押延寧，史云龍

(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300450)

0 引言

目前，海洋石油的開發(fā)呈現(xiàn)深水化的發(fā)展趨勢，海底石油管道面臨復雜多變的海洋環(huán)境。近些年，海底管道發(fā)生的損傷事故時有發(fā)生，為確保海底管道安全可靠運行，施工設計部門對海底管道的挖溝處理提出了更高的要求[1]。

根據(jù)海底管道鋪設的時間可將海管挖溝處理分為：(1)預挖溝，在進行管道鋪設之前就對管溝進行挖掘，主要用于海管登陸等水深較淺的海域。此外，對凹凸不平、巖石質海底等地形地貌較為復雜的海床也采用預挖溝的方法。因為其開溝寬度較大，土方量較大，而且對管道沒有損傷的風險。(2)邊鋪管邊挖溝，一般會在管道鋪設的過程中進行挖溝，同時管道會落入管溝，這種方法對挖掘設備的要求較高，適用于海管穩(wěn)定性較差的情況。(3)后挖溝，在等到海底管道鋪設完成后，再利用挖溝機進行挖溝，這種方法主要用于海水較深的海域。目前，除了管道登陸以外，國內海底管道一般都采用后挖溝的敷設方式[2-4]。

后挖溝的敷設方式可以對海底管道進行保護，這種方式能夠很好地避免船舶拋錨、漁業(yè)活動等對管道產(chǎn)生的影響。我國渤海海域附近的海底管道，除登陸段管道外，其他管段大都采用后挖溝的埋設方法。鋪設挖溝主要采用犁式挖溝機、噴沖式挖溝機、噴沖式ROV、機械式挖溝機和深水挖溝機等設備，不同設備對海底土質的適應性各有不同。在開展海底管道鋪設施工之前，要對海管路由區(qū)域的海底地質條件進行勘測與分析，根據(jù)分析結果選擇挖溝機的類型[5-6]。

1 海底管道犁式后挖溝技術

犁式后挖溝技術的工作原理是通過外部牽引力作用[7]，利用機械犁刃將土壤裂解翻拋成需求溝型。在搬運時需要采用大系柱拖力DP2 支持母船進行拖曳前進，自重較大，體積較大，必須使用船舶收放系統(tǒng)。此外，犁式挖溝機的運行水深為500 m，爬坡能力高于10°，能夠完成土壤剪切強度在30～100 kPa 時的挖溝需求，并且挖溝后的溝型好，運行效率高，可以實現(xiàn)重復挖溝作業(yè)。具體工作流程如下：首先完成海管鋪設位置的預調查并對障礙物進行清理，在此基礎上進行挖溝犁的收放和入水測試，并將船舶停放在海管起始挖溝點周圍50 m 處進行DP 測試，準備工作完成后將挖溝犁下放到距離河床10 m 的位置，并完成犁式挖溝機的功能檢查與挖溝犁浮筒充氣工作；其次，將船舶運行至挖溝起始點位置，挖溝犁下放至海管上進行就位，讓其與海管相連接并解開船舶吊上的挖溝犁，船舶便可以開始沿著挖溝方向前進，同時船舶上的卷揚機牽引挖溝犁進行挖溝作業(yè)；最后在完成挖溝作業(yè)后，斷開挖溝犁與海管連接，將其回收，隨后進行挖溝作業(yè)的后調查，對溝深未達標的區(qū)域可以進行二次挖溝。

2 海底管道非接觸式海管后挖溝技術

非接觸式后挖溝技術主要采用非接觸式挖溝機完成，其工作機理是采用流量較高的軸流泵抽水并噴沖海床，通過噴沖水流將管道底部的土壤泥沙帶走形成管溝。這種挖溝機在進行挖溝作業(yè)時全程不與管道接觸，因此，不會對管道表面產(chǎn)生損壞。而且這種技術方式作業(yè)水深可以達到300 m，在土壤剪切強度低于40 kPa 的工況具有較高的效率，更適合在軟泥及粗砂地質條件下進行挖溝作業(yè)。非接觸式后挖溝的主要工作流程如下：首先進行鋪設海管位置的預調查與鋪設線路上的障礙物清理工作，在此基礎上進行船舶的DP 測試工作，同時挖溝機要開展水下的試挖溝測試，根據(jù)試挖溝的結果確定挖溝機與海管的操作間距，泵的功率以及船舶要求的速度；其次確定挖溝的參數(shù)之后，船舶要移動到距離挖溝點20～30 m 位置處并將挖溝機下放至工作水深處，通過移動船舶位置將挖溝機移到海底管道上方；再次啟動挖溝機的軸流泵在海管挖溝處進行造坡，船舶可以沿著挖溝方向逐漸移動完成工作，當挖溝機接近終點時要進行終點附近的造坡作業(yè)；最后，當終點造坡完成后便可以關閉并收回挖溝機，并進行海底管道挖溝后的勘探分析工作，主要檢查溝深是否達標，如果沒有達到標準要再次進行挖溝作業(yè)[8]。

3 應用后挖溝技術完成海管路由調整

3.1 海管路由調整案例

錦州25-1 南外輸天然氣管線路由需要進行重大調整，管線長度需要增加2.6 km，新路由仍然臨近錨地且穿越既有航道。根據(jù)設計要求，該條管線埋深分別為1.5 m、2.0 m 和4.0 m，其中4.0 m 埋深段長度為12.3 km。由于項目施工方并未有前期的建設經(jīng)驗可以借鑒，因此，本次施工建設要承受工期和費用的雙重壓力。項目施工人員只能在已有技術的基礎上，通過統(tǒng)籌規(guī)劃與施工整體推進，在將風險降到最低的前提下最大限度減少資金投入。2011 年4 月，在錦州25-1南CEP 外輸氣管線通航論證會上，由于海管原設計路由與已經(jīng)批準的航道交叉而被與會專家否決。隨后技術專家組對附近海域進行了分析研究，并對海管路由進行了優(yōu)化調整，最終選擇南線作為調整海管的路由。但是南線路由對項目施工存在一定的影響，具體內容如下：(1)距離4#錨地最近約2 km，因此需增加海管埋深；(2)安全距離及跨航道管線埋深需要進一步討論論證；(3)需要增加2.6 km 長度的管線，要提前采購管道，并且要增加海上相應的鋪設清管試壓等工作；(4)在完成路由變化后的地質情況可能變化導致原管線的配重設計會產(chǎn)生變化；(5)要重新做路由調查。

在2011 年8 月份再次進行路由通航論證審查時，專家提出管線路由區(qū)域段埋深4.0 m，共約25.2 km；埋深5 m，共約1.5 km；埋深2.0 m，共約14.2 km；需要深埋管線總長約40.9 km，其余管線按原設計埋深1.5～2.0 m。但項目專家組在調研國內大型船舶錨系及其落錨方式的基礎上，重新研究和分析通航安全評估報告，查找相關資料并咨詢專業(yè)機構，根據(jù)最新路由調查土壤參數(shù)，獨立計算拋錨軌跡及錨嚙土深度后，從理論上補充和修正原評估報告中的遺漏。

最終有關部門取消埋深5.0 m 區(qū)域，減少了埋深4.0 m 區(qū)域，適當增加了埋深2.0 m 區(qū)域，消除5.0 m 埋深挖不到位的風險。確認管線埋深2.0 m 段長46 km，4.0 m 埋深段長12.3 km，該路由得到了海事部門批準。在海管路由確認并通過審查之后，項目組與研究總院和海工設計協(xié)作溝通，加快完成施工前期設計，加緊完成2.6 km 海管的采辦工作。同時優(yōu)化施工方案，采取快速跟進、并行施工等多項措施縮短施工工期。

3.2 后挖溝作業(yè)

在進行管線后挖溝施工前，項目組與施工單位根據(jù)前期地質調查報告，進行多次方案完善和優(yōu)化。針對路由的復雜性，重點對挖溝機進行了選型，尤其關注挖溝機的抽吸和噴沖能力，務必滿足該區(qū)域土壤條件。但在實際挖溝作業(yè)中，挖溝效率遠遠低于原計劃，經(jīng)初步分析認為挖溝設備不適用于該地段，需立即進行適應性改造，同時增加相應的噴沖及抽吸設備資源。海工委托水科所對地質進行補充調查，根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況和水科所的調查結果，確認之前按照油服地質調查資料進行挖溝機選型存在偏差。對此項目組采取了多項措施進行彌補，促使海工通過大量地投入船舶、設備。經(jīng)過多方面努力，原本2013 年無法完工的外輸氣管線在經(jīng)過項目組采取的多項彌補措施的情況下，終于在2013 年8 月份完成了后挖溝、清管、試壓作業(yè)，并于9 月初通過機械完工驗收。保障了項目的按期完工，同時節(jié)約了項目成本。

3.3 經(jīng)濟效益

通過項目組對埋深方案的再次優(yōu)化，取消了5.0 m埋深區(qū)域，4.0 m 埋深區(qū)域從25.2 km 減少到12.3 km，費用降低約1.5 億元。由于管線路由發(fā)生重大變化，需重新進行路由調查，重新編制新方案，重新設計跨航道管線埋深，重新設計管線配重及進行新增部分管線采辦，費用增加預計超過原批復概算約3.4 億元。面對工期和費用的嚴重壓力，項目組臨危不亂，運籌帷幄，最終攻堅克難，實際只比原概算增加1.7 億元，有效將風險和投資降到最低。

4 海管路由調整原因分析

4.1 海域的復雜性

海管路由與已獲得審批的錨地交叉是海管路由調整的直接原因，海管路由附近共有8 個拋錨區(qū)需要回避。在2011 年8 月的通航論證會之后，項目組對通航報告仔細閱讀，對國內的挖溝資源進行挖溝能力進行調查與研究分析，對大型船舶的錨系及落錨方式進行研究，查閱大量的資料與研究報告，并及時將相關信息與通航論證報告編制單位進行溝通，最終項目組根據(jù)專家意見專門編制了管線埋深專題研究報告。

調整后的海管路由途經(jīng)約30 km 灘涂養(yǎng)殖區(qū)，17 km 的沙波沙脊區(qū)，橫跨15 條古河道，兩側相鄰8 個拋錨區(qū)，最近距離只有2 km。此外，穿越1 條在用航路和1 條規(guī)劃航道，緊鄰2 個吸沙區(qū)，最近距離只有500 m，南側2 km 為斑海豹保護區(qū)。海域狀況和地質結構的復雜性給后挖溝作業(yè)帶來了極大困難。

4.2 地質條件的復雜性

2013 年4 月聯(lián)合正力船組攜帶管道埋設機進行KP89.6～KP59.3 段1.5 m 埋深挖溝施工時發(fā)現(xiàn)該海域的地質情況也比較復雜。船組原計劃挖溝效率1.4 km/d，全程挖一遍即可完成作業(yè)，但在實際挖溝作業(yè)中，挖溝效率平均為0.36 km/d，且需要挖兩遍才能完成挖溝作業(yè)。海工委托天津水科所對存在硬土層的路由段進行了工程地質補充調查后，與先期油服的調查結果進行數(shù)據(jù)對比分析，發(fā)現(xiàn)調查結果存在差異。

針對鉆孔資料存在的數(shù)據(jù)差異，項目組和海工組織召開了專家研討會，認為存在差異的原因如下：(1)調查目的不同，中海油服調查是為了管道路由設計，是計算管線穩(wěn)定性的依據(jù)，水科所調查是為了保障挖溝作業(yè)，是進行挖溝設備選型的依據(jù)；(2)取值原則不同，油服的地質調查資料采用地基土方法評估，地質數(shù)據(jù)為均值或較小值，水科所的調查是采用疏浚土方法實測，評估土質的數(shù)據(jù)為峰值；(3)同一黏性土層，選取不同深度段的土樣進行力學試驗，強度也會存在不一致；(4)鉆孔位置有所差異，雖然兩次調查所在總體區(qū)域一致，但是相對鄰近調查孔位之間還是有一定距離(最小間距80 m)。

5 海管路由調整方案

找到海管后挖溝工作效率低的主要原因之后，針對此情況，項目組從四個方面采取措施確保挖溝工作的順利進行。

5.1 資源調配

項目組組織施工單位立即調集國內最先進的挖溝資源先后投入項目(如海州、海諾利華、管道局六公司、航道局、俊昊公司、海王星等)，并和施工單位組織召開專家審查會，對目前國內的挖溝設備進行了認真分析并提出改造建議，以適應路由地質情況的需要。同時針對不同地質情況，重新調配設備，實現(xiàn)“合適的設備干適應的路段”，在錦州25-1 南外輸氣管線后挖溝作業(yè)中，各船原計劃挖溝效率要比實際效率低很多，導致工期延長。

5.2 優(yōu)化方案

根據(jù)地質條件靈活調整挖溝機的抽吸和噴沖的效果，利用拋錨、移船、潛水員下水檢測等時間進行檢修和改造挖溝機，調整挖溝機的工作狀態(tài)。根據(jù)不同的地質和施工條件對挖溝機進行升級改造，調整挖溝速度與挖溝策略(爭取一次擾動、二次深挖、三遍成型)，以爭取達到最佳工作狀態(tài)。

5.3 設備改造

有針對性地進行了增大破土能力、增加抽吸量、加強氣舉能力、防止異物堵塞抽吸口等方面的適應性改造，著重強化調節(jié)噴射功能和抽吸功能以適應施工地質環(huán)境，從而提高施工效率。

5.4 強化管理

與海工高層保持有效溝通與協(xié)調，保證趕工資源的快速投入。在每條船上配備了甲方管理人員，全程協(xié)調和管理，并聘請上海交大的專家作為挖溝的技術支持。海工維修主管領導駐船督戰(zhàn)，計劃細化到小時，每日進行效率評估及比對，及時召開海管后挖溝驗收技術要求專家討論會，有效評估挖溝效果。管線鋪設、挖溝過程，工程項目組派駐專職檢驗人員，實行24 h全程監(jiān)控，確保各個工序都在質量受控狀態(tài)下進行。在海管路由調整后，關于海管埋深的研究也為項目成功實施創(chuàng)造了較為合理條件，原本2013 年無法完工的外輸氣管線在經(jīng)過項目組采取的多項彌補措施的情況下，終于在2013 年8 月底清管試壓結束，并于9 月初機械完工。

6 結語

本文介紹錦州25-1 南外輸天然氣管線路由進行重大調整，管線長度需要增加2.6 km，項目施工方在并未有前期建設經(jīng)驗可以借鑒的前提下，在將風險降到最低的前提下最大限度地減少資金投入。

前期工程地質調查時要充分考慮挖溝作業(yè)要求，增加鉆孔密度并提供海管挖溝深度范圍內詳細的疏浚土土質參數(shù)，為后期挖溝機選型和挖溝作業(yè)提供更加準確有效的地質報告。在挖溝設備準備階段，需要研發(fā)或升級目前挖溝設備，重點解決地質復雜多變且不排水抗剪切力較高泥質的挖溝作業(yè)。同時盡快出臺挖溝操作技術標準，并完善適應不同地質參數(shù)和作業(yè)環(huán)境的挖溝機系列。在施工管理方面，要提高對挖溝作業(yè)的重視程度，制定行之有效的風險控制措施和應急處理方案，協(xié)調海事和漁政部門，增派執(zhí)法船舶疏導過往船舶和作業(yè)漁船，維護施工現(xiàn)場的正常作業(yè)。同時，加強現(xiàn)場的通信廣播，通知過往船舶和其他作業(yè)船舶注意避讓錨纜，特別是在吸沙區(qū)和航道區(qū)附近進行作業(yè)時。在施工階段，要充分考慮渤海海域的復雜性，全面評估挖溝所使用設備與船舶的匹配性，根據(jù)施工效率安排挖溝計劃。進一步完善挖溝定額，根據(jù)土壤硬度配置相應的施工設備，就此核算施工效率，并依此預算相應費用。