是，導(dǎo)致海管埋深不足及遭受第三方破壞的往往是多種因素共同作用的結(jié)果，因此，在考慮治理措施時(shí)，往往需要采取多種措施相結(jié)合[5]。

3.2.1 近平臺(tái)海管裸露

由于海底管道在平臺(tái)附近與膨脹彎連接，海管要從挖溝深度過渡到泥面，一般要求裸露的平管部分約25m，覆蓋水泥壓塊實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過渡段（造坡）的長度一般為50m。主要原因是平臺(tái)附近流場改變或海域底流流速較大，沖刷加劇，過渡段部分在安裝完成后逐步?jīng)_刷形成裸露。這種裸露一般可以覆蓋壓塊消除落物損傷風(fēng)險(xiǎn)，只有出現(xiàn)懸空位置需要考慮綜合治理方案。

3.2.2 海域海床不穩(wěn)定影響

沙波沙脊是一種水下丘狀微地貌形態(tài)，砂質(zhì)海床在海流作用下而形成，它的運(yùn)移對(duì)海管有較大影響，甚至可以掏空埋設(shè)的管道，使海管裸露在海床上，對(duì)其在位安全有極大危害。如果發(fā)現(xiàn)路由沿線有沙波沙脊，則需要評(píng)估海床處理工程量和評(píng)估海管埋設(shè)深度，可通過增加埋設(shè)深度的方法保護(hù)海管，但同時(shí)可能會(huì)增加工程投資。當(dāng)管道鋪設(shè)完成后，發(fā)現(xiàn)裸露或者懸空問題，尤其當(dāng)懸跨長度超過許用懸跨長度的時(shí)候，建議進(jìn)行臨時(shí)治理，并定期調(diào)查懸跨情況，可采用填充沙袋、拋石回填等方法。

海床沖刷是一類較為常見的影響因素，其根本原因是該區(qū)域的水流強(qiáng)度非常大，此水流帶來的泥沙通量小于該區(qū)域水流的向外移通量。海底沖刷引起泥沙擾動(dòng)甚至掏空，為防止其發(fā)生的主要機(jī)理表現(xiàn)在：一是增大海底沉積物顆粒沖刷啟動(dòng)速度，或提高海底的抗沖刷強(qiáng)度；二是減小波、流等水動(dòng)力環(huán)境對(duì)海床沖刷速度。

防止沖刷的常用預(yù)防措施包括回填掩埋管道、拋石覆蓋層保護(hù)、墊層保護(hù)、仿生水草法、“仿生草+混凝土軟體排”防護(hù)法；對(duì)于沖刷后的海管懸空治理措施包括：挖溝深埋法、拋石回填法、沙袋支撐法、壓塊覆蓋保護(hù)法、樁基穩(wěn)定法等。

3.2.3 自然回填未達(dá)設(shè)計(jì)條件

目前管線開挖深度小于一定埋深常采用自然回填，不需進(jìn)行特殊處理，但對(duì)于某些特殊條件，如跨航道等，會(huì)要求進(jìn)行人工回填。

對(duì)于一些相對(duì)穩(wěn)定的海域海床，海管挖溝自然回填到位后位于泥面以下基本穩(wěn)定，不易出現(xiàn)沖刷裸露等問題。但挖溝完成后，可能出現(xiàn)一是自然回填過程緩慢，沒有完全回填覆蓋，二是回淤速度快，管道沒有下沉就回淤了，即使溝深達(dá)到要求，但管道沒有下沉到設(shè)計(jì)深度，特別是一些剛度較大的管道，后調(diào)查結(jié)果仍然未回填到位。自然回填與管道挖溝的邊坡比有很大關(guān)系，邊坡比越小，回填速度越慢，反之，邊坡比越大，回填速度越快，所以挖溝作業(yè)時(shí)在二者之間需要取得一個(gè)較好的平衡。

4 綜述

通過海底管道埋設(shè)和回填改進(jìn)方案研究，得出以下結(jié)論及建議：

（1）基于海管運(yùn)營期后調(diào)查報(bào)告數(shù)據(jù)庫，對(duì)項(xiàng)目的回填效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，形成統(tǒng)計(jì)圖形，評(píng)估分析后挖溝和回填影響因素，提出對(duì)不同土壤和環(huán)境條件的海底管道給出推薦合適的挖溝機(jī)及分析，指導(dǎo)今后挖溝和回填工作，以更好的達(dá)到設(shè)計(jì)要求的目的。

（2）為減小后調(diào)查誤差對(duì)正常施工效果誤判的影響，建議后續(xù)工程采用潛水員直接測(cè)量、挖溝機(jī)圖像聲納測(cè)量與淺地層剖面儀測(cè)量相結(jié)合的方式。將各方數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比修正，計(jì)算出一個(gè)合理的修正系數(shù)，使管線剖面儀測(cè)量結(jié)果更符合海管的真實(shí)埋深結(jié)果。

（3）在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)前期階段，加強(qiáng)對(duì)特殊地質(zhì)條件，如沖刷、海床演變、沙波運(yùn)動(dòng)、淺層氣等的研究，為海管路由及埋設(shè)保護(hù)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

（4）受海洋環(huán)境影響，在役管線綜合治理將是一項(xiàng)長期的工作，為高效、有預(yù)見性的開展相關(guān)工作，在運(yùn)行維護(hù)階段，建議運(yùn)用數(shù)字化管理手段，建立一套在役管線評(píng)估系統(tǒng)。

（5）開展針對(duì)挖溝后自然回填的專項(xiàng)研究，研究分析影響自然回填的影響因素，包括水文、地質(zhì)和第三方活動(dòng)影響等，建立起針對(duì)不同海域的回填速率預(yù)測(cè)模型。