挖溝機相關技術進展

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(上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200030)

挖溝機是進行海底埋設的關鍵設備，目前世界上有多家公司從事挖溝機設備的設計制造或海底電纜和油氣管線的埋設，比較有代表性的如美國的Perry Slingsby Systems Ltd. (PSSL)、Tyco-Submarine Systems Ltd.(TSSL)、General Dynamics-Advanced Technology Systems(GD-ATS)及法國的ALCATEL等，其中PSSL是行業公認的挖溝技術的領導者。

1 挖溝機設計概述

挖溝機系統的設計流程一般包括:①調查；②確定埋設深度；③選擇最合適的挖溝技術；④設計挖溝機；⑤評估挖溝機的前進速度(埋設速度)。

其中，②和③往往根據土壤條件同時確定。為了給海底電纜和油氣管線提供足夠的保護，不同的海底土壤條件要求不同的埋設深度，更大的埋深能提供更好的保護。土壤條件是最重要的設計依據，決定了埋設深度、挖溝技術以及相應的埋設速度。挖溝機設計者應當詳細了解埋設海域的海底土壤條件的以下相關信息[1]。

1) 埋設線路的海底以下3 m(甚至5 m)內的不同土層的土壤條件和厚度。

2) 不同土層交界面位置，誤差不大于30 cm。

3) 土壤的基本物理和機械性能，即結晶粒度、塑性值、含水量、切變強度等。

例如，犁式挖溝機適用于砂土地質，而使用鏈式或輪式切割器的機械挖溝機是通常用于硬質粘土和軟巖條件下的作業。埋設速度在很大程度上決定了施工時間并進而決定項目成本。埋設速度根據以往經驗和精確的土壤條件信息估算。

2 土壤條件確定埋深

埋深是海底電纜和油氣管線埋設工程中最重要的參數。電纜埋深主要決定于作業區域的海底土壤條件和可能出現的破壞活動的嚴重程度。在相同埋深的前提下，硬質海底能比軟質海底提供更好的保護。典型的埋深為0.5～2.0 m，而當今多數商業挖溝機的埋纜深度都是標準的1.0 m。 除北極環境下的某些特殊工程外，埋纜深度一般不超過3 m[2]。雖然直到今天也沒有一個行業規范來界定不同埋深對電纜的保護程度,但是Global Marine System.Ltd公司還是在1997年最先提出了一個定義不同的保護水平的參數，并得到了業內其他公司的廣泛認同并沿用至今。該參數名為埋深保護指數(burial protection inedx, BPI)，定義了各種海底土壤條件下提供某個級別的保護水平所需要的埋深。BPI值越大，表示對電纜的保護水平越高，該參數的圖解見圖1[3]。

圖1 埋深保護指數圖

這個概念表明，在非常軟的粘土中2.5 m的埋深提供的保護水平大致與在硬質粘土或沙地中1.0 m的埋深提供的保護水平相當。

不同的BPI值代表不同的埋深及保護水平。

1)BPI=1，埋深僅能提供不受正常漁具破環的保護水平。適于水深大于100 m、船舶無法錨泊或禁止船舶錨泊的區域。

2)BPI=2，埋深能提供不受錨重最大為2 t的船舶破環的水平。足以抵御正常捕魚活動的干擾，但是無法抵御更大船舶的錨重。

3)BPI=3，埋深足以提供抵御任何船型(最大型除外)的錨重的保護水平。適于停泊地點和重載海運航道。

3 挖溝方式及其性能

現今用于電纜和油氣管線埋設的幾種基本類型的挖溝機[4]：①犁式挖溝機;②噴沖式挖溝機;③噴沖式ROV;④機械式挖溝機;⑤深水挖溝機。

自開始鋪設橫貫大西洋的海底電纜以來的幾十年內，使用犁式挖溝機埋纜一直都是標準的、也是最常用的海底埋纜方式。這種方式通過母船提供的巨大拖曳力來克服海底挖溝阻力。在具備某些海底土壤條件的近海淺水區，這種強力埋纜的方式今天仍在使用。經過多年的發展，這種埋纜方式已經能在更深水域和更高的土體強度下作業。雖然這種方式非常有效、可靠，但是需要很大的母船提供足夠的拖曳力，而母船的大小對工程項目總成本的影響非常大，因此這種方式相當昂貴。盡管在很多情況下必須使用大型船舶裝載相當沉重的越洋電纜，但是越來越多的短距離細纜的埋設工程借助費用低廉的小型船就可以完成。

另一種更適合小型平臺的作業設備是自帶推力的自航式挖溝機，使用1～2個挖溝工具如噴射器、滾輪切割器和鏈式切割器等進行作業。這種挖溝機的推力有限(一般為22 700 kN)，其速度和作業成本完全依賴于切割刀具的效率。

顯然，業界需要一種全能、高效、經濟的電纜埋設系統，要求能夠在較小的母船上布放，可以使用標準的布放和回收系統，同時具有在各種土壤條件的海底埋深達到1.5 m的能力。噴沖式挖溝機具備這種能力，完成足夠的埋深，同時具有顯著提高的埋設速度，且只需要比犁式挖溝機低得多的拖曳力。通過滑靴上的噴嘴將高壓水射向海底土層，減弱由土質條件的局部改變和非粘結性沙地中的孔隙水壓力效應產生的土壤強度。由于在具備較好的經濟性的同時，能提供足夠的埋深保護水平和大為改善的挖溝性能，目前與其相關的多項重要技術也經過了多家公司的試驗測試和現場作業驗證，該類型的挖溝機已經在全球挖溝機行業內取得了廣泛的應用。

雖然目前還沒有針對海底電纜和管線埋設系統的專門的行業標準，但是現場作業的實際結果已經為挖溝機類型的選擇提供了基本的指導。各類挖溝機的性能范圍值[5]見表1。

表1 各類挖溝機的性能

4 關鍵技術及最新進展

4.1 放纜技術

在海底埋設電纜時，由于預埋位置都是提前規劃好的，因而施工的關鍵是如何從母船上將電纜布放到準確位置。放纜機是用于控制放纜速度的設備，通常裝有一組成對的橡膠輪，可以抓住電纜并按照一定的速率送纜，具有與傳送帶類似的功能。送纜機在淺水區用于放纜，而在深水區則需要收攬。圖2為英國SEtech公司設計的7輪對送纜機，該送纜機在用于深水埋纜時可以8 kn的速度放纜。這樣當纜觸到海底時可能已經落在母船后面幾公里處，足夠的富余量保證電纜不會被海流沖得太遠而偏離預定的位置。此外，已經有一些海纜埋設和調查公司編寫的專門程序用于提高送纜精度，同時通過調整母船位置進行補償。

圖2 SEtech公司的7輪對送纜

4.2 噴嘴

噴嘴的設計是挖溝機設計的關鍵技術之一。噴嘴一般安裝于挖溝機的滑靴上，內部與高壓水泵相連通，利用小口徑的噴嘴噴出的高壓水將海底的粘土或沙地打散并沖走，從而形成一條溝，使電纜或輸油管依靠重力落入溝中。

1997年，TSSL公司在為其新型挖溝機海犁8(Sea Plow VIII)開發的新式滑靴中使用了名為掃掠流式噴嘴(swept flow jetter，SWJ)的專利技術。該技術的發展動力來自于經濟性：只需要更小的拖曳力，同時能提供更大的埋設速度和對電纜的最大保護。

掃掠流式噴嘴的外形和技術原理見圖3、4[6]。作業時兩排并列分布的噴嘴與垂直方向成5～10°夾角，略向后方傾斜。這種技術使得滑靴即使在最惡劣的土壤條件下也能保持高速度和低挖掘力，通過使用同時將土壤打散和移除的技術，其挖溝效率超過了現有的噴沖工具。當滑靴前進時，安裝在滑靴上的兩排噴嘴噴出高壓水使溝墻泥土變得松散并被沖刷下來，由于噴嘴斜向下，沖刷出的泥土形成泥漿流從滑靴尾部流走。使用該技術的噴沖工具和大體積水泵的尺寸必須根據需要的溝形和埋設速度來確定，噴沖工具的形狀也必須滿足高速前進所需要的挖溝性能要求。

圖3 掃掠流式噴嘴(SWJ)外形

圖4 SWJ技術原理

4.3 “舵型”操縱

“舵型”操縱的技術是指依靠裝在滑靴上的前向舵來改變挖溝機的前進方向，從而使挖溝機沿預定軌線作業。這種技術能提高挖溝機的轉向性能，縮短操縱指令的響應時間。Perry Tritech Inc.(PTI)公司與TSSL和GD-ATS公司合作進行的陸上及海上實驗證實：使用“舵型”操縱技術，挖溝機能迅速響應舵角的改變發生橫移。

4.4 回填技術

為了避免由捕魚或拋錨引起的機械損害及管道的隆起彎曲變形，挖溝過后的泥土必須回填。一般情況下，僅僅挖溝就可以保證管道的水動力穩定性，泥土覆蓋常常依靠自然回填完成。例如，噴沖式挖溝機在土質疏松的土壤中作業的時候，被挖的泥土懸浮在挖溝機頂部，并沒有被移位，因而過后會自然地沉積在管道兩側。而當使用純犁式挖溝機時，往往使用兩對滑靴來保證回填。第一對用于挖溝，并使挖出的泥土落在溝的兩側；第二對則用于回填，將兩側的泥土鏟回溝中，覆蓋在管道頂部[7]。兩對滑靴之間的距離必須足夠長，以保證從海床頂部到溝底部的管線段能夠呈S形彎曲。

4.5 深水作業技術

深水挖溝作業常常在粘土地質中進行，而淺水區作業常常在硬質粘土或軟巖石構成的海底進行，這就使得淺水區的挖溝機無法適用于深水作業。此外，母船拖曳的方式在深水作業時效率較低，且難以保證埋設精度。因此，深水挖溝技術日益成為挖溝機設計的關鍵技術之一，要求挖溝機功率更大、體積更大，同時具備自驅動功能。

PSSL研發的T—800型噴沖式ROV集中代表了深水挖溝機的各類先進技術，是當今深水挖溝機的典型代表。T—800的主要技術包括：強大的功率、高壓水噴嘴和兩種工作模式的設計，保證了深水環境下持久可靠的工作能力。T—800埋纜/管挖溝機源自于PSSL極為成功的“Triton”?系列ROV，代表了一種體積和功率都大得多的ROV設備，控制和操作性能更佳，其總布置圖見圖5。挖溝機配備的596.6 kW功率用于驅動2個180 kW的水泵，同時給8個推進器提供液壓動力。強大的功率和高/低壓給水系統的優良設計保證了噴嘴的射流壓力。T—800配備了一套挖溝工具收放系統，由一套運動基座集成系統組成，該系統包括兩個平行噴沖臂，各由一個液缸控制其旋轉和回縮；兩臂間的距離可由另外一個液缸控制，以滿足不同埋設寬度的要求。該運動基座集成系統上安裝了大量傳感器，可以測量埋深、靴角和工作載荷。

圖5 T-800總布置圖

T—800設計用于兩種工作模式——“自由飛行”和“爬行”模式。

在“自由飛行”模式，該挖溝機的整體浮力狀態被調整為接近中性浮力，由8個推進器提供推力。由于很多深水海底的地質都是由軟土構成，太重的挖溝機很可能陷入其中無法前進或者移動艱難?！白杂娠w行”模式下的配置使得挖溝機可以貼著海底地面“飛行”，與地面之間基本無相互作用力，同時電纜或油氣管線的埋設對海底的干擾也達到最小。在埋管時，導向輥用于精確引導挖溝機沿管線的運動。

在“爬行”模式下，T—800安裝了一對液壓驅動的履帶，類似于雪地履帶式車輛。此時調節挖溝機為負浮力狀態，這樣履帶可以獲得牽引力，從而沿海底前行。“爬行”模式常用于土壤為硬粘土或固結土的海底。T—800的工作深度為2 500 m,自由飛行模式下的埋設速度為前向3.0 kn；側向2.2 kn；垂向2.2 kn；埋設速度為1～40 m/s。

4.6 最新技術

隨著挖溝機的設計越來越強調多用途和高效率，近年來設計的挖溝機上逐漸出現了相關的最新技術。CTC Marine公司的“UT—1”具有2.1 MW的功率，號稱世界上功率最強的噴沖式ROV，其外形見圖6。集成了各類傳感器和先進技術，功能強大，是近年來設計的挖溝機中的佼佼者，其設計中的可調寬度和清淤功能是值得關注的兩大最新技術。

圖6 UT—1外形

UT—1具備前后兩對腿形管道，分別用于噴沖和清淤。常規埋管挖溝機的一對滑靴的間距固定，只能埋設固定直徑的管道，而UT—1的一對腿形噴沖滑靴的間距可以遠程控制，間距在250 ～1 200 mm之間變化，從而滿足不同直徑的管道埋設要求。更引人注目的是，UT—1前所未有地設計了清淤系統，該系統由裝在尾部的一對腿形吸泥管和4個375 kW的高壓水泵組成，二者配合將被前部噴沖滑靴打撒的泥沙從溝中吸出，使得溝深更大且溝型保持更長久，大大提高了挖溝效率，其最大挖溝深度達到2.5 m。工作中的UT—1見圖7。

圖7 工作中的

5 結束語

隨著海底埋設工程的蓬勃發展，挖溝機的技術水平也在迅速提高，一系列新的技術陸續被開發出來。未來幾十年內海洋工程將擁有更廣闊的發展前景，而挖溝機也將在其中扮演越來越重要的角色。不難看出，今后的挖溝機技術升級的重點應該放在新式噴嘴和噴沖甩泥系統的開發上，同時繼續增大功率，以提高挖泥效率，增強溝型保持的效果。

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