大口徑鋼管海底敷設施工中的二次切土后深埋技術

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002

1 工程概況

舟山市大陸引水二期工程跨海段輸水線路全程在海底敷埋通過，跨海鋼管為Q235螺旋焊縫鋼管，外徑1 220 mm，壁厚14 mm。跨海輸水管道線路共2 條，分為南線和北線，平行布置，管線長度分別為33.07 km和33.10 km。海底管道埋深要求為至少埋深至海底原始海床面以下2.7 m[1]。

2 海底管道埋設犁設計

本工程的難點是2.7 m的埋深要求是目前鋼管埋設犁所能埋深的極限，且由于傳統的海底管道埋設犁（圖1）存在因被敷鋼管直徑增大導致的左右2 把水力間距增加，而水力刀高壓水射程有限，難以破碎溝槽中間土體的難題，使得埋設機一次沖埋管道難以直接到位。若二次補埋，不僅使施工工效大幅降低，而且存在定位困難、容易引起原先已經形成的一次溝槽塌方、埋設犁容易出現側傾等技術難題[2]。針對上述情況，專門設計了擁有前后2 組水力刀設計的全新海底鋼管埋設犁（圖2），其2 把前刀為垂直刀片，負責初步沖出溝槽；2 把后刀為傾斜刀片，傾角為10°，負責補充破碎溝槽中間的土體，再用后刀上的冷風吸泥管徹底清空溝槽。該機2 把前刀和2 把后刀相距10 m，即管道某一斷面經過前刀沖挖10～20 min后，后刀將再次補充沖挖該斷面，形成了宏觀上埋設犁一次通過而微觀上管道被沖挖兩次的效果。這不僅解決了管道口徑增大導致左右2 把水力刀距離過大無法破碎溝槽中間土體的難題，而且通過將一次埋深變成兩次埋深，成倍提高了溝槽的開槽深度，避免了二次補埋存在的種種問題。具有施工功效高、成本節約、工藝成熟安全、埋深質量好的優點[3,4]。新設計的海底鋼管埋設犁總成如圖3所示。

圖1 傳統埋設犁沖挖原理

圖2 新設計的二次切土海底鋼管埋設犁沖挖原理

圖3 新設計的海底鋼管埋設犁總成

在圖3中，滑撬用以承受埋設犁質量，使之不會陷入淤泥之中；前水力刀為垂直刀，先用高壓水初步沖射破碎土體形成溝槽；后水力刀夾角為10°，在前刀通過10～20 min后再次補充沖挖溝槽中間的土體，徹底形成溝槽；吸泥管用空氣吸泥原理將溝槽中破碎的淤泥吸出溝槽，揚拋到海面上；進水桁架為高壓水供水管路；活動豎滾輪用于卡在待敷鋼管兩側作為導向，使埋設犁能夠騎著鋼管進行埋深施工。

3 電測系統

為了更好地控制海底管道埋深的質量，本次施工專門開發了全新的電測系統，將施工期間所需的各項施工測量數據（水腔供水壓力、氣包供氣壓力、水深、埋設犁姿態、流速、風速、錨機繩速、GPS船位、鋼管與埋設犁立柱接觸情況、前后水力刀角度）集成并作反饋[5]。

4 施工船的設計與配置

1）施工船須擁有足夠的空間，以承載所有埋深施工所需的設備及人員。本次管道后埋深施工，采用了我公司的3 000 t級大型施工船“建基3002”作為埋深施工船。“建基3002”為方駁結構，長60 m，寬22 m，正常排水量為3 000 t。

2）施工船具備大型設備起吊能力，以完成大型埋設犁（60～70 t）的投放、回收工作。

3）施工船的多點定位錨泊系統需滿足施工海域水深、風浪、流速條件下安全施工，并能做到精確、緩慢地控制船位。為此施工船上配備了1 臺35 t牽引錨機以及4 臺20 t定位、糾偏錨機，5 臺錨機全部進行了變頻化、集控化設計。真正實現了對埋設犁牽引的全程可控制，確保了施工的進度和質量。另外，配有一臺20 t的普通錨機作為牛鼻子牽引埋設犁。

4）施工船須配備精良的水上水下定位、監控系統，以確保牽引埋設犁的準確性。本工程施工船上配備了1 套由GPS施工定位系統、全船監視系統、埋設犁水下監控系統組成的施工定位、監控系統，能夠隨時監測施工船的船位坐標、各個位置的情況、埋設犁在水下的姿態、水力刀的角度、水泵、空壓機的壓力等數據，并能以數據、錄像等多種形式進行保存。

5）施工船在埋設施工過程中，還要負責為埋設犁供給水槍破土所需的高壓水以及空氣吸泥裝置所需的壓縮空氣。所以施工船上還配備了10 臺高壓水泵、2 臺空氣壓縮機等一系列施工泵浦設備。

5 施工工藝

施工船的埋設施工工藝流程如圖4所示。

圖4 工藝流程

6 管道后埋深操作方式

施工船通過牽引鋼絲繩連接埋設犁，正常牽引埋設犁時，牽引鋼絲繩保持不動，通過施工船移船牽引埋設犁前進，僅在水深變化時，通過調節牽引鋼絲繩長度，保持水下埋設犁姿態前后基本水平。

施工時，由錨艇將5 個定位錨分別拋在施工船前進方向及兩側糾偏方向。埋管船通過均勻、慢速絞錨前進，如圖5所示。定位錨拋設位置均由錨艇上的技術員通過DGPS定位確定。施工船5 臺錨機的絞錨前進操作、控制由集控錨機操作員完成。集控錨機操作員通過施工DGPS導航定位，結合通過視屏監視系統觀察埋設犁進水桁架與施工船的相對位置，對埋設犁進行左右定位、糾偏。通過水下電測系統反映的數據，結合每日潛水員探摸管道、溝槽的報告確定埋深移船前進速度。

圖5 施工船絞錨前進示意

埋設犁前進的同時，10 臺高壓水泵開啟，通過供水管路將高壓水供應到前后水力刀。所有水泵、空壓機管路壓力均集成如電測監測系統。另外，視屏監視系統有一個專門的探頭供集控錨機操作員觀測冷風吸泥管的出泥情況，冷風管出泥一旦出現不暢，立即暫停埋深前進，處理狀況。

7 埋深檢驗

埋深檢測由設置在埋設機上的實時電測檢測系統和每日進行的潛水員水下抽查組成。

電測系統主要通過實時采集水壓、角度數據，取得埋設犁的前后左右傾角、水力刀的角度、埋設犁的深度、水泵管路內的水壓、空氣管路內的氣壓。通過這些數據，分析埋設犁的工作狀態是否正常，同時判斷埋設犁的實時開溝狀況；潛水員主要抽查管道實際就位狀態下的埋深效果。

8 結語

目前，跨海鋼管口徑增大、埋深設計要求增加是跨海引水工程發展的大趨勢。在舟山二期海底管深埋施工中，我司在原有的海底鋼管先敷后埋施工工藝的基礎上，研制了新型的擁有前后2 組水力刀設計的全新海底管道埋設犁，武裝了全新的埋深施工船，并制定完善的海底管道后埋深施工工藝流程，解決了溝槽寬度增大引起的水力刀間距增大、溝槽中間土體難以破碎，以及埋深要求提高導致的一次沖埋深度不容易到位的技術難題。該方法具有工藝靈活、實用性強、溝槽斷面最小化、施工效率高、自然回淤容易、不需要再次回填等優點，成倍地提升了施工工效，在實踐中取得了良好的效果。