海底光纜建設維護提升研究

陳曉明 高軍詩 朱曉卿

中國移動通信集團設計院有限公司 北京 100080

引言

新型基礎設施作為實施創新驅動發展戰略的重要基石、轉型升級的重要支撐，不僅是數字經濟發展所需，也是我國實現高質量發展的必然要求。適度超前的新型基礎設施建設能夠夯實經濟長遠發展的基礎，顯著提高經濟社會運行效率，為我國經濟長期穩定發展提供有力支撐。

國際海纜作為重要的信息基礎設施，承擔了全世界超過95%以上的跨國通信數據流量。從1993年12月我國參加建設的第一條國際海纜——中日海纜系統建成投入運行開始，27年間登陸中國大陸的國際海纜累計達到12條。國際海纜的安全暢通直接關系著我國國際通信信息傳遞的及時和安全穩定，是落實習近平總書記“以高水平對外開放打造國際合作和競爭新優勢”[1]要求的重要保障。近年來，由于我國海洋開發活動的增加，國際海纜的故障也開始增多，對我國的國際通信造成很大影響，迫切需要對海纜光纜的建設和維護進行提升，以保證我國的國際通信網絡安全運行。

1 海底光纜的故障和維修

海底光纜長期工作在水下，主要用途是保護光纖不受外界的損害，并提供從岸端設備到水下設備的連接，此外還負責將電力傳送至水下設備，在25年使用壽命周期內都能正常工作[2]。

1.1 海底光纜故障種類和定位方法

海底光纜常見的故障類型包括絕緣體故障、開路故障、光纖故障、短路故障及中繼器或分支器故障，海纜最主要的故障是海纜外殼破損導致的絕緣體故障(Shunt Fault)。其故障類型和故障定位方法如表1所示。

表1 海底光纜故障類型和故障定位方法

1.2 海底光纜故障修理

海底光纜的故障維修需要安排維修船前往現場進行維修，并要申請相關施工許可，以及進行備纜、備件的裝船工作，整體維修周期在30～60天左右。具體維修流程如圖1所示。

圖1 海底光纜故障維修流程

1.2.1 修理前期準備

維修單位根據相關維護單位通報的故障情況，著手制訂修理工作方案和計劃，列出所需的備品、備件的裝載清單并上報維護組織批準。一旦獲得批準，海纜船就開始裝載備用海底光纜、接頭盒和中繼器等。在中國領海的故障點，維修單位需要將修理方案、計劃等上報給相關自然資源部(國家海洋局)、交通運輸部(海事局)等部門審批并獲得施工許可，審批流程約2周，另外，若是外籍維修船，則還需向中國海關申請臨時進口，審批流程將達到3周。在獲得國家相關批準后，相應的主管部門會通過一定形式和方式公開發布“航行通告”，以保證海纜船在實施故障修理作業過程中船舶與人員安全。當海纜船獲得施工許可后，即可離開港口實施修理作業。

1.2.2 現場修理工作

海纜船在前往故障現場過程中，通過權威氣象預報機構獲得相關海域天氣預報，以掌握氣象條件，控制整個修理作業過程。

如圖2所示，具體的現場維修過程如下。

圖2 海底光纜故障維修現場操作

1)找到故障點：通過登陸站的遠供電源設備/其他儀器在輸出直流電流上調制低頻信號(一般為25Hz)，該信號遇到海底光纜漏電故障點時，信號被泄漏，維修船利用尾拖探音設備，發現故障點的具體位置。

2)切斷海纜：維修船施放帶刃的錨鉤打撈機具，勾住光纜并切斷光纜。

3)打撈海纜：維修船打撈起故障海纜，將故障光纜予以切除，并連接浮筒，放置在海中。

4)撈起另一頭海纜：維修船打撈另一端的光纜，切除故障光纜，然后對光纜進行一系列水密測試、光纖測試和電氣測試。

5)熔接并布放備纜：采用通用海纜接頭盒(UJ)對打撈起的光纜和海纜船上的備用光纜進行第一次熔接(Initial Splice)，并開始將熔接好的海纜光纜進行布放。

6)最終熔接：維修船行駛至浮筒處，與第一次打撈的斷纜完成最終熔接(Final Splice)，將海纜放入海中，并用繩拉住，并通知海纜站進行最終測試。

7)布放并進行后沖埋：測試通過后，將立于水中的用接頭盒連接的海纜平放海底，并避免形成馬蹄扣，對于埋設段落，利用ROV找到修復后的海光纜段落，對其進行來回多次的沖埋作業。

與陸地光纜不同的是，海纜一次故障維修需要使用2個接頭盒，做兩次接續。為保護海纜，海纜的曲率半徑必須大于1.5m，在維修段末端會留有一段“Ω”型的彎曲海纜，而水下機器人(ROV)沖埋“Ω”段海纜的難度很大，不易達到規定埋深，因而容易再次出現故障。

2 海底故障分析

通過對我國海域從2015開始發生的國際海纜故障進行統計分析，我國海域的國際海纜故障均發生在150m水深以上處，其中90m水深以上的故障占到93%。通過對海纜故障原因進行分析，外力擠壓、拉伸是造成海纜故障的主要原因，占到76%，其中漁業捕撈和船舶拋錨是造成外部侵害的主要原因。海纜故障處水深百分比如圖3所示。

圖3 海底光纜故障處水深百分比

上海是我國國際海纜登陸最多的城市，而上海外圍海域也是我國海纜故障發生最多的區域，其故障率在國際上也屬于非常高的區域。發生故障的主要原因包括以下幾點。

2.1 東海水深較淺

上海外圍屬于東海大陸架，最寬處位于上海東南方向約600多公里處，水深只有185m。由于大陸架非常寬，國際海纜的分支單元(BU)通常要設置在水深500m處，上海段的分支長度會超過700km，絕大部分處在150m水深以淺埋設，海纜的建設成本和維護成本都很高。而相比日本的海纜登陸站，其大陸架很短，距海岸大約在100多公里處水深就可以達到500m。上海和日本外圍水深對比如圖4所示。

圖4 上海和日本外圍海域水深示意圖

2.2 海上活動頻繁

上海外圍的舟山漁場是我國最大的漁場，上海港(含洋山港)是世界上最大的港口，其吞吐量高居全球海港榜首。漁業捕撈活動經常造成海纜故障，東海范圍內使用的帆張網刺入海底的深度可以達到2.5m，是造成作業區海纜故障的主要原因。根據歷史資料統計，1995～2001年間，上海及其附近海域的國際海纜故障中因帆張網作業引起的故障占到總數的81%。此外，船舶拋錨的貫入深度可以從0.3m到3.5m，也是造成海纜故障的主要原因之一[3]。

2.3 實際埋深不足

3 建設維護提升建議

3.1 建設提升建議

為有針對性地提高海纜保護強度，綜合考慮海纜建設工期及成本因素，建議在以下幾個方面對建設標準進行提升。

1)確保埋設深度達到并超過工程要求值。

①建議在海纜埋設時，施工埋設犁的設計最大埋設深度應大于工程目標埋設深度。在實際海纜施工中，由于各種外界因素，埋設深度一般達不到埋設犁的最大埋深，例如使用設計埋深為3m的埋設犁，埋設深度一般也只能達到2m多。因此通過使用設計埋深更大的埋設犁，可以明顯提升埋設深度。

②建議根據不同底質采用沖埋和切割不同埋設方式，對于沙質海床采用沖埋式埋設，對于泥質(包括黏土質)海床采用切割式埋設。這要求埋設犁應同時具備沖埋和切割的兩種施工能力。

③當埋設深度達不到3m時，施工船的埋設速度應降低至每小時300m，如采用切割式埋設犁，埋設犁的拖曳張力應不小于45噸。通過降低船速并保證埋設犁的拖曳張力，可以從一定程度上證明埋設犁深入海床并有效進行埋設。

2)提高故障高發段落埋深要求。

不同類型的整容者對自身的審美是不一樣的，有自信的整容者會根據自己的需求進行小的“修補”，例如嫩膚和祛斑。而很多整容者并不知道自己確切的要求，他們往往走進整容醫院會跟醫生說“我先要高圓圓的鼻子”甚至“給我整成吳亦凡的樣子”，這樣的審美意愿往往來自于對明星的盲目追求，或者說是對大眾審美的屈服。

建議海底光纜路由應當盡量避免穿越漁業活動、航道、習慣性錨地等故障高發地段，實在無法避免的，海纜在穿越航道、習慣性錨地等故障高發地段時埋設深度不宜小于5m。目前在國標中只規定“在5m～150m水深海域，海底光纜的埋設深度不宜小于3m”，但實際埋深無法保證，帆張網2.5m的刺入深度會對海纜造成損害。通過提升埋深要求，以達到提升埋設深度，避免海纜故障的目的。

3)在成本允許的情況下，增加故障高發處后填埋作業要求。

如圖5所示，對于泥質海床，水深50～80m的故障多發處可考慮使用專用船進行垂管砂石注填纜溝保護，以避免由于自然回填慢導致埋深不足的情況，本保護方式成本過高，應謹慎采用。建議今后出現有效降低施工成本的施工方案，以促進此類保護方式的應用。

圖5 垂管砂石注填作業示意圖

3.2 維護提升建議

海纜竣工后應通過針對性強的維護、維修手段提升海纜的保護強度，建議綜合考慮維護成本和可實施性，在以下幾個方面對海纜的維護進行提升。

1)在禁漁期結束后以及重點保障階段，通過日常巡檢對故障高發地段的海纜路由進行巡查和維護，及時勸離危及海底光纜安全的船只，確保海底光纜安全暢通。

2)通過海纜路由船舶動態監測系統，對海纜路由上的海底光纜埋設的2海里范圍內船只進行監測，對準備拋錨的船只發送警告，必要時安排船只前往驅趕。

3)針對海纜故障多發段、頻發段，可酌情考慮采用回收重埋或路由改道等方式增加對海纜的保護，在回收重埋或路由改道時應根據維修纜長、水深等條件盡可能多地使用埋設犁對維修段落進行3m埋設，再使用埋深能力3m、功率不小于600匹馬力的水下機器人(ROV)進行其余段的后沖埋工作。

4)光纜施工一般是利用潮流等動力作用將埋設溝中的光纜自然回填掩埋，光纜路由與潮流方向相同時，填埋速度較慢,因此在海纜施工剛結束的一段時間內往往容易發生故障。因此對于剛竣工的海纜要加強維護，以確保海纜的安全運行。

4 結語

我國海域海纜故障發生率較高，海纜故障維修時間長，對通信安全造成較大影響，希望海纜建設、施工企業能夠在以下幾個方面共同推動海纜建設、維護水平的提升。

1)使用埋設深度更大的埋設犁。

建議在海纜埋設時，施工埋設犁的設計最大埋設深度應大于工程目標埋設深度，保證埋設深度達到并高于工程目標，并且沒有大幅度增加建設成本。

2)使用大功率ROV進行后沖埋。

水下機器人(ROV)用于海纜施工以及維修后沖埋，目前大多數ROV只具備1.5m的埋深能力，建議采用大功率ROV，達到3m的埋設能力，從而解決海纜維修后埋設不夠而引起的再次故障問題。

3)降低后填埋作業施工成本。

后填埋作業使用專用船進行垂管砂石注填纜溝保護，可以解決海纜埋設后自然回填效果不好的問題，但由于采用專用船只以及砂石的運輸，目前成本較高，很難大規模使用，希望業界能采取有效措施，降低施工成本。