跨航道海底管道大深度预挖沟技术应用

李晓明，姜学录，杜喜军，崔占明，李 沙

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引 言

随着我国经济的发展，港口城市的货运量需求越来越大，港口航道扩建成为必然趋势，这对跨航道海底油气管道的布线和海管埋深有了更高的要求。为了确保海底管道的正常运营，涉及航道扩建的海底管道需要改线输送，将新敷设管道埋设到满足航道深度要求的海底区域。根据扩建航道吨位要求的不同，新敷设海底管道埋设深度有些超过10 m，土方开挖量巨大，这给管道的挖沟工作带来较大的不便。

对国内外海底管道预挖沟方法和航道疏浚方法进行收集与研究，总结海底管道跨航道区域大深度预挖沟技术，并以渤海某油田海底管道跨航道改线项目为工程实例进行分析，为以后类似大深度预挖沟工程项目提供参考。

1 地质条件调查

在施工作业之前，对需开挖区域进行海底地貌调查及地质钻孔调查，海管布线应选择海底地形平坦、地质条件符合开挖条件的区域。

1.1 海底地形调查

海底地形调查主要检测开挖区域的地形起伏、海底泥面不同位置距离水面的高差(即水深)、布线勘察区内无影响管道敷设的异常地形。以渤海某油田海底管道跨航道改线项目为例，进行水深与地形地貌调查。图1为海底水深地形调查结果。

单位：mm 注：图中数值表示水深；A、B为管线在调查边界内的两个端点；C、D为管线在航道范围内的两个端点图1 海底水深地形示例

1.2 地质钻孔调查

在航道跨越段范围内，以交叉点为中心，左右各200 m，每隔100 m钻1个20 m深取样点，共计5处；在航道跨越段范围外，距离交叉点200～1 000 m，每隔1 000 m钻1个10 m深取样点。钻孔地质调查点的分布情况如图2所示。以H4钻孔取样点为例，描述钻孔取样后得到的土质结果，如表1所示。

表1 H4钻孔土质描述

2 船舶选型

目前，国内外常见的挖泥船有绞吸式挖泥船和耙吸式挖泥船等，绞吸式挖泥船抗风浪能力弱，而耙吸式挖泥船在自航能力、挖深、输泥距离不受限制等方面有一定优势[1]。在我国海洋工程行业内，通常采用耙吸式挖泥船进行大深度预挖沟作业。该船工作原理是通过耙头切削疏浚物并使其液化，通过舱内的泥泵或耙臂泵吸取液化疏浚物，并排入船上自带的泥舱中，然后航行至指定地点将泥砂卸出。

注：H2～H6为航道跨越段范围内的钻孔取样点；H1、H7为航道跨越段范围外的钻孔取样点图2 钻孔取样站位布设

耙吸式挖泥船具有良好的航海性能，可自航、自挖、自吹、自载、自卸，施工中不占用大量水域，可挖掘粗砂、中砂、细砂以及经过处理后粒径不大的碎岩石、中等密实砂土等[2]。由于具有艏吹装置，又可承担开阔的海湾、河口、海港及较长距离航道等区域的吹填造陆工程任务。

2.1 船舶舱容选择

船舱容量是耙吸式挖泥船主要的技术指标之一，根据船舱容量的大小可以简单划分为小型、中型、大型、特大型和巨型挖泥船[3]。

实例作业区域属于渤海，水深约20 m，开挖土方量在100×104～200×104m3，为确保船舶施工效率和施工安全，在控制总体成本的原则下，选择使用大型耙吸式挖泥船进行作业。

2.2 耙头选择

耙头是耙吸式挖泥船提高挖掘效率的关键，通过对疏浚物的机械疏松，切削、撕裂、扰动、破坏疏浚物的级配，配合高压水的冲刷和补水作用，加速疏浚物的液化，将液化的疏浚物通过离心泵吸入装舱。对于不同的地质土壤和工况，选择的耙头也不同[4]。

3 施工工艺选择

(1)分段施工。当挖槽较长，挖泥任务的总挖泥量超过船舶的装载量，需多次往返作业时，建议采用分段施工。不规则挖沟情况需要分层施工，先进行直管部分施工，后对弯曲部分进行施工。

(2)分层施工。在一般情况下，当泥层厚度大于4 m时，可采取分层施工。特别是当不同深度的土质变化较大时，必须进行分层施工。

在施工过程中，根据耙吸式挖泥船具体施工长度、挖深等确定分段、分带与分层开挖，避免漏挖情况产生[5]。

实例工程沿路由方向长约3.5 km，长度较短，且两端弯曲部分挖深较小，不超过1 m，因此不考虑分段施工。但该工程挖深达10 m，且泥质不同，需进行分层施工。大部分工程区域原泥面约-16 m，沟底挖深要求需至-26 m，根据实际水深情况，依次分为-18 m、-20 m、-22 m、-24 m、-26 m等5层，分层间厚度为2 m。分层紧缩进行施工，工程量约120×104m3[6]。

(3)边坡开挖。采用分层、分台阶的施工方法。按照2 m一个台阶，设定边坡开挖截止线，逐阶加深依次施工，具体边坡开挖截止线设置为：①-26 m的台阶截止线距离设计海管布线底边线外5 m处；②-24 m的台阶截止线距离航道底边线外14 m处；③-22 m的台阶截止线距离航道底边线外23 m处；④-20 m的台阶截止线距离航道底边线外33 m处；⑤-18 m的台阶截止线距离航道底边线外43 m处。各层纵向边坡开挖坡面图如图3所示。

4 验收标准

为保证海底管道顺利敷设，预挖沟验收标准须满足海管敷设设计技术要求，工程实例的验收标准说明如下：(1)挖沟沟底设计底宽为10.0 m，第一层与第二层边坡比分别为1∶5和1∶3，允许超宽9 m，超深0.7 m；(2)管沟沟底标高达到-26 m；(3)沿新海管布线方向进行过渡段处理，过渡段放坡比为1∶140；(4)沟底平整度要求10 m范围内不能出现悬跨；(5)挖沟深度由现场天然泥面的-16 m以1∶140的放坡比过渡至-26 m。

单位：m图3 各层纵向边坡开挖坡面图

各层边坡比例如图4所示。

图4 纵向坡面示例

5 现场施工情况

在实例中，除了将海底管线改线外，还将海管由现有的-16 m挖深至-26 m，在挖沟调查合格后，进行新管道的敷设。经过前期地质调查及船舶资源筛选，采用大型耙吸式挖泥船冀港浚6作为施工船舶。为保证施工质量，施工采用分层开挖均匀布耙，每层厚度0.3～1.0 m，逐层调整开挖区域。从起点原始泥面开始，耙头下放深度定深为17.0 m，均匀布耙全面开挖一遍；第2次布耙从距离起点40.0 m处开始，耙头下放深度定深为17.3 m；第3层布耙从距离起点80.0 m处开始，耙头下放深度定深为17.6 m；以此类推，直至过航道处，挖出长450 m、深度为-26 m的槽。终点一端与起点一端情况相反，两边对称。两侧边坡22.5 m以上按1∶5缩减，下层按1∶3缩减。将这些数据标注在施工控制文件上，每下挖0.3 m在导航文件上进行标记以控制实施过程。

6 总 结

采用耙吸式挖泥船进行跨航道大深度预挖沟是目前主要的施工方法，在施工中需要注意以下问题：

(1)需根据施工区段长度和挖泥航速，确定适度的溢流时间，保证每艘挖泥船最大装舱量，并提高挖泥船次。

(2)至少每下挖1.0 m就应进行一次多波束水深调查，调查数据与现场记录相互印证，开挖到6.0 m沟深以下应增加调查频率。

(3)随着开挖深度的增加，沟底局部平整工作将变得越来越困难。部分孤立、水深落差大、分布不集中、难于挖掘且可能影响海管敷设的重点区域须进行标记，后期可使用挖沟机进行定点作业。