國內(nèi)海底管道后挖溝施工技術

柳宇，黃海濱，曲有杰，陳俊友，李晶

（深圳海油工程水下技術有限公司，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，引起了相關各方的高度重視，為保證海管安全，設計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的時間分為：1）預挖溝。即先挖溝，再進行海管鋪設到管溝，預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挖溝法。預挖溝挖溝土方量大、開溝寬度大，對管線不存在損傷風險。2）邊鋪管邊挖溝。在管道鋪設過程中進行挖溝，使管道落入管溝，此種方法對挖溝設備要求高，適用于海管穩(wěn)定性不能滿足要求，需鋪設后立即挖溝的情況。3）后挖溝。在管道鋪設完成后，用挖溝機在管道上進行挖溝，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)海管后挖溝項目為例，介紹海管后挖溝的工作特點、主要設備參數(shù)和作業(yè)流程，以為未來海底管道后挖溝項目實施提供借鑒。

1 國內(nèi)外挖溝機發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 挖溝機分類

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

1.2 國外挖溝機現(xiàn)狀

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

表1 國外挖溝機參數(shù)

1.3 國內(nèi)挖溝機現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)的挖溝設備大多為噴射式，可處理剪切強度在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)主要挖溝機運營商挖溝機參數(shù)。

表2 國內(nèi)挖溝機參數(shù)

2 海底管道犁式后挖溝技術

犁式挖溝機的工作機理是在外部牽引力的作用下（如圖1）采用機械犁刃裂解翻拋土壤成預定溝型。犁式挖溝機特點是：1）需要大系柱拖力DP2支持母船拖曳前進；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500 m；4）爬坡能力不小于10°。犁式挖溝的優(yōu)點是：1）適合土壤剪切強度在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）可進行重復挖溝[2]。以下以樂東22-1/15-1海管挖溝項目為例說明犁式挖溝工作流程。

圖1 海管犁式挖溝機

1）項目概況。樂東22-1/15-1項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；破土強度≤300 kPa。

3）工作流程。海管預調(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旁50 m處就位；下放挖溝犁至海床上約10 m位置，然后進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就位，下放挖溝犁至海管上進行就位，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行前進，由船上卷揚機拖纜牽引挖溝犁進行挖溝；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；進行海管挖溝后調(diào)查，如溝深未達標，則重復上述步驟進行二次挖溝。

3 海底管道噴射式后挖溝技術

3.1 非接觸式海管后挖溝技術

非接觸式挖溝機（如圖2）的工作機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。非接觸式挖溝機的特點是：1）挖溝時與海管全程無接觸，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300 m。非接觸式挖溝優(yōu)點是：1）在土壤剪切強度為40 kPa及以下時效率較高,適合在軟泥及粗沙地質(zhì)條件下挖溝作業(yè)；2）挖溝機設備結(jié)構(gòu)簡單；3）可進行重復挖溝；4）經(jīng)濟性高、適用面廣。以下以黃巖項目海管挖溝項目為例說明非接觸式挖溝機工作流程[4-5]。

圖2 海管非接觸式挖溝機

1）項目概況。黃巖項目地處東海地區(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；土壤最大剪切強度為26 kPa。

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

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

3.2 滑靴拖曳噴射式后挖溝技術

滑靴拖曳噴射式挖溝機（如圖3）的工作機理是：利用噴射泵通過挖溝機噴射臂上的噴嘴形成高壓水柱將海床打散并進行稀釋液化，再通過挖溝機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的特點是：1）挖溝時為非接觸式，對海管損傷較小；2）溝槽相對較窄?；ネ弦穱娚涫酵跍蟽?yōu)點是：1）埋深大，最大埋深可達4.5 m；2）結(jié)構(gòu)簡單，故障率低；3）經(jīng)濟性高、適用面廣。以下以曹妃甸單點維修項目海管挖溝項目為例說明滑靴拖曳噴射式挖溝機工作流程[6-7]。

圖3 海管滑靴拖曳式挖溝機

1）項目概況。曹妃甸項目地處渤海地區(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；土壤最大剪切強度為30 kPa。

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

3）工作流程。海管預調(diào)查及海管路由障礙物清理；船舶拋錨就位；挖溝機入水進行功能測試，待測試合格后，下放挖溝機至海管上就位；啟動挖溝機，同時通過挪動船位進行起始造坡；繼續(xù)挪動船位，進行正常挖溝；在挖溝即將接近終止點時，進行挖溝終止點造坡；挖溝終止點造坡完成，關閉挖溝機，回收至甲板；進行海管挖溝后調(diào)查，如溝深未達標，則重復上述步驟進行二次挖溝。

3.3 ROV式后挖溝技術

ROV式挖溝機（如圖4）的工作機理與滑靴拖曳噴射式挖溝機一樣，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式挖溝機可自行在水下利用推進器行走，無需由船舶拖曳行走。ROV式挖溝機的特點是：1）需要DP2支持母船，依靠挖溝機自身動力前進；2）適用于深水，可達3000 m或更深。ROV式挖溝機的缺點是：1）不適合在淺水海域，比如灘海區(qū)作業(yè)；2）適合處理剪切強度在100 kPa以內(nèi)的土壤，超過100 kPa時，效率會大幅降低。以下以荔灣海管挖溝項目為例說明ROV式挖溝機工作流程。

圖4 海管ROV式挖溝機

1）項目概況。荔灣項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；土壤最大剪切強度為70 kPa。

2）滑靴拖曳噴射式挖溝機規(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。海管預調(diào)查及海管路由障礙物清理；船舶DP測試，挖溝機進行水下功能測試，然后船舶挪位至海管起始挖溝點旁50 m處就位；下放挖溝機至海床上約10 m位置，然后船舶挪位至挖溝起始點就位；下放挖溝機至海管上進行就位，然后啟動挖溝機上的高壓噴嘴和抽吸臂，并將高壓噴嘴逐漸插入泥中，進行土壤液化和排泥；啟動挖溝機推進器進行前行造坡，同時船舶以DP模式沿挖溝方向前行；待造坡結(jié)束后，進行正常挖溝；在挖溝即將接近終止點時，挖溝機逐漸將高壓噴嘴和抽吸臂拔出泥中，進行終止點造坡；挖溝終止點造坡完成，關閉挖溝機，回收至甲板；進行海管挖溝后調(diào)查，如溝深未達標，則重復上述步驟進行二次挖溝。

4 結(jié)語

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

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進行后挖溝處理。

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)會有變化，如果長距離的管道挖溝建議主要采用犁式和機械切割式挖溝機及噴射式協(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)，建議采用犁式和機械切割式挖溝機。