杜喜军1，赵 杰2，王艳涛1，刘 坤1
(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.中国水电建设集团港航建设有限公司市场开发部，天津 300457)
摘要：对海底油气输送管道进行挖沟填埋是一种常用的保护方法。文中综述了海底管道主要的挖沟方法及其适用的挖沟设备，分析了各种挖沟方法的优缺点及其适用条件。通过具体工程案例分析了不同管段海域水深、地质条件、挖沟深度等实际情况，在不同的管段采取相应的挖沟方法，选用合理挖沟机械；保证了工程进度，提高了效率，节约了成本，满足预定要求。
关键词：海底管道；预挖沟；后挖沟；同时挖沟
海底管道输送逐渐成为海上油气输送最主要的也是快捷、经济、可靠的方式，对保证海上油气资源顺利利用起到重要作用。
为保证海底管道安全畅通，避免因波浪或潮流造成管线的偏移和悬空等对海底管道的破坏，对海底管道进行挖沟填埋是一种行之有效的保护方法。本文结合实际工程案例，根据不同管段海域的水深，分析比较海底管道的挖沟方法。
根据海管铺设和挖沟顺序，挖沟方法可以分为预挖沟法、同时挖沟法和后挖沟法。
1.1 预挖沟法
预挖沟法实际上是在海底管道铺设之前预先开挖出一条沟来，然后再将海底管道铺设到沟里的方法。预挖沟法多用于较浅水域的短距离管线，例如过河管线、登陆段部分等。对于特殊海床，例如地貌凹凸不平、岩石质海底等部位也常采用预挖沟法。
用于预挖沟的设备主要有挖沟犁、铰吸式挖泥船、抓斗式挖泥船、链斗式挖泥船、铲斗式挖泥船、水陆两用推土机等。具体采用何种挖掘设备进行预挖沟，应根据海况、水深、土质及工期要求等来确定[1]。
预挖沟施工的缺点在于挖沟精度难控制，海底底流容易引起沟土回淤，使预挖沟的深度达不到要求；为了便于铺管，挖沟沟槽较宽，土方作业量大，铺管完成后，一般还需要人工回填沟槽。
1.2 同时挖沟法
同时挖沟法是海底管道铺设与挖沟作业同时进行的一种挖沟方法。同时挖沟法使用的设备主要是挖沟犁，其具体做法是将挖沟犁安装在托管架末端，由铺管船拖曳着前进完成挖沟和铺管作业。
铺管犁沟同步进行在时间和资金上十分有利，但它只适用于较浅的水中，且所需牵引力较大，施工难度大，极易对海底管道表层造成伤害，实际施工中使用较少[2]。
1.3 后挖沟法
后挖沟法就是在海底管道铺设在海床上之后再用海底挖沟机在海底管道底部进行挖沟作业。基本原理是利用挖沟机产生的大流量喷冲水流对海底管道底部的土壤进行冲刷、液化，液化土壤随流冲走，从而形成管沟，管线在自重作用下，沉入沟中。由于在较深的水域内，很难将海底管道准确地铺设到预先挖好的沟内，所以深海铺管埋设一般采用后挖沟方法。
后挖沟法可选用设备有喷射式挖沟机、铰吸式挖沟机和挖沟犁。挖沟作业效率与挖沟机种类、土壤条件、挖沟深度以及海底管道在水中的总量关系很大。
后挖沟方法按照已铺管线路由挖沟，适用于不同水深条件，而且能精确控制沟型、沟深等，是目前最主要的挖沟方法。
2.1 工程背景
某油田位于渤海湾北部，油田位置水深约32 m。本项目计划由油田铺设一条到陆地终端的输油管线(海底管道规格如表1所示)，管线总长50.7 km。表1中，1″=2.54 cm。根据管线路由规划及地质勘探，最深处海域水深为35 m，土壤的不排水剪切强度从5 kPa至35 kPa。
表1 海底输油管道规格表
材质管径类型水泥配重API5LX6512″/16″双层保温无
管线需要横跨一条航道，为避免影响航运，保证海管安全，KP18至KP14.5需要深挖沟4 m，及时回填；管线经过浅水区域约3.1 km(包括约700 m的潮汐滩涂)；管线陆地端约2 km，具体管线路由见图1。
图1 管线路由示意图
挖沟完成后，为保证挖沟能满足预定要求，需要进行挖沟后调查(如需人工回填，回填前后均需要后调查)。本项目以海管设计路由为中心线，其两侧各100 m地区域为勘探范围，在此区域内进行水深探测、旁侧声纳扫测和管线仪探测。
水深探测：利用测深仪探测沟槽深度，以线间距50 m垂直管线路由布设若干条测线。旁侧声纳扫测：利用声纳测量管线路由走向，沿海管路由中心布设1条，平行海管路由两侧各布设1条测线，测线间距50 m。管线仪探测：利用浅地层剖面仪检测管埋深度，以线间距50 m垂直管线路由布设若干条测线。
2.2 KP50.7至KP7.1管线挖沟方法选择
2.2.1 KP50.7至KP18管线
此段海底管道长32.7 km，挖沟深度1.5 m(管顶至泥面)，沟槽自然回填。根据管线路由勘探结果，本段管线区域水深30 m至35 m，平均水深32 m；周围海况良好，海床地势平坦，以软泥、散沙为主，部分地段有不连续黏土层，土壤的不排水剪切强度为约5～35 kPa。
根据以往海底挖沟经验，本段管线选用喷射式挖沟机进行后挖沟，一遍成型。挖沟后调查结果显示，挖沟最深处能达到2 m，最浅处1.2 m，沟深达到1.5 m的比例达到95%。
2.2.2 KP18至KP14.5管线
此段海底管道长3.5 km，本段管线需要横跨一条航道，保证海底管道安全，需要将海底管道深埋，挖沟深度4 m(管顶至泥面)，沟槽需及时人工回填。根据管线路由勘探结果，本段管线区域水深约32 m，海床地势较平坦，表层以软泥、散沙为主，3 m以下有黏土层，土壤的不排水剪切强度约35 kPa。
预挖沟：本段管线预挖沟需挖沟深约6 m(考虑管径及部分泥土回淤)，采用耙吸式挖沟机需挖3遍才能达到计划深度。沟槽成梯形，沟面宽20 m，沟底宽10 m，挖沟后截面面积约60 m2，铺管后需人工回填沙石量约2.1×105m3(如图2(a)所示)。
后挖沟：本段管线后挖沟先采用宽滑橇型喷射式挖沟机挖两遍，深度约2.5 m，再采用窄滑橇型铰吸式挖沟机挖两遍，达到设计深度。沟槽成V形，沟面宽8 m，截面面积约20 m2，需人工回填沙石量约7.0×104 m3(如图2(b)所示)。
分析比较预挖沟和后挖沟的效率及沟槽回填工作量，本段管线最终采用后挖沟方法。挖沟后调查(人工回填前)结果显示，沟槽最浅处3.6 m，沟深达到4 m的比例达到98%。
(a)预挖沟梯形沟槽示意图(回填后)
(b)后挖沟V型沟槽示意图(回填后)
图2 预挖沟与后挖沟及人工回填对比示意图
2.2.3 KP14.5至KP7.1管线
此段海底管道长7.4 km，挖沟深度1.5 m(管顶至泥面)，沟槽自然回填。根据管线路由勘探结果，本段管线区域水深30 m至33 m，平均水深31 m；周围海况良好，海床地势平坦，以软泥、散沙为主，部分地段有不连续黏土层，土壤的不排水剪切强度约为5～20 kPa。
根据以往海底挖沟经验，本段管线选用喷射式挖沟机进行后挖沟，一遍成型。挖沟后调查显示，最浅处1.2 m，沟深达到1.5 m的比例达到95%。
2.3 KP7.1至KP2管线挖沟方法选择
2.3.1 KP7.1至KP5.1管线
此段海底管道长2 km，挖沟深度1.5 m(管顶至泥面)，自然回填。根据管线路由勘探结果，本段管线海域水深从最深30 m逐渐变为最浅7 m，平均水深16 m；周围海况良好，海床地势相对平坦，土壤的不排水剪切强度为约25 kPa。
本段管线选用喷射式挖沟机进行后挖沟，一遍成型。挖沟后调查显示，最浅处1.2 m，沟深达到1.5 m的比例达到97%。
2.3.2 KP5.1至KP2管线
此段海底管道长3.1 km(包括约700 m地潮汐滩涂)，挖沟深度1.5 m(管顶至泥面)，自然回填。本段管线路由水深从最深7 m直至潮汐滩涂，海浪海潮等对施工影响较大，根据管线路由勘探结果，海床地势凹凸不平，土壤的不排水剪切强度约为30 kPa。
对于水深小于7 m的海域，既可以采用预挖沟的方法，也可以采用后挖沟的方法，需要根据项目的实际情况进行比较分析。
(1)工程难度。预挖沟施工难度要小于后挖沟。对于后挖沟，水深小于7 m的海域，挖沟难度比一般海域(水深10～60 m)更大。在浅海水域，尤其是在水陆相衔接处，沙滩淤积区域水浅且漫长，海床复杂。在这样的水域，大船进不来，陆地上的设备又不能在水上施工，施工设备问题难以解决[3]。
(2)工作量。针对本项目12″/16″双层保温管，预计挖掘沟槽截面为沟面宽20 m，沟底宽10 m，沟深为3.5 m。为降低铺管难度及抵消沟槽回淤，实际施工时预挖沟沟槽更大，预挖沟工作量远远大于后挖沟。在浅海水域，尤其是在潮汐滩涂处，由于潮汐作用，沟槽回淤更严重，需要有针对性地做出防止回淤的措施 [4]。
综合考虑了预挖沟和后挖沟的各自优缺点，结合本项目的实际情况，最终采取了预挖沟和后挖沟相结合的方法。在较浅位置(水深小于2 m)选用水陆两用挖沟机，在退潮时尽可能向海里延伸开挖，现挖现铺。剩余部分区段，待海底管道铺设后采用后挖沟，选用吃水较浅船舶支持作业，利用喷射式挖沟机，在较浅位置等待涨潮时开挖。挖沟后调查显示，最浅处1.4 m，沟深达到1.5 m的比例达到90%。
2.4 KP2至KP0管线挖沟方法选择
KP2至KP0为陆地段，陆地段预挖沟一般采用推土机、挖掘机及人工进行。本段管线根据海管设计路由，按照实际环境采用挖掘机现场挖沟，推土机掩埋方式，顺利完成挖沟作业。
海底管道挖沟掩埋是保护海底管道最便捷也是最经济的方法，对海底管线尤其是长距离海底管线的挖沟掩埋，需要注意一下几个问题：
(1) 挖沟前海管路由预调查是一项必不可少的工作，预调查不仅包括勘探地质、测水深等基本调查，而且要标示出海管路由上影响挖沟的障碍物(如大石块等)，以便提前处理。海管路由勘探区域一般是海管路由两侧各100 m。
(2) 根据不同海域水深和挖沟深度采用最经济合理的挖沟方法，根据地质特点选用不同的挖沟机械。对于4 m深挖沟，现有的铰吸式挖沟机可以满足一遍完成，但是考虑到海管的弯曲应力，分多遍逐渐增加挖沟深度以保证海管不被破坏。
(3) 4 m深挖沟完成后，经后调查确认合格后才能进行人工回填。一般考虑使用原土回填，也就是利用抓斗式挖泥船在管线路由周围挖土直接填埋在沟槽里，如果有需要，可以在沟槽填埋后再在上边覆盖一层小石块。
参考文献：
[1] 张国光.海底管道开沟技术的发展及综合评价.海洋通报，1989,8(2)：106-111.
[2] 高溦.水力冲射海底开沟机的参数优化:[学位论文].大连：大连理工大学，2008.
[3] 卢瑾奉.滩海海底管道挖沟沉管技术. 江苏船舶，2004(5)：12-14.
[4] 姜进方.登陆海底管道近岸段预挖沟. 中国海上油气(工程)，1996,8(1)：7-14.
Contrast of Subsea Pipeline Trenching Methods
DU Xi-jun1，ZHAO Jie2， WANG Yan-tao1，LIU Kun1
(1.Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China; 2. Sinohydro Harbour Co.,Ltd., Tianjin 300457, China)
Abstract： Trenching is a common method of protection for subsea oil and gas transmission pipeline. In this paper, the major subsea pipeline trenching method and trenching equipments were summarized, and the advantages and disadvantages of all kinds of trenching methods were analyzed. According to specific project, water depth, geological conditions and depth of trench in different pipe section were analyzed in this paper. The corresponding trench methods were adopted in different sections, thus ensuring the project progress, improving the efficiency, saving the cost and meeting the reserve requirements.
Key words: subsea pipeline；pre-trenching；post trenching； trenching at the same time
中图分类号：TE8
文献标识码：A
文章编号：1004-9614(2015)05-0052-03
收稿日期：2014-12-11 收修改稿日期2015-04-25
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