淺談犁式挖溝機海底挖溝技術

李欽朋 李彥曦 楊 昊 姜宇超 劉 野

（1．海洋石油工程股份有限公司，天津 300000；2．深圳海油工程水下技術有限公司，廣東 深圳 518000）

0 前言

海底管線是海洋油氣輸送的生命線，如果海底管線直接鋪設在海床上，容易受到惡劣海洋環境和各種人為因素的影響，導致海管存在各種損傷。海床起伏過大會造成海管懸空及彎曲，惡劣海洋環境及海流沖刷會導致海管的振動疲勞損失，海底管道交叉及跨越會降低海管的穩定性，船舶拋錨拖網會造成海管破裂。海底管線被破壞會給油田帶來經濟損失，流入海洋的油氣會嚴重污染海洋環境，必須對海底管線進行保護。

常用的海管保護措施有水泥沙包填充、挖溝法、拋石、壓塊覆蓋以及安裝導流板法等。挖溝法是指在海底挖溝填埋管線，是進行海管保護的一種安全有效的方法。海管位于溝槽中，避免了因水質點動力作用產生的不穩定現象，同時溝槽的存在可以防止管道在鋪設過程中受到機械損傷。

1 海底挖溝裝備

海底挖溝機是在海底進行挖溝埋管作業的主要機械設備，它隨著海洋工程的發展而發展改進，在海洋工程中占據了重要的位置。挖溝機按破土形式可以分為噴射式挖溝機、鉸吸式挖溝機、犁式挖溝機和機械式挖溝機等，按行進方式分為牽引式挖溝機和自行進式挖溝機。目前，國內挖溝機以淺水噴射式為主，適用于50 m～60 m的淺海海域，土壤剪切強度50 kPa的海底挖溝作業。國外從20世紀40年代末開始研究挖溝裝備，主要挖溝裝備生產廠家有SMD、IHC以及Perry等，著名挖溝作業公司如Deep Ocean、Global Marine、Canyon等目前已形成較為成熟的挖溝機體系，涵蓋噴射式、機械切割式、ROV式以及犁式等（見表1），作業水深可達3 000 m。

表1 國際主要挖溝作業公司挖溝設備

1.1 噴射式挖溝機

水力噴射式挖溝機是依靠切割臂上的噴嘴產生沖擊力沖蝕切割海底土層，形成一定深度溝壑的挖溝機，如圖1所示。噴射式挖溝機的軸流泵抽吸海水，并通過噴射管形成高壓水射流，沖擊破碎土壤，在海底形成一定溝型和溝深的溝槽。噴射式挖溝機操作簡單，資源易于獲取，適用于淺海黏土及砂土屬性的海床，土壤剪切力一般小于60 kPa，適用于處理管道懸跨的海床修正作業，是目前應用較為廣泛的挖溝裝備。但是該類挖溝機挖溝速度較慢，在處理高剪切強度土壤時作業效率較低。

圖1 噴射式挖溝機

1.2 鉸吸式挖溝機

鉸吸式挖溝機是通過切削鏈切削土壤形成溝槽的挖溝裝備。它通過切削鏈將海管兩側的土壤切削出槽，在底部形成較薄土墻，再通過高壓水射流將管道下方的土墻沖擊破碎液化，并通過抽吸泵將松散泥沙排出溝外[1]。鉸吸式挖溝機可用于硬質海床或巖石的開挖，適用土壤范圍廣，最大破土強度可達400 kPa，大于采用一般噴射泵時破土能力僅為50 kPa的指標，但它不適用于較多礫石的土壤環境。

1.3 犁式挖溝機

犁式挖溝機是通過犁鏵切割破碎海底土層和排泥系統將泥沙排出溝外，在海底形成溝槽的挖溝裝備，如圖2所示。犁式開溝機適合硬質海床，不適合軟泥質、松散土壤挖溝作業，一般土壤剪切力小于300 kPa，單詞挖溝溝深可達2.5 m，挖溝速度為4.3 km/d～10 km/d。管道開溝犁溝槽截面一般為“V”形，開溝的深度和寬度較大，溝槽邊坡形成較小的坡角，提高管道在溝槽中的穩定性。

圖2 犁式挖溝機

2 海底挖溝技術

2.1 海底預挖溝

海底預挖溝是首先在海底進行挖溝作業，然后將海管鋪設到溝槽中并進行回填掩埋的挖溝工藝。預挖溝溝槽斷面坡度比好，溝底平整度高，挖溝溝槽較寬，但挖溝精度控制差，土方作業量大，易產生溝土回淤，需要人工回填溝槽。海底預挖溝多用于較淺水域的短距離管線，例如過河管線和登陸段部分等。對于特殊海床，例如地貌凹凸不平、巖石質海底等部位也常采用預挖溝法[2]。預挖溝的挖溝裝備主要是挖泥船，如水路兩用挖掘機、鏈斗式挖泥船和抓斗式挖泥船等，施工時需要根據水文環境、挖溝深度、土壤類型和剪切強度等進行選取。

2.2 海底同時挖溝法

同時挖溝法是同步進行鋪管與挖溝作業的挖溝工藝。該方法需要在鋪管船的托管架末端安裝挖溝機，鋪管船通過拖曳纜連接挖溝機，由鋪管船拖曳挖溝機同時進行挖溝與鋪管作業[3]。同時挖溝法節約了鋪管作業的時間，減少了作業成本，但適用范圍小，施工難度大，且易損傷海管。

2.3 海底后挖溝

海底后挖溝是先將海管鋪設到海底，再沿海管路由進行挖溝作業的挖溝工藝。海底后挖溝一般包括試挖溝、預調查、造坡、挖溝施工、回填掩埋和后調查6個步驟[4]。試挖溝是通過在海管附近進行挖溝試驗，實驗挖溝機自身性能，優化挖溝機的作業參數。預調查是ROV沿海管路由前進，調查海管路由的準確性及周圍海洋環境。造坡是在挖溝起始點50 m內造坡角，以減少海管在挖溝過程中受到的應力，防止海管因重力發生變形。挖溝施工時作業船艏向與海管重合，施工母船拖曳挖溝機前進，通過錨纜控制船舶移動，聲納監控挖溝深度和寬度，DGPS監控挖溝路由。回填掩埋需要根據海流及土壤情況選擇自然回填或人工回填。后調查是采用聲納掃描溝槽剖面，檢驗溝型、溝深是否滿足設計要求。

3 犁式挖溝機海底后挖溝

3.1 土壤分析和地質調查

海底挖溝施工前需要進行挖溝路由段的土壤分析和地質調查，確定土壤參數，根據土壤類型和剪切強度選用適合的挖溝裝備。一般土壤按照顆粒直徑和單位體積重量進行分類，常用土壤及巖石的（普式）分類表。影響土壤剪切強度的因素有土壤礦物成分、含水量、土壤結構以及土壤原始密度等，土壤地質勘查的常用實驗方法有粒度分析實驗、土粒比重實驗、含水量實驗以及密度實驗等。

目前國內地質調查報告多針對于導管架安裝、管線鋪設等施工作業，針對挖溝作業的地質調查較少，無法適應挖溝作業需求。一般海底管道地質調查，調查結果只分析到0 m～10 m的I類和II類土層，范圍過于籠統，無法給挖溝作業提供依據。挖溝作業需要更精確的調查數據，減小取樣間隔，精確識別特殊地質；減小取樣深度，將取樣深度控制在5 m以內，精確取樣范圍僅限于2 m～3 m的表層土壤；減小土層分析范圍，對1 m以內的土壤做更詳細的土層分析。

3.2 海底挖溝前準備

挖溝犁與施工支持船通過3條管線連接在一起，分別為拖拽纜、臍帶纜和空氣軟管，其中臍帶纜與空氣軟管通過浮球捆綁在一起，拖曳纜位于最下方，起到了拖拉挖溝犁的作用。挖溝前需要根據拖曳角度（15 °～25 °）、作業水深、拖曳力大小等計算拖曳纜的長度，根據計算結果使用中間拖纜、短鏈節和防擦鏈來連接成整個拖曳纜；其中弱鏈接起保護作用，在拉力超過350 t時會斷裂，保護船舶和設備。拖拉纜一般按照挖溝犁拖纜-中間拖纜-短鏈節-中間拖纜-防擦鏈-絞車拖纜的順序連接（如圖3所示）。挖溝前還需要綜合施工母船與挖溝犁的作業特點，基于母船的拖曳力懸鏈線，分析拖曳力及溝深對挖溝速度的影響。正式挖溝作業前，需要在距海管1 km左右進行試挖溝，通過進行挖溝試驗調整挖溝犁各項參數，提高挖溝質量。試挖溝作業中要不斷調整挖溝犁高度、軸流泵流量等，通過聲納掃描溝型溝深，調整確定挖溝犁主要參數。

圖3 拖曳纜連接順序

3.3 海底挖溝作業

挖溝犁海底挖溝作業分為下放和就位、挖溝犁挖溝、挖溝犁回收3個步驟。

挖溝犁下放就位是指作業船（如圖4所示）在指定施工區域將挖溝機座落在管線上。挖溝犁下放入水時，不能直接在海管上方進行下放作業。應在水平距離海管5m的地方下放，至距海床1.5 m的位置，停止下放。穩定后，移船調整挖溝犁的位置，使其處于海管正上方，挖溝犁就位完成后水下機器人（ROV）解勾，進行挖溝作業。在挖溝犁下放過程中，絞車在開始階段采用主動升沉補償模式，便于控制挖溝犁精確就位，在接近海底管線時改為被動升沉補償模式，防止由于船舶起伏導致鋼絲繩松弛，減小挖溝犁接觸海床時造成的沖擊。

圖4 加裝挖溝犁的船舶圖片

在挖溝犁到達指定位置后，挖溝犁提管器閉合進行抱管，調整排泥管的角度，根據挖溝深度調整滑靴高度。根據噴射泵的轉速、壓力決定挖掘溝壑的寬度和深度，要及時對挖溝犁噴射泵的壓力數值以及轉速進行調整，保證挖溝的質量達到設計的管線挖溝需求[5]。

挖溝犁回收時首先調整滑靴高度結束挖溝作業，回收排泥板，打開犁鏵，打開托管滾輪將海管下放至海床，在挖溝犁上連接提升鎖具。然后將作業船移至遠離海管等設施的安全區域，打開空氣浮箱排氣孔，同步回收提升鋼絲繩、拖拉鋼絲繩、臍帶纜和空氣軟管，最后回收A吊，將挖溝犁回收至甲板固定。

3.4 挖溝犁應急處理

挖溝犁在海上進行作業過程中可能發生各種緊急情況，如拖曳纜拖力過大，導致拖曳纜中弱連接斷裂，挖溝犁水下失去液壓動力，ROV操作失效等，在施工之前做好各種應急預案至關重要。

施工母船拖曳挖溝犁前進過程中，如果船舶拖力突然增大，當拖曳力超過弱連接的許用應力時，“弱連接”（WEAK LINK）會斷裂，保護船舶和挖溝犁設備安全。此時挖溝犁和部分拖曳纜位于海底，需要ROV將斷裂的拖曳纜打撈至甲板，并重新連接拖曳纜。

挖溝犁在水下自身失去液壓動力后，需要船舶甲板液壓動力站（HPU）提供應急液壓，由ROV將應急絞車液壓管連接到挖溝犁上，應急操作面板上有ROV操作閥手柄，可使用ROV機械臂操作其旋轉，控制液壓閥實現挖溝機油缸動作，完成回收作業。

如果HPU提供的應急液壓仍無法恢復挖溝機動力，則需要ROV攜帶液壓剪，依次切割挖溝犁上相應油缸的液壓管，使用吊機回收挖溝犁，依靠吊機和管道自身重力使抱管架和犁鏵與海管脫開，實現挖溝機回收。首先調整船舶艏向，確認連接挖溝犁提升索具，ROV連接應急纜到犁鏵卸扣；切割托輥架液壓缸回路液壓管，托輥架將在管道自重下下降；切割托輥液壓缸回路液壓管，托輥將在管道自重下打開；切割犁鏵液壓缸回路液壓管；切割排泥板液壓缸回路液壓管；提升挖溝犁至離開泥面，利用船舶吊機打開犁鏵、提起排泥板；海管由于自重安全釋放至海床，移船至安全區域，回收挖溝犁至甲板。

4 結語

海底挖溝是目前技術最成熟、應用最廣泛的海管保護方法之一，是最理想的海管保護方案。在挖溝前，應用海底淺層取樣技術進行挖溝判斷，挖溝管道分析技術進行挖溝分析；在挖溝過程中，通過挖溝設計體驗優化挖溝機的性能，通過挖溝方案設計優化挖溝方案；挖溝完成后，通過挖溝機軟硬件及配套工具的開發提升挖溝裝備的協同作業能力。研究海底挖溝技術，進行挖溝團隊建設和技術能力建設，掌握一定的挖溝能力，對于保障海底油氣輸送，實現增儲上產具有重要的意義。