海底管道悬空段网兜沙袋清理标准化施工技术

付春丽，吴 军，张 涛

中国石油集团海洋工程有限公司，山东青岛 266555

海底管道受自然条件和人类活动等因素综合影响，所在海域水动力条件发生变化，使路由沿线海床受到冲刷，导致管道悬空。悬空治理方式包括沙袋回填、灌浆填充、机械结构支撑、碎石回填、仿生水草等[1-2]，其中沙袋回填是悬空治理的常用方案，而且为提高应急抢修效率，通常采用网兜将上百个沙袋整体抛填至悬空处。但对于水流较大的海域，沙袋回填治理后容易再次出现悬空，因此需对悬空处已回填网兜沙袋、吨袋等回填物进行清理，然后通过后挖沟机将管道沉至海流冲刷影响区以下，避免管道再次悬空[3-5]。对于在役海底管道，如何安全高效清理抛填到海底管道底部的网兜沙袋，目前国内外尚没有可借鉴的经验。本文借助册子岛—镇海海底管道悬空段整治项目，结合施工海域水文条件，研究了清理吨袋及网兜沙袋作业的难点并形成了标准化的清理方案，可为今后类似的抢维修工程提供可靠的技术指导。

1 悬空治理概况

册子岛—镇海海底管道（简称“册镇海底管道”） 起自浙江舟山册子岛西岙，途经大菜花岛北侧，终至镇海岚山中转油库，总长约36.2 km。管道沿线水深0～22 m，水深分布不均，地质地貌复杂，施工观测区潮汐属于不规则半日潮型，每日有两涨两落，潮差变化较大，最大潮差4 m左右，潮流流速快，最大涨、落潮流速可达2 m/s，而工程区海域最大流速达2.76 m/s。册镇海底管道受冲刷影响，管道路由出现一处长约63 m的悬空段，悬空高度在2 m左右，管道裸露悬空情况见图1。

图1 管道悬空段示意

管道运营方为保证输油管道的安全运行，对悬空段应急采用了抛填网兜沙袋和吨袋的保护措施，即在悬空管道下方放置网兜沙袋对悬空段进行支护，在管道两侧放置吨袋进行水流阻挡，其中抛填吨袋953个、沙袋99 297个、网兜500个。沙袋回填情况如图2、图3所示。

图2 回填沙袋底层剖面

图3 回填沙袋纵剖面

为实现管道的长治久安，需采用后挖沟方式将管道沉至海流冲刷影响区以下。结合挖沟机工作性能，经分析得出：沙袋和吨袋都可以通过挖沟机水力喷射破拆；但是网兜具有柔韧性，挖沟机很难将其切断，进而会影响挖沟机行进作业，故在后挖沟沉管作业前需将网兜打捞出水。因此，如何高效、安全地将网兜打捞出水是保障后挖沟沉管作业顺利实施的前提。

2 清理方案分析

关于急流海域大量网兜沙袋、吨袋的清理方案，目前难以查到国内外相关参考文献，针对本项目，经过综合分析水流情况、平潮期时间、水深、抛填物数量与分布、工期要求、安全隐患等影响清理的因素，形成两套清理方案，其对比分析如表1所示。

通过表1对比分析可知，对于工期紧迫的抢维修工程，首选安全高效的方案，因此选择伸缩臂挖掘机清理方案进行网兜砂袋、吨袋的清理工作。但是需要制定切实有效的管道保护措施，形成标准化施工方案，保障不因人员倒班而产生差异化施工，避免伸缩臂挖掘机对管道的损伤。

表1 清理方案对比分析

3 伸缩臂挖掘机标准化施工

3.1 伸缩臂挖掘机清理原理

伸缩臂挖掘机采用内伸缩臂结构，其主要特征为伸缩臂结构由一个固定体和多个移动体组成，移动体套入固定体内，通过伸缩缸的伸缩改变抓斗行程，从而调整挖掘机的挖掘深度。将合适行程的伸缩臂挖掘机固定在工程船上，当伸缩臂的固定体固定后，伸缩臂只能上下伸缩，不会左右及前后移动，保证了施工的安全。伸缩臂挖掘机清理沙袋作业如图4所示。

图4 伸缩臂挖掘机清理沙袋作业

3.2 伸缩臂挖掘机适应性改造

3.2.1 挖掘机设备改造

（1）斗齿闭合限位。将抓斗的每根斗齿延长至0.5 m，并在抓斗上设置限位器，使得抓斗只能合拢到原来程度的一半左右，如图5所示。这样的设计能够使抓斗触底后斗齿更容易勾住埋在小沙袋底部的网兜，同时在伸缩臂挖掘机将网兜连同网兜内的小沙袋上提的过程中，能够通过斗齿间隙将散落的或被抓斗抓出的小沙袋过滤掉，并且抓斗上提过程中由于抓斗始终没有完全闭合，可以减少散砂和水的重量，从而提高作业的效率。

（2） 斗体开孔。在抓斗斗体上开孔，减小水流对抓斗的影响。

（3）接触防护。在陆上开展对原油管段抓斗抓取试验，找出在施工过程中抓斗可能会与管道发生触碰的部位，然后在这些部位外侧包裹一层厚度达2 cm左右的橡胶，起缓冲作用，减小抓斗对管道的影响。

图5 抓斗改造示意

3.2.2 改造后设备的陆上试验

（1） 操作试验。进场施工前在陆地上用改造后的伸缩臂挖掘机对吨袋和网兜进行抓取试验，验证抓取的效果；同时在进场之前训练伸缩臂挖掘机操作员的手感，达到能判断抓到沙袋和碰到管道的不同情况，如果碰到管道则立即收缩伸缩臂。

（2） 对管道的破坏性试验。考虑到管道表面包覆着一层混凝土配重层，而两节管段的连接部位则并未包覆混凝土配重层，为了验证抓斗对管道的伤害程度，在陆地上使用伸缩臂挖掘机抓斗分别对包覆混凝土配重层的管段和裸露的管段进行破坏性试验。经反复试验，验证改造后的抓斗不会对管道造成破坏性的损伤，只有轻微的划痕，如图6所示。

图6 裸露管道抓取的现场试验结果

3.3 海上清理作业方案

（1） 工程船舶按照设计锚位抛锚就位于管道上方。

（2） 潜水员下水在管道上绑扎信号绳，并将信号绳引至两艘辅助船的外侧，通过拉直信号绳来确认管道是否位于辅助船底部并且距离船头的水平距离为2 m左右。

（3） 两艘辅助船傍靠工程船，其船首与工程船船首方向保持一致，并且确保两艘辅助船船首跨过管道的水平距离为2～3 m，以确保挖掘机抓斗入水后与管道的安全距离。

（4） 就位完成后，挖掘机伸缩臂入水进行抓取沙袋作业。清理作业应确保伸缩臂挖掘机的作业面始终处于水流下游及管道外侧，一是避免对管道的影响，二是便于从沙堤的外侧开始逐渐往沙堤内侧清理，采取这种顺序清理，能够避免遗漏的网兜沙袋、吨袋被水流冲刷至未清理的区域。

（5） 当潮向改变后，工程船向管道另一侧移动，确保两台挖掘机的工作面位于管道的外侧，同时两侧的辅助船调转方向，使船首与工程船船首方向相反，并且同样通过拉直绑扎在管道上的信号绳来确认管道是否位于辅助船底部并且距离船头的水平距离为2～3 m。工程船就位如图7所示。

图7 海上挖掘机清理网兜示意

（6） 制定并执行《悬空段沙袋清理作业条件确认表》（见表2），每次清理前、锚位变动后或潮流变向后对照此表认真检查作业条件是否满足相关要求，形成标准化清理程序。

4 结束语

基于伸缩臂挖掘机的网兜沙袋标准化清理方案，已成功应用于海况恶劣的杭州湾海域册镇海底管道悬空段的网兜沙袋、吨袋应急清理抢修工程，实现了高风险作业的标准化施工，在国内首创了一套操作性强、效率高、风险低的在役海底管道悬空段网兜沙袋清理施工技术，可为今后类似抢维修工程提供有力借鉴。

表2 悬空段沙袋清理作业条件确认表