海底數據中心示范項目海纜登陸施工技術研究

胡紹峰 蒲 定 李均波 陳希恰 蘇 洋

（深圳海蘭云數據中心科技有限公司，廣東 深圳 518052）

0 概述

海底數據中心示范項目是深圳海蘭云科技有限公司在陵水清水灣海域投資建設的項目，其中海底數據中心的電力及光信號傳輸主要通過海底光電復合纜將電力和信號從岸上傳遞至水下的數據艙。項目登陸沙灘為旅游沙灘，且在近海區域有珊瑚棲息區，傳統明挖法會破壞生態及海域、沙灘及防護林的施工污染，對環境的影響比較大[1]。綜合考慮，這次項目選擇采用非開挖水平定向穿越的施工方法進行海纜登陸施工作業。

非開挖水平定向穿越施工是20 世紀70 年代逐漸開始在給排水、電力、燃氣等不宜采用開挖施工領域的管道敷設中應用的[2]，在海洋工程的陸海施工中也多有應用[3]。該文以海底數據中心示范項目海纜登陸段施工所采用的陸海定向穿越技術為例，對陸海定向鉆穿越的施工設計與施工工藝進行介紹。

1 陸海穿越定向鉆施工設計

1.1 地質巖層特征

該工程對穿越路由上的地層進行鉆孔取樣，得到的場地巖土層特征如下所述。

第①層中砂：松散，局部稍密狀，標貫實測擊數為8~13擊，平均擊數為9.4 擊，fak=130 kPa，該層含黏粒較低。

第②層黏性土：可塑狀，標貫實測擊數為9~18 擊，平均擊數為13.3 擊，fak=160 kPa。該層局部含有風化完成的花崗巖石塊及孤石。

第③層強風化花崗巖：巖體基本質量等級屬Ⅴ類，重型動力觸探實測擊數為10~19 擊，平均擊數為14.2 擊，fak=350kPa。水平鉆施工時須更換鉆頭或其他有效方法進行施工。

第④層中風化花崗巖：巖體基本質量等級屬Ⅱ類，fak=4000 kPa。

1.2 穿越曲線設計

該工程定向鉆施工入土點設在岸邊，考慮到定向穿越的路徑有防護林及沙灘等多種類環境條件，尤其是防護林與沙灘之間的高差有近10 m，所以這次穿越曲線的設計將入土角度控制在13°以內，出土點位于海上水深4 m~5 m 處的位置，出土角為6°左右。穿越長度為800 m 左右，穿越地層為中風化巖層。

1.3 海纜保護管選型及回拖力計算

該工程中定向穿越的地質條件為中風化巖層，如果后續海纜直接回拖可能會造成海纜的外護套損傷，所以需要在定向鉆穿越施工完成后，在穿越路由安裝1 根管材，保障海纜回拖安全。在工程中常見的定向穿越的海纜保護管分為2種，一種為無縫鋼管，一種為高密度聚乙烯管材（簡稱PE管）。考慮到鋼管回拖施工，須將鋼管分段運輸到船上，然后在船上對兩段鋼管進行焊接后，才可以進行回拖，其施工較為復雜且對焊接工藝的要求較高，因此選擇更具性價比的PE 管作為該工程的海纜保護管。PE 管具有密閉性能好、使用壽命長、耐腐蝕、質量輕以及斷裂延長率較高等優點[4]，對該項目來說，PE 管施工也較為方便，只需要通過熱熔膠進行連接，性能較為穩定，同時由于定向穿越的巖層為中風化巖層，地質情況較為穩定，可以彌補PE 管抗壓性能較差的缺點[5]。

該工程選用的PE 管相關參數見表1，相關參數檢驗標準參考GB/T 13663.2—2018 給水用聚乙烯（PE）管道系統（第2 部分）：管材[6]。

表1 PE 管性能表

該工程穿越PE 管型號為?355×13.6 mm，根據GB 50423—2013《油氣輸送管道穿越工程設計規范》[7]的相關規定，最大回拖力計算如公式（1）所示。

式中：L為穿越長度，這次穿越段長度取800 m；f為PE 管與巖層摩擦系數，取0.6；D為PE 管外徑，取355 mm；γm為泥漿重度，取10.5 kN/m3~12.0 kN/m3；γs為PE 管重度，取9.1 kN/m3；δ為PE 管壁厚，取13.6 mm；Wf為PE 管的單位長度質量，取0.9 kN/m，K為黏滯系數，取0.18 kN/m2；經過計算，PE 管最大回拖力FL=232.04 kN，根據《油氣輸送管道穿越工程設計規范》GB 50423—2013[7]，最大回拖力按照取計算值的1.5~3 倍考慮，經計算，該穿越管段定向鉆最大回拖力不宜小于510 kN。該項目選用的鉆機為徐州工程機械制造的XZ5060，其最大推拉力可達5300 kN，大于該工程PE 管的最大回拖力，滿足施工需求。

1.4 海纜回拖計算校核

定向鉆施工完成后，海纜敷設船將在定向鉆的出口進行等待，通過定向鉆預留管道的內部鋼絲與船上的海纜端頭拖拉頭進行連接，然后由出土點側的絞車將海纜回拖至岸上。考慮到海纜回拖過程中，由于海纜以及拖拉頭的距離過長，因此拖拉載荷過大，海纜被拉壞，現對海纜回拖的載荷進行計算以滿足定向鉆回拖距離的校核計算。

1.4.1 海纜相關參數

本次選用的海纜形式為海底光電復合纜，其用于回拖校核的相關參數見表2。

表2 海纜回拖校核相關參數

1.4.2 海纜回拖計算校核

本次海纜回拖拉力計算如公式（2）所示。

式中：T為回拖載荷，T≤min{Fq，Fl}/γ0，其中，γ0取1.25；T1為初始拉力，由于海纜提前會隨鋼絲一起進入定向鉆出土點位置，其載荷可忽略不計。

經計算：海纜牽引的安全距離L為911.2 m，其大于設計的定向穿越距離800 m，因此海纜抽拉校核結果滿足回拖要求。

2 定向鉆重點施工方案

2.1 施工流程

本次定向穿越的施工流程如下：施工現場準備→測量放線定位→入土點夯管施工→定向鉆設備安裝調試→泥漿配置→導向孔鉆進→擴孔→洗孔→PE 管回拖→海纜回拖→海纜陸上錨固施工。

2.2 鉆機場地布置及鉆具組合

定向鉆岸上入土側布置如圖1 所示，其中鉆機布置位置位于定向鉆施工入土點位置，其他相關設備及設施的布置根據鉆機位置進行布置，布置場地的尺寸為15m×40m。

圖1 定向鉆岸上入土側布置圖

海上出土側作業區域布置采用駁船進行PE 管回拖。駁船將固定在出土側，主要用于PE 管預制、鉆桿打撈、PE 管回拖及相關輔助支持。

2.3 導向及定位系統

為了保證該工程的定向穿越作業，使用MGS 型有線地磁導向系統進行導向作業，有線導向系統的基本原理如下：在每鉆進1 根鉆桿后，導向探測器測量出每根鉆桿所改變的水平角度和縱向角度（精度達到0.01°），根據每根鉆桿鉆進的長度（即單根鉆桿長度，可以在船上測出），計算（通過地表計算機內的控向軟件）每鉆進1 根鉆桿鉆進后鉆頭的三維坐標值（即鉆進1 根鉆桿后，在長度、深度、左右偏差的改變值）。采用MGS 導向系統能夠在鉆進過程中實時顯示鉆進將要調整的方向，并實時生成導向孔曲線，且具有較強的抗磁場干擾能力，滿足該工程穿越長度和深度的控向精度要求。在開鉆前，將設計穿越曲線輸入系統中，就可以實時顯示導向孔實際曲線與設計曲線在深度、左右方向上的差值，直接指導控向和操鉆人員的下一步曲線調整操作。

除了使用地磁導向外，還將使用海上定位磁靶對導向探測器進行海上輔助定位。輔助定位間距為100 m/次~200 m/次。根據出、入土點標定的GPS 坐標，建立穿越中心線的GPS 坐標系，GPS 鉆頭跟蹤測量儀發射磁信號，鉆頭探測器接收到信號后，計算鉆頭相對穿越中心線的位置。

2.4 導向孔鉆進

定向鉆鉆進前，首先進行鉆具設置，結合該工程的項目特點，設計的鉆具組合如下：鉆機→5-5/8"鉆桿→230 mm無磁鉆鋌→311 mm 斜板鉆頭，具體鉆具設置如圖2 所示。

圖2 導向孔施工示意圖

根據設計圖紙提供的入土點、出土點坐標，嚴格按控向系統調校程序進行調校；在鉆進過程中控向人員及監測人員隨時監視和控制穿越曲線情況，避免鉆進過程中的急劇調向，以防卡鉆；這次磁方位角測量將在鉆頭穿越出套管后使用地面輔助定位系統測量磁方位角，將在鉆頭鉆出50m~100m 后設定穿越磁方位角。并在之后的鉆進過程中進行復測和糾偏，保證穿越精度；在鉆進過程中，根據設計的每根鉆桿的全角變化率，確定控向基本參數；鉆孔施工同時采用人工校驗法，探測器對信號強度進行采集，從而計算探頭的位置；當鉆頭接近地方設施時，使用鉆頭輔助定位系統的測深功能，保證這次穿越與第三方設施的安全距離。

2.5 擴孔、洗孔施工

鉆頭從海底出土后，由潛水員將鉆頭從海底經過出土側鉆桿龍門支架打撈至駁船上，卸掉導向鉆頭，連接擴孔器，開始進行擴孔工作。當擴孔時，海上駁船的拋錨位置與導向孔階段的船舶位置相同，拆除入土側鉆桿支撐導向套管，由支撐樁支撐海水中的鉆桿。

擴孔計劃見表3。

表3 導向孔、擴孔、洗孔計劃表

擴孔鉆具組合如下：鉆機→8-5/8"鉆桿→（扶正器）→擴孔器→8-5/8"鉆桿；具體鉆具組合如圖3 所示。

圖3 擴孔施工示意圖

在擴孔過程中，按照設計要求適當地增加泥漿排量，控制回拖速度。一級擴孔完成后，分析成孔情況，再用同級別擴孔器進行清孔。

當擴孔和清孔時，要保持足夠的排量，入土點配備2 臺大功率泥漿泵，單泵額定排量為2 m/min。在擴孔中時刻注意泥漿壓力及返漿的情況，發現返漿量減少及時停工，處理妥當后才可以繼續擴孔。

2.6 管道與海纜回拖

導向孔擴孔完成后，開始進行PE 管回拖，PE 管回拖的方向是從出土點向入土點進行回拖，PE 管會提前放在駁船上進行擺放并進行熔接，首段PE 管需要與鉆頭進行套管安裝，安裝后的PE 管如圖4 所示。安裝完成后，岸上鉆機開始回收鉆桿，同時開始PE 管的回拖，在PE 管回拖期間，需要在駁船上觀察PE 管下放速度，并與入土點的司鉆保持密切聯系，確保PE 管不會在回拖過程中被破壞，回拖完成后，需要對回拖的PE 管進行岸側固定，并對施工過程中產生的泥漿進行回收處理。

圖4 出土點套管安裝示意圖

PE 管回拖完成后，駁船收錨并撤離施工現場，海纜敷設船舶進場后進行拋錨布場，然后開始海纜的回拖，海纜回拖方向從鋪纜船上向陸地進行回拖。

回拖時鉆具連接方式如下：鉆機→鉆桿→旋轉接頭→“U”形環→海纜。

在海纜回拖的整個過程中要根據鉆機顯示回拖力的大小控制回拖的速度；確保回拖過程中海纜所受拉力處于許用拉力范圍內。海纜回拖完成后需要對海纜進行絕緣及光纖的測試，測試結果滿足要求后再對已回拖的海纜進行錨固固定，保證登陸海纜滿足在位要求。

3 結語

海底數據中心示范項目作為國內首次將數據中心布放在海底的海洋新基建項目，其中海纜登陸施工作為該項目電力與通信輸送的重要通道施工，對整個項目具有重要的意義，該項目采用陸海定向穿越施工，工期為40 天（含設備自動復原），與明挖施工方案相比，節省工期約20 天。在環境要求較高的海南陵水清水灣進行該項目定向穿越施工過程中，沒有對海洋環境及穿越路徑上的沙灘和防護林造成影響，為國內類似的海底數據中心海纜登陸設計與施工提供參考。