硬質海床區域預挖溝與海管登陸拖拉施工技術研究

吳業衛

海洋石油工程股份有限公司 天津 300461

0 引 言

對于海底管道登陸的工程項目，為保證海底管道生產安全，油田開發方普遍采用海上預挖溝后進行填埋處理的方案，在海底管道進行登陸拖拉作業前，需要進行大量的海上預挖溝作業［1］。

在硬質海床區域進行預挖溝給挖溝作業帶來了較大困難，這需要更加專業的技術和設備投入。以中東海灣地區為例，該區域位于阿拉伯板塊的大型沉積巖盆地，海床地質堅硬，基本由鈣質巖與砂巖構成，導致常規挖溝施工方法效率低下，無法滿足項目工期和施工成本的要求。

對于海底管道登陸拖拉施工，由于受到岸上施工環境的限制，目前普遍采用岸上安裝拖拉絞車進行海底管道登陸的拖拉施工方法。鋪管船可以就位的水深位置將直接決定海底管道登陸拖拉的長度，在中東海域施工的鋪管船就位位置距離登陸點較遠，不可避免地要進行長距離的登陸拖拉。為在拖拉過程中盡可能降低波浪流的作用，以及使管道在登陸過程中保持良好的軌跡，通常需要采用傳統的底拖法進行施工，同時為降低岸上絞車的拖拉力，要在管道上綁扎大量的浮筒。但是對于硬質海床區域，傳統底拖法會導致浮筒綁扎帶與海床發生接觸，進而造成浮筒的脫離，使岸上絞車拖拉力增加，所以對于硬質海床區域的海底管道長距離登陸拖拉作業來說，關鍵是解決浮筒在拖拉過程中丟失的問題［2］。

本文通過對硬質海床區域預挖溝與海底管道長距離登陸拖拉關鍵技術進行研究，用高頻破碎錘對海床硬層進行破碎，再配合使用傳統鏟斗式挖溝船，高效率地進行硬質海床區域的預挖溝作業。采用拖拉浮筒不均勻布置及管道開槽等關鍵技術可以在很大程度上避免浮筒綁扎帶在登陸拖拉過程中損壞，以及浮筒在拖拉過程中丟失。

1 硬質海床區域預挖溝關鍵技術研究

1.1 鏟斗式挖溝船

對于常規海域的預挖溝作業，普遍采用鏟斗式挖溝船，該挖溝船是在船上布置一臺鏟斗式挖掘機，并將挖掘機和船體進行固定。挖溝船作業時，利用定位鋼樁或定位錨進行船體固定，以保證挖溝作業時的船舶穩定性，適用于挖掘黏土、礫石、卵石、珊瑚礁和水下破碎的巖石等。為方便回填作業，挖溝后的泥土可以就近堆放，在適用區域具有較高的工作效率，但在硬質海床區域，挖掘機鏟斗很難進行海床硬層破碎。因此，鏟斗式挖溝船在硬質海床區域不具有較高的工作效率，如圖1 所示。

圖1 挖溝船配備鏟斗式挖掘機Fig.1 Dredger equipped with a bucket excavator

1.2 高頻破碎錘

高頻破碎錘是一種用于巖石等硬質區域的挖掘破碎工具，可以替換傳統挖掘機的鏟斗，在陸地礦山、采石場及隧道施工中得到廣泛應用。該設備可以將挖掘機的液壓能傳遞給高頻破碎錘液壓馬達，從而帶動工作齒進行破碎作業；也可以額外配備液壓站，為高頻破碎錘提供更加充足的液壓能。在不改裝的情況下，該設備可進行水下破碎作業，在砂巖、風化巖、部分石灰巖及喀斯特地貌結構的巖石工況上有較好的使用效果，如圖2 所示。

圖2 高頻破碎錘Fig.2 High frequency crushing hammer

1.3 硬質海床區域預挖溝作業方法

鏟斗式挖溝船在硬質海床區域不能提供較高的挖溝效率，挖溝效果也并不理想，并且會出現斗齒斷裂的情況。對于硬質海床的預挖溝作業，首先需要解決的是海床硬層破碎問題，只要海床硬層可以先進行破碎，傳統的鏟斗式挖掘機就可以進行挖溝作業，而且實現較高的挖溝效率。

考慮到高頻破碎錘可在不改裝的情況下進行水下破碎作業，而且可以安裝在鏟斗式挖溝船挖掘機上，通過替換挖掘機的鏟斗，使挖溝船在硬質海床區域具備海床硬層破碎功能，如圖3、4 所示。利用高頻破碎錘，挖溝船先進行硬質海床破碎，然后再利用鏟斗進行挖溝作業，即使挖溝后溝深不能達到設計要求，也可以采用多次破碎、多次進行挖溝作業的方法來達到設計溝深。

圖3 挖溝船挖掘機安裝高頻破碎錘Fig.3 Dredger equipped with high frequency crushing hammer

圖4 巖石破碎后挖溝船使用鏟斗挖溝Fig.4 Bucket trenching after breaking rocks

部分挖溝船沒有配備水下作業可視系統，這在一定程度上降低了硬質海床硬層的破碎精度，很難做到對局部硬層的精準破碎，但是可以在后期根據聲吶掃描調查結果再次進行修正破碎。如預挖溝項目中配備多條鏟斗式挖溝船，合理安排挖溝船，長期安裝高頻破碎錘進行硬層破碎作業，以節省高頻破碎錘和鏟斗來回更換的時間，第一時間根據聲吶掃描調查結果進行修正破碎。

2 硬質海床區域長距離登陸拖拉施工技術

2.1 登陸拖拉浮筒布置方案

由于底拖法受到波浪流的作用力小，管道在登陸拖拉過程中的軌跡容易控制，對于長距離登陸拖拉，可采用底拖法進行施工。但是考慮到硬質海床預挖溝溝底無法保證平整，且溝底為硬質海床，采用傳統底拖法進行登陸拖拉時，浮筒綁扎帶會與海床產生接觸，登陸拖拉過程中浮筒綁扎帶與海床產生摩擦而損傷，極易造成浮筒丟失，進而導致岸上拖拉絞車拖拉力的增加，所以采用底拖法在硬質海床進行長距離登陸拖拉要盡可能避免浮筒綁扎帶與海床產生摩擦［3］。為此可以采用浮筒不均勻綁扎方案，使海底管道在登陸拖拉過程中于水下保持蛇形狀態，如圖5 所示。考慮拖拉過程中水深的變化，保證海底管道綁浮筒區域可以懸浮離開溝底，避免浮筒綁扎帶與海床產生接觸，從而降低浮筒由于綁扎帶和海床摩擦造成丟失的可能性。

圖5 管道在水下的形態Fig.5 Pipeline underwater shape

2.2 登陸拖拉浮筒綁扎方案

長距離登陸拖拉除要考慮浮筒由于綁扎帶和海床摩損造成的丟失外，還要考慮浮筒綁扎帶和鋪管船作業線及托管架滾輪產生的接觸。根據浮筒和綁扎帶的尺寸對管道水泥涂層進行開槽，將綁扎帶固定在槽內，從而避免浮筒綁扎帶在通過鋪管船作業線和托管架滾輪時產生損傷。

以中東海域某項目為例，為避免浮筒綁扎帶在通過鋪管船作業線和托管架滾輪時產生損傷，對需要綁浮筒的管道進行開槽處理，每根管道設計開槽7 道，根據水泥內置鐵絲網的深度，管道開槽深度可達10 mm，開槽寬度為50 mm，以適應32 mm寬度的鋼制綁扎帶，如圖6 所示。該項目通過水泥涂層開槽的應用，避免了浮筒綁扎帶在通過作業線和托管架滾輪時出現損傷的情況，如圖7 所示。

圖6 海管水泥涂層進行開槽作業Fig.6 Grooving on pipe concrete coating

圖7 管道開槽后綁扎浮筒通過托管架滾輪Fig.7 Floater through stinger roller

2.3 登陸拖拉浮筒浮力試驗

對于長距離登陸拖拉，為了降低岸上絞車的拖拉力，需要在管道綁扎使用大量的浮筒，相關的拖拉力計算是基于浮筒的凈浮力進行的，所以一定要保證浮筒在相應水深可以提供足夠的凈浮力。

為保證登陸拖拉施工過程中浮筒可以提供足夠的凈浮力，需要進行浮筒凈浮力試驗，該試驗可以使用同等水下重量的管道。為了驗證浮筒的綁扎方案，試驗水深要滿足登陸拖拉過程中的最大水深。

綁扎浮筒是登陸拖拉的關鍵施工技術措施，浮筒不同于其他的標準施工配件，通常沒有相應的規范及檢驗要求。因此，通過模擬試驗驗證有效性是最為簡單直接的方法。

3 結 語

本文通過對高頻破碎錘工作原理進行研究，提出了一種適用于硬質海床區域的預挖溝作業方法，通過鏟斗式挖溝船挖掘機加裝高頻破碎錘，使挖溝船具備海床硬層破碎功能，對硬質海床硬層進行前期破碎，使海床達到鏟斗式挖掘機的適用工況，最后利用鏟斗進行高效挖掘，有效發揮了高頻破碎錘的高效破碎功能和鏟斗式挖掘機的高效挖掘功能。

通過浮筒不均勻布置方案，使綁扎浮筒的管道可以離開溝底，避免浮筒綁扎帶在拖拉過程中產生損傷造成浮筒丟失。同時綁扎浮筒的管道進行開槽設計，使綁扎帶在通過作業線和托管架滾輪時不會產生損傷。通過浮筒不均勻布置綁扎和管道開槽設計，可最大程度上避免浮筒的丟失，保證岸上絞車拖拉力在計算范圍內，為登陸拖拉成功進行提供最堅實的保障。