海底管道懸空段網兜沙袋清理標準化施工技術

付春麗，吳 軍，張 濤

中國石油集團海洋工程有限公司，山東青島 266555

海底管道受自然條件和人類活動等因素綜合影響，所在海域水動力條件發生變化，使路由沿線海床受到沖刷，導致管道懸空。懸空治理方式包括沙袋回填、灌漿填充、機械結構支撐、碎石回填、仿生水草等[1-2]，其中沙袋回填是懸空治理的常用方案，而且為提高應急搶修效率，通常采用網兜將上百個沙袋整體拋填至懸空處。但對于水流較大的海域，沙袋回填治理后容易再次出現懸空，因此需對懸空處已回填網兜沙袋、噸袋等回填物進行清理，然后通過后挖溝機將管道沉至海流沖刷影響區以下，避免管道再次懸空[3-5]。對于在役海底管道，如何安全高效清理拋填到海底管道底部的網兜沙袋，目前國內外尚沒有可借鑒的經驗。本文借助冊子島—鎮海海底管道懸空段整治項目，結合施工海域水文條件，研究了清理噸袋及網兜沙袋作業的難點并形成了標準化的清理方案，可為今后類似的搶維修工程提供可靠的技術指導。

1 懸空治理概況

冊子島—鎮海海底管道（簡稱“冊鎮海底管道”） 起自浙江舟山冊子島西岙，途經大菜花島北側，終至鎮海嵐山中轉油庫，總長約36.2 km。管道沿線水深0～22 m，水深分布不均，地質地貌復雜，施工觀測區潮汐屬于不規則半日潮型，每日有兩漲兩落，潮差變化較大，最大潮差4 m左右，潮流流速快，最大漲、落潮流速可達2 m/s，而工程區海域最大流速達2.76 m/s。冊鎮海底管道受沖刷影響，管道路由出現一處長約63 m的懸空段，懸空高度在2 m左右，管道裸露懸空情況見圖1。

圖1 管道懸空段示意

管道運營方為保證輸油管道的安全運行，對懸空段應急采用了拋填網兜沙袋和噸袋的保護措施，即在懸空管道下方放置網兜沙袋對懸空段進行支護，在管道兩側放置噸袋進行水流阻擋，其中拋填噸袋953個、沙袋99 297個、網兜500個。沙袋回填情況如圖2、圖3所示。

圖2 回填沙袋底層剖面

圖3 回填沙袋縱剖面

為實現管道的長治久安，需采用后挖溝方式將管道沉至海流沖刷影響區以下。結合挖溝機工作性能，經分析得出：沙袋和噸袋都可以通過挖溝機水力噴射破拆；但是網兜具有柔韌性，挖溝機很難將其切斷，進而會影響挖溝機行進作業，故在后挖溝沉管作業前需將網兜打撈出水。因此，如何高效、安全地將網兜打撈出水是保障后挖溝沉管作業順利實施的前提。

2 清理方案分析

關于急流海域大量網兜沙袋、噸袋的清理方案，目前難以查到國內外相關參考文獻，針對本項目，經過綜合分析水流情況、平潮期時間、水深、拋填物數量與分布、工期要求、安全隱患等影響清理的因素，形成兩套清理方案，其對比分析如表1所示。

通過表1對比分析可知，對于工期緊迫的搶維修工程，首選安全高效的方案，因此選擇伸縮臂挖掘機清理方案進行網兜砂袋、噸袋的清理工作。但是需要制定切實有效的管道保護措施，形成標準化施工方案，保障不因人員倒班而產生差異化施工，避免伸縮臂挖掘機對管道的損傷。

表1 清理方案對比分析

3 伸縮臂挖掘機標準化施工

3.1 伸縮臂挖掘機清理原理

伸縮臂挖掘機采用內伸縮臂結構，其主要特征為伸縮臂結構由一個固定體和多個移動體組成，移動體套入固定體內，通過伸縮缸的伸縮改變抓斗行程，從而調整挖掘機的挖掘深度。將合適行程的伸縮臂挖掘機固定在工程船上，當伸縮臂的固定體固定后，伸縮臂只能上下伸縮，不會左右及前后移動，保證了施工的安全。伸縮臂挖掘機清理沙袋作業如圖4所示。

圖4 伸縮臂挖掘機清理沙袋作業

3.2 伸縮臂挖掘機適應性改造

3.2.1 挖掘機設備改造

（1）斗齒閉合限位。將抓斗的每根斗齒延長至0.5 m，并在抓斗上設置限位器，使得抓斗只能合攏到原來程度的一半左右，如圖5所示。這樣的設計能夠使抓斗觸底后斗齒更容易勾住埋在小沙袋底部的網兜，同時在伸縮臂挖掘機將網兜連同網兜內的小沙袋上提的過程中，能夠通過斗齒間隙將散落的或被抓斗抓出的小沙袋過濾掉，并且抓斗上提過程中由于抓斗始終沒有完全閉合，可以減少散砂和水的重量，從而提高作業的效率。

（2） 斗體開孔。在抓斗斗體上開孔，減小水流對抓斗的影響。

（3）接觸防護。在陸上開展對原油管段抓斗抓取試驗，找出在施工過程中抓斗可能會與管道發生觸碰的部位，然后在這些部位外側包裹一層厚度達2 cm左右的橡膠，起緩沖作用，減小抓斗對管道的影響。

圖5 抓斗改造示意

3.2.2 改造后設備的陸上試驗

（1） 操作試驗。進場施工前在陸地上用改造后的伸縮臂挖掘機對噸袋和網兜進行抓取試驗，驗證抓取的效果；同時在進場之前訓練伸縮臂挖掘機操作員的手感，達到能判斷抓到沙袋和碰到管道的不同情況，如果碰到管道則立即收縮伸縮臂。

（2） 對管道的破壞性試驗。考慮到管道表面包覆著一層混凝土配重層，而兩節管段的連接部位則并未包覆混凝土配重層，為了驗證抓斗對管道的傷害程度，在陸地上使用伸縮臂挖掘機抓斗分別對包覆混凝土配重層的管段和裸露的管段進行破壞性試驗。經反復試驗，驗證改造后的抓斗不會對管道造成破壞性的損傷，只有輕微的劃痕，如圖6所示。

圖6 裸露管道抓取的現場試驗結果

3.3 海上清理作業方案

（1） 工程船舶按照設計錨位拋錨就位于管道上方。

（2） 潛水員下水在管道上綁扎信號繩，并將信號繩引至兩艘輔助船的外側，通過拉直信號繩來確認管道是否位于輔助船底部并且距離船頭的水平距離為2 m左右。

（3） 兩艘輔助船傍靠工程船，其船首與工程船船首方向保持一致，并且確保兩艘輔助船船首跨過管道的水平距離為2～3 m，以確保挖掘機抓斗入水后與管道的安全距離。

（4） 就位完成后，挖掘機伸縮臂入水進行抓取沙袋作業。清理作業應確保伸縮臂挖掘機的作業面始終處于水流下游及管道外側，一是避免對管道的影響，二是便于從沙堤的外側開始逐漸往沙堤內側清理，采取這種順序清理，能夠避免遺漏的網兜沙袋、噸袋被水流沖刷至未清理的區域。

（5） 當潮向改變后，工程船向管道另一側移動，確保兩臺挖掘機的工作面位于管道的外側，同時兩側的輔助船調轉方向，使船首與工程船船首方向相反，并且同樣通過拉直綁扎在管道上的信號繩來確認管道是否位于輔助船底部并且距離船頭的水平距離為2～3 m。工程船就位如圖7所示。

圖7 海上挖掘機清理網兜示意

（6） 制定并執行《懸空段沙袋清理作業條件確認表》（見表2），每次清理前、錨位變動后或潮流變向后對照此表認真檢查作業條件是否滿足相關要求，形成標準化清理程序。

4 結束語

基于伸縮臂挖掘機的網兜沙袋標準化清理方案，已成功應用于海況惡劣的杭州灣海域冊鎮海底管道懸空段的網兜沙袋、噸袋應急清理搶修工程，實現了高風險作業的標準化施工，在國內首創了一套操作性強、效率高、風險低的在役海底管道懸空段網兜沙袋清理施工技術，可為今后類似搶維修工程提供有力借鑒。

表2 懸空段沙袋清理作業條件確認表