國內海底電纜深埋敷設施工技術綜述

吳愛國，袁舟龍，公言強

（浙江舟山啟明電力集團公司，浙江 舟山 316001）

0 引言

我國海域遼闊，海岸線長，沿海島嶼的供電需要采用海底電力電纜（簡稱海纜）與大陸主電網相連，以及實現島嶼間聯網。隨著海洋經濟的興起，海島電力需求急劇增加，海上石油和天然氣等能源開采需要可靠的電力來保障，海上風電場、潮汐能等新能源需要將發出的清潔電力安全可靠地輸送出去，這些都需要使用大量海纜作為電力通道與電網相連[1，2]。

海纜的敷設方式有拋放和深埋2種：拋放方式是利用海纜的自重沉入海底，施工簡單，其安全性較差，特別是在淺海漁區，很容易被漁撈和船錨損壞。深埋方式是利用埋設設備即埋設機將海纜埋設于海床下一定深度，避免人為作業的破壞，有效保護海纜的安全。目前，深水區域海纜敷設采用拋放方式，其余基本采用深埋方式[3]。海纜深埋敷設施工可以分為施工準備、海纜敷設、后續保護和電纜試驗4個主要階段。

1 施工準備

1.1 技術準備

工程開工前，施工單位組織施工圖紙會審，再依據施工設計圖紙，路由勘查報告，施工海域氣象、水文、航道、海底管線等資料，編制詳細的施工組織設計、施工應急預案、施工警戒方案等技術方案，組織相關專家進行論證，并報監理單位、建設單位審核后執行。

1.2 現場準備

1.2.1 施工手續辦理

工程前期，施工單位協助建設方辦理海纜施工專項許可證書，在海洋漁業廳辦理海域使用證書、海底管道施工許可證書等相關施工手續，確保海纜工程合法、有效；還需要得到施工區域港務、航道、漁政等相關部門的配合。

1.2.2 路由復測

施工單位邀請海洋勘察機構勘測設計路由的海域狀況，海底土質結構，為后續的海纜施工提供路由資料。

1.2.3 現場布置

海纜船到達施工海域按照海事要求進行船舶復檢工作。

施工期間發布航行通告及氣象情況通告。海纜施工期間，由海事部門定期發布航行通告，提醒限制區域經過施工現場的航運船只繞道航行，避免事故發生。施工開始后，海事部門安排專門人員擔任施工海域的維護、警戒、巡邏等工作，確保施工工作正常有序進行。

施工單位安排專人收集權威的當地海域氣象預報，掌握施工海域的風力、降水、潮汐等氣象信息，及時做好應對準備，避免工程安全事故的產生。

1.2.4 土建監控裝置等系統建設

登陸點土建電纜溝通道暢通、排水良好、整潔無雜物，滿足海纜敷設的條件。

海纜兩端登陸處，應設置“禁止拋錨”、“水線”等警示裝置，警示標志應醒目，并具有穩定可靠的夜間照明，夜間照明宜采用節能型冷光源，可采用同步閃爍方式。

海纜兩端登陸處，可安裝視頻監控裝置等保護裝置，并調試完成，可以監控海纜關鍵區域。

海纜敷設施工前，登陸點海纜土建具備海纜施工條件；警示裝置、視頻監控裝置等監控系統安裝完成后，有效地保護將被敷設的海纜，免受錨泊等外力傷害[4]。

1.3 海纜過駁

在海纜過駁前，先對海纜進行出廠試驗，待試驗符合設計標準后方可進行過駁施工。海底電纜的過纜作業方式不同，可分為整體吊裝和散裝過纜2種方式[5]。

1.3.1 整體吊裝

利用運輸船上的起吊機或浮吊，將整盤海纜連同纜盤由運輸船吊至施工船甲板上，再將電纜盤與甲板聯結固定，并在施工船甲板上搭設退扭架等設施。圖1為海纜整體吊裝示意。整體吊裝要求纜盤強度高、還要配備專用大型吊機，但其操作較為簡單，適用于短距離重量輕的海纜，而長距離、大截面的海纜，其整體吊裝成本高，不適宜采用這種方式。

圖1 海纜整體吊裝示意

1.3.2 散裝過纜

根據過纜地點不同散裝過纜可分為電纜廠方碼頭過纜和江（海）面電纜運輸船上過纜（如圖2所示）2種形式，其工作原理大致相同，以下以電纜廠方碼頭過纜為例介紹其過纜方式。

圖2 運輸船上海纜散裝過駁示意

將施工船開到電纜廠碼頭，通過連接工廠車間和碼頭的傳送帶直接將電纜輸送到電纜施工船上，再由施工船運輸到施工現場后直接展放電纜，中間不需要再次轉運，而且施工船上均設有退扭架和電纜盤，用來裝載和敷設電纜。這種方式適用于具備通航條件的所有類型電纜的施工，特別是海上施工。優點是安全可靠，不損傷電纜。缺點是需要大型專業施工船到工廠運纜，而且費用昂貴。

過纜要求：盤繞前在海纜盤圈內海纜頭部預留3 m，以方便海纜測試，過纜速度應控制在平均900 m/h以內；海纜盤繞方向應與海纜鎧裝的繞行方向一致，盤放順序遵循先內后外、先下后上的總體原則。對于較短距離的海底電纜，也可采用“8”字形盤繞、線盤盤繞等方法進行過纜作業。

裝船結束后重新對海纜性能檢查測試，確認各項性能指標（交流耐壓、絕緣電阻）滿足其工程設計要求，防止過駁不當造成海纜損壞。

1.4 掃海

掃海是在施工前清除海纜路由上障礙物的重要步驟[6]，按作業方式不同可分為拖錨掃海，聲納、多波束等儀器掃海，ROV（水下機器人）掃海等方式。

1.4.1 拖錨掃海

掃海船只應配備DGPS（差分全球定位系統）進行導航和定位系統，掃海船只的尾部拖拽1個橫桿，橫桿上系有若干個四爪錨，掃海船只沿著路由來回多次航行，必須注意始終保持橫桿與海床接觸，以掃除電纜設計路由上可能存在的廢棄漁網、拋棄物等障礙物。拖錨掃海是最簡單、有效的方式，在實際工程中應用較多。

1.4.2 聲納、多波束等儀器掃海

淺地層剖面儀是利用聲波在水中和水下沉積物內傳播和反射的特性來探測水底地層的設備，是在回聲探測技術的基礎上發展起來的，剖面儀的轉換器裝在調查船或拖拽體中。多波束與淺地層剖面儀相結合，多波束測量出海纜路由地形，剖面儀通過超聲波分析出海床地質情況，通過軟件計算出海底電纜距離地表的厚度，再結合多波束測量出的地形參數綜合分析海底障礙物狀況。

1.4.3 ROV掃海

ROV在海床行走，ROV上裝設水下視頻監控系統、聲納等設備，ROV沿著路由軌跡在海床上行走，探查海纜路由障礙物，監控路由上的海底狀況。

1.5 試航

施工船舶到達不熟悉的施工現場后，首先安排施工船在設計施工路由區域內進行試航，以熟悉施工區域內設計路由的各個關鍵點及潮水情況。

試航過程中，船上的所有埋設設備及后臺監測設備進行模擬操作演練，確保船舶、電纜輸送機、埋設犁、錨泊系統、卷揚機等重要施工設備及監測裝置的正常工作，確保施工順利進行及海纜敷設質量。

2 海纜敷設過程

由于船舶有吃水深度，一般不能直接到達兩端登陸點，所以海纜敷設過程可分為首端登陸、中間段敷埋、終端登陸。

2.1 首端登陸施工

海纜首端登陸前，高潮位時將施工船錨泊在登陸點附近，以減小登陸距離，并利用DGPS測量系統定位于路由軸線上，拋“八”字開錨錨泊固定；還需根據現場情況設定錨位，確保周圍海底纜線的安全。

登陸時，海纜頭從電纜盤內通過退扭架拉出，從船頭通過入水槽入海，水面段在海纜下方每隔2 m墊以充氣內胎進行助浮；利用預先設置在首端登陸點處的絞磨機牽引海纜浮運登陸，如圖3所示。在海纜牽引至灘涂處，人工解除助浮充氣內胎，將海纜擱置在預先設置在海纜登陸路由的滑車上方滾動或滑動，減少海纜牽引的阻力和減少海纜的磨損。當海纜登陸完成后，潛水員下水逐個拆除浮運海纜的輪胎，將海纜按設計路由沉放至海床上。

圖3 海纜首端登陸示意

2.2 海纜中間段敷埋施工

海纜中間段敷埋的埋設機一般有2類：

（1）射流式開溝機，是目前使用最普遍的一類海底管道開挖機器，高壓水泵產生的高速水流輸送到位于開溝機前端的噴嘴，從噴嘴噴出的水流可達到很高的速度，可將海底泥質、沙質、甚至基巖沖走，形成一條海底溝道。

（2）絞刀式挖溝機，通過絞刀將泥土切碎，開出一條海底溝道，因其裝置復雜，在國內工程中應用較少[7，8]。

海纜中間段敷埋過程中，根據海纜敷設和深埋先后順序，分為先敷后埋和敷埋同步2種方式。

2.2.1 先敷后埋方式

施工船舶根據設計路由，將海纜拋放在海床上面，再由潛水員或ROV利用水下設備對海床上的海纜進行深埋和后續保護操作。這種施工方式一般適用在地質較差的海底，或大型施工船舶無法進入的較淺海域。

2.2.2 敷埋同步方式

敷埋同步方式根據主施工船舶的前進動力不同，可分為翻錨作業敷設、慢絞牽引鋼絲敷設和自航式敷設等方式。

（1）翻錨作業敷設方式

施工船前后共4個工作錨，通過拋錨船沿海電纜路由方向不斷拋射其牽引錨，施工船再由錨機收絞鋼絲提供前進動力，使施工船向前移動，同時拖動埋設機進行電纜深埋敷設。這種方式敷設速度慢；且在海纜路由經過海底管線交越等錯綜復雜區域時，拋射牽引錨可能傷及其他海底管線；遇到海底地質差區域，頻繁拋錨容易產生走錨危險。

（2）慢絞牽引鋼絲敷設方式

施工船一般采用無動力方駁船，駁船吃水淺，便于近海施工。在潮流下，方駁船較其他船舶相對更穩定，給船上施工人員的提供相對穩定的平臺。施工過程中，施工船通過專門大錨機來收絞預先拋敷在設計路由上的主牽引鋼纜，提供船舶前進動力，使施工船向前移動，同時拖動埋設機進行電纜深埋敷設，如圖4所示。而海纜的埋設速度由卷揚機的絞纜速度來決定，其敷埋速度一般控制在0～9 m/min。當施工船偏離路由軸線時，采用拖輪及錨艇，在施工船背水側或背風側進行頂推，以糾正埋深施工船的航向偏差。施工船上的海纜埋設導航定位系統來控制海纜路由，埋深檢測系統來監控埋設速度、埋設機水下姿勢等數據，水深測量系統監控水深。

圖4 海纜深埋敷設示意

這種方式敷設速度相對較快，船舶穩定性高，操作簡單，實際應用較多。

（3）自航式敷設方式

施工船采用DP（動力定位），實際上是一套計算機系統，它將導航定位信息、氣象、顛簸以及潮流等數據輸入到計算機內，然后由計算機來控制船舶動力系統，讓船舶沿設計路由自動航線，同時拖動埋設機進行電纜深埋敷設[9，10]。

DP系統能夠按照施工要求可靠地控制船位；船舶準確定位，能夠準確按照設計路由進行海纜敷設或埋設；可根據海底底質情況嚴格控制船速，調整埋設速度，保證埋設質量；在電纜接續或打撈等操作中能長時間保持船位不變；能準確記錄海纜敷設路由，為今后海纜維護、修理提供依據。

2.3 終端登陸施工

終端登陸前，施工船拋設“八”字錨穩定船位；布纜機將海纜通過入水槽送入水中，在海纜入水段每隔2 m墊以充氣內胎助浮；海纜不斷送出后在水面上逐漸形成1個不斷擴大的“Ω”形狀，工作艇監視和控制海面上海纜彎曲情況，防止海纜打小彎；在測量海纜終端登陸長度后，將海纜截斷、封頭；待海纜頭牽引出施工船后，在海纜頭上設置活絡轉頭，并與設置在終端登陸點處絞磨機的牽引鋼絲連結，啟動絞磨機牽引海纜，如圖5所示。施工船移動船位，避讓出海纜登陸路由，再由牽引船牽引海纜。當海纜登陸完成后，潛水員下水逐個拆除浮運海纜的輪胎，將海纜按設計路由沉放至海床上。

圖5 海纜終端登陸示意

3 海纜后續保護

受船舶吃水深度、海底地質、海底管線交越等因素影響，有部分段海纜敷設未達到設計要求，需要后續采取一些措施保護好海纜[11，12]。

3.1 人工沖埋保護

由于主施工船因船只吃水問題無法完全靠近登陸岸邊且海底地質為淤泥質土時，可以采用人工沖埋保護方式。在海底中段海纜全部埋設完畢后，潛水員在水下探摸清潮間段水下海纜的實際情況，然后由潛水員利用小型高壓水泵按海纜實際敷設軌跡將海纜沖埋至設計要求埋深。

3.2 安裝套管保護

在基巖區、潮流沖刷槽區等不良地質海底區域內，可加裝保護套管保護海纜，保護套管能提高海纜抗外力破壞能力，減小電纜磨損。在基巖區內，海纜施工前先進行路由巖面勘察，采用爆破方式，去除孤石，整平基巖面，直接在巖面上開鑿電纜溝，海纜套上海纜保護套管后放置槽溝內進行固定，如圖6所示。在潮流沖刷槽區內，海纜在敷設前，確定潮流沖刷槽位置及距離，先用埋設裝置開挖，深度不小于60 cm，再把海纜套上保護套管后敷設至溝內。

圖6 電纜套保護管

但其運行后會帶來2個問題[11]：

（1）保護套管阻擋海纜散熱，引起海纜運行溫度升高，因此設計時就要校核帶套管的海纜載流量和套管的機械強度。

（2）采用導磁性材料的保護套管，運行中套管會產生感應電勢，形成內部環流，增加海纜電能損耗。因此要選擇無磁類保護套管（如玻璃鋼）。

3.3 拋石保護

拋石保護應用在已進行過埋深保護及其他保護措施的海纜上，對不能滿足設計防護要求或無法實施其他保護措施的海纜區段、海纜裸露海床部位，尤其是在復雜的海床地質條件下形成的懸空段，通過實施拋石填充所形成的石料堆積體，使海底電纜運行環境得到有效改善和穩固。避免了海底電纜在海流的作用下，長期疲勞運動或與海床產生摩擦而造成海纜絕緣介質破壞。同時，海纜上部的石料堆積層也具備了一定抵御外力沖擊破壞的強度。500kV海南聯網工程海底電纜保護方案中就采用了拋石保護方案。

拋石保護工程非常復雜，在工程實施中主要分為2個建設階段，前期建設階段包括海纜狀態的精勘調查、設計論證、試驗研究、采石場調研，施工階段涉及石料的制備及質量控制、拋石作業、濾層（碎石層）轉序驗收、鎧裝層（塊石層）斷面竣工驗收、工程控制等。要綜合考慮海纜安全和堆石體穩定性，海纜拋石設計的堆石體一般采用兩層結構，內層（濾層）為2.54～5.08 cm碎石，外層（鎧裝層）為5.08～20.32 cm組合塊石，如圖7所示。

圖7 海纜拋石保護示意

3.4 海纜橋架

海纜橋架可應用在2種情形下：

（1）若海纜設計路由地形凹凸或有海溝，海纜可能處于懸空狀態，海纜橋架安裝在這些不平坦的地形下，支撐電纜，防止海纜懸空擠壓。

（2）在管線交越時，也可以安裝電纜橋架，既能固定海纜不與下層管線相互摩擦，又能使下端管線檢修時不用挪動上層海纜。海纜橋架的設計應滿足頂部縱向力可以支撐電纜，且確保船錨不會碰及。

3.5 警示標志

在海纜兩端登陸點明顯的位置安裝“禁止拋錨”、“水線”等警示標志，告知過往船舶此處海域有電纜，禁止拋錨，以免破壞海纜。

3.6 海圖

將新敷設好的海纜路由軌跡錄入至海事的海圖中，由海事發布公告，過往該海域的船舶通過AIS（船舶自動識別系統）可以在海圖上看到此海域中電纜的位置，避免拋錨。

4 試驗驗收與工程實例

海纜敷設及電纜終端頭制作完成后，需要對海纜進行完工試驗，檢驗海纜的各項性能指標，判斷是否在施工過程中受到傷害，能否滿足安全運行要求[13，14]。

試驗主要包括耐壓試驗、絕緣試驗、泄漏電流試驗等幾項，其中海纜的絕緣測試要求在海纜耐壓試驗前后各做1次，前后2次絕緣電阻的差別不大[15]。海纜試驗合格后，進行完工驗收，驗收合格的海纜方可投入運行。

由我國自主設計和施工的110kV嵊泗聯網工程海纜線路起點為衢山島的小山咀，終點為泗礁島的紅棗坑山坡，路由長度33 km，海底除潮流沖刷槽之外的地貌較平坦，平均水深30 m，最大水深49 m，多為淤泥質，適宜海纜的埋設施工。

施工采用敷埋同步方式的海纜慢速絞錨牽引式敷埋工法，航道處深埋3 m，一般路由深埋2.5 m；在與管線交越和基巖處，安裝無磁不銹鋼保護套管加以保護；兩頭登陸點設置“禁止拋錨”、“水線”警示標志；同時運用海纜在線監測系統和AIS海纜路由監控系統，有效保障了海纜敷設施工的圓滿完成。

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