長距離大直徑非開挖水平定向鉆技術在海底電力電纜登陸段的設計

中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司 羅 彥 曹 波

海底電力電纜是一種敷設于海底的可用于電力傳輸的電纜，如海上風電廠電能送出、大陸對海島的供電等。英國在1890年完成世界上第一條海底電力電纜的敷設，開啟了海底電力電纜工程建設的序幕。2009年和2019年我國的500kV 超高壓、大容量、長距離跨海海纜工程——海南聯網工程一回、二回分別投運。

1 非開挖水平定向鉆技術

非開挖技術是一項在地表無需開挖溝槽的條件下，進行各類用途和材質管線鋪設、修復和更新的技術。目前非開挖水平定向鉆已廣泛應用于常規陸地電纜的敷設中，并取得了良好的經濟性和適應性。水平定向鉆（Horizontal Directional Drilling）是在一個固定的位置以一定的入射角角度鉆入地下，然后從另一點穿出、形成導向軌跡孔洞。然后再逐級擴孔直至滿足設計需要，最后再將線纜拖入完成敷設。常規的水平定向鉆施工工序一般為：地質勘探、管線探測、導線軌跡設計、泥漿配置、導向鉆進、擴孔和拖管。

水平定向鉆的鉆頭。水平定向鉆較難適用于砂礫石、卵礫石和存在大量孤石、漂石或障礙物的地層中。為應對不同的地質條件需選擇合適的鉆頭。對于一般的粘土層和砂層等較軟的底層可選擇“鴨嘴”導向鉆頭（圖1），當鉆桿帶動鉆頭連續回轉時可使鉆頭切割鉆頭前端土體實現直線鉆進。鉆頭在不回轉且加壓的情況下，因鉆頭前端的斜面，將使鉆進軌跡發生偏轉，實現造斜鉆進；另一種鉆具通過采用彎接頭并在鉆頭后端設置動力馬達，在鉆進中其鉆孔無需回轉，鉆頭的鉆進方向取決于彎接頭的彎曲程度。這類鉆頭主要適用于巖石等硬地層。

圖1 “鴨嘴”導向鉆頭

圖2 巖石導向鉆頭和泥漿馬達

水平定向鉆通用導向軌跡如圖3：α 為入射角度，β 為出土角；a1為入射段第一直線段水平長度，a2為入射段曲線段水平長度；L0為中部水平段長度；a3為出土段第三直線段水平長度，a4為出土段曲線段水平長度；R1、R2為曲線段曲率半徑；Δh 為出入點的高差；L 為出入點水平距離，即穿越長度。其中直線段與曲線段相切、實現平順過度。根據幾何關系可知：a1=b1·cotα;a2=R1·sinα;a3=b3·cotα;a4=R2·sinβ;b2=R1·(1-cosα);b4=R2·(1-cosβ);h1=b1+b2=h2+Δh=b3+b4+Δh;L=a1+a2+a3+a4+L0。其中出、入射角度和曲率半徑主要與管材材料相關，可參考《水平定向鉆敷設電力管線技術規定》（DL/T5776-2018）。

圖3 通用導向軌跡設計圖

2 水平定向鉆在海纜登陸中的應用

2.1 海纜登陸段常規保護方式

在海纜登陸段區域環境較為復雜且人為活動頻繁，因此登陸段海纜出現故障的可能性較高。海纜保護是海纜工程中一項重要工作，可分為沖埋、套管和加蓋保護。在海纜登陸段無法采用沖埋保護時，可使用兩棲挖掘機及人工開挖結合的方式進行預先開挖溝槽、然后進行海纜敷設，同時及時進行回填施工。考慮到日常潮汐、臺風風暴潮甚至海嘯的沖刷以及船只活動的影響，在海纜登陸段可再加套球墨鑄鐵套管進行保護。

2.2 水平定向鉆保護管的設計

某110kV 海纜工程中海島周邊為珊瑚礁國家級海洋公園，該處海纜登陸段淺灘處表層為珊瑚碎屑層。其中珊瑚碎屑層主要特征為：灰色、飽和，稍密狀，顆粒主要由粗砂、珊瑚碎屑為主，珊瑚碎塊表面疏松多孔、磨圓度差，珊瑚碎石粒徑為3～8cm，厚度約為2m 左右，標貫擊數為15～16擊；強風化玄武巖主要特征如下：黑褐色、局部夾褐紅色，極軟巖 軟巖、斑狀結構、氣孔狀構造、風化裂隙發育，巖芯呈密實砂質粘土狀、堅硬砂質粘土狀、堅硬膠結砂狀、半巖半土狀，局部夾中風化巖塊；中風化玄武巖：黑褐色、軟巖～較軟巖、斑狀結構、氣孔構造，主要礦物成分為輝石、長石等，巖芯風化裂隙發育，巖芯呈短柱狀、局部碎塊狀，錘擊較難擊碎，錘擊聲稍啞，據揭示鉆孔巖芯統計，TCR ≈90%、RQD ≈20%。同時考慮到生態保護要求，該工程海纜登陸段無法采用開溝敷設和沖埋保護措施。

為解決海纜登陸段的敷設問題，考慮采用非開挖巖石水平定向鉆技術來實現海纜的敷設。該工程擬采用110kV、3×500mm2、外徑約200mm 的海底電力電纜。結合擬定登陸點位置和海島淺灘的地形、地貌和地質條件，為避讓珊瑚礁區水平定向鉆的穿越長度約為1000m。同時為加強對海底高壓電纜的保護，可采用鋼管作為保護管。當考慮將雙回海底電力電纜敷設于同一洞孔時，為便于電纜敷設、減少海纜敷設時與管壁的摩擦，雙回海纜的包絡外徑約400mm，鋼管內徑可取1.5倍包絡外徑600mm。穿越鋼管在回拖過程中，需滿足空管情況時在泥漿壓力作用下的徑向截面穩定。

可按照下述公式進行設計：Ps≤FdPyp;m=Dgw/2t;n=1/2f0;Pcr=2Es(t/Dgw)3/1-u2，其中，Ps為回拖施工時泥漿壓力（MPa），一般取1.5倍泥漿靜壓力；Fd為設計系數，一般取0.6；Pyp為鋼管能承受的極限外壓力（MPa）；σs為鋼管屈服強度（MPa）；Pcr為鋼管彈性變形臨界壓力（MPa）；Es為鋼管彈性模量（MPa），取2.1×105；t 為鋼管壁厚（mm）；Dgw為鋼管外徑（mm）；μ 為鋼管泊松比，按0.3計；f0為鋼管橢圓度（%），按4%計。設計軌跡的最大高差為45m。經試算，當鋼管壁厚t 取為12mm 時極限外壓Pyp為1.696MPa，Ps為0.81MPa。滿足Ps ≤FdPyp的條件。

2.3 泥漿的配置

在水平定向鉆的鉆進過程中，鉆孔的沖洗是其中一個重要的環節，鉆孔沖洗作業的優劣在很大程度上決定著鉆進速度的快慢。在長距離的擴孔施工中泥漿的作用尤其重要：維持鉆進過程中洞壁的穩定性；懸浮并攜帶鉆進過程成的巖石碎屑；潤滑、冷卻鉆具和鉆頭。根據泥漿中的成分，水基泥漿可為淡水泥漿、鹽水泥漿、鈣處理泥漿、低固相泥漿、無固相泥漿、充氣和泡沫泥漿。結合本工程的實際情況，需選用鹽水泥漿。但尚需對該地區的海水取樣進行成分分析，并結合化學分析結構選擇合適的鹽水泥漿配比。同時因為海水中含鹽礦物成分較多，其中的含氮、氧、硫等離子與處理劑的金屬離子會發生絡合作用，使得在淡水中廣泛用于配漿的鈉膨潤土在海水條件下無法造漿。因此，在配置鹽水泥漿時需改用海泡石和凹凸棒石等纖維狀抗鹽土膨潤土。

2.4 導向和擴孔施工工序

因鉆進過程中泥漿是不可或缺的一部分，當采用常規的水平定向鉆鉆進技術時，若從海島射入、在海中淺灘處穿出，穿出點處可能易造成泥漿的泄漏、造成環境污染。為解決此問題，可考慮采用正向擴孔和單向返漿技術，在海島側鉆入、從海洋側穿出，從而實現海纜登陸段的敷設，步驟如下：

在海島側入土點處固定水平定向鉆機，準備導向軌跡鉆進。需注意的是，導向鉆進時末端不鉆通；當導向孔完成后，將鉆桿和鉆頭從入土點拉出。然后采用帶有泥漿馬達的正向擴孔鉆頭進行第一次單向返漿的正向逐級擴孔，當擴口到末端封閉處停止；完成第二步后將擴孔器#1和鉆桿從出土點拉出，更換擴孔器#2再進行第二次擴孔，當擴口到末端封閉處停止；循環以上兩個步驟直至孔洞直徑滿足設計要求。本次擴孔過程中將末端鉆通，同時為保證鉆進過程中環保無污染，在海洋側出土點設置泥漿接收器、防止泥漿泄露。水平定向鉆孔洞貫通后，再將保護管拖入孔洞內，完成電纜敷設通道。

綜上，長距離、大直徑非開挖水平定向鉆海纜登陸技術施工過程較為復雜，在施工前需做好以下工作：準確的工作地質勘探、合理的導向軌跡設計、保護管的計算和選擇、配置合適的泥漿、選取適當的鉆頭和鉆具并做好泥漿的回收處理工作。