大口径钢管海底敷设施工中的二次切土后深埋技术

上海市基础工程集团有限公司 上海 200002

1 工程概况

舟山市大陆引水二期工程跨海段输水线路全程在海底敷埋通过，跨海钢管为Q235螺旋焊缝钢管，外径1 220 mm，壁厚14 mm。跨海输水管道线路共2 条，分为南线和北线，平行布置，管线长度分别为33.07 km和33.10 km。海底管道埋深要求为至少埋深至海底原始海床面以下2.7 m[1]。

2 海底管道埋设犁设计

本工程的难点是2.7 m的埋深要求是目前钢管埋设犁所能埋深的极限，且由于传统的海底管道埋设犁（图1）存在因被敷钢管直径增大导致的左右2 把水力间距增加，而水力刀高压水射程有限，难以破碎沟槽中间土体的难题，使得埋设机一次冲埋管道难以直接到位。若二次补埋，不仅使施工工效大幅降低，而且存在定位困难、容易引起原先已经形成的一次沟槽塌方、埋设犁容易出现侧倾等技术难题[2]。针对上述情况，专门设计了拥有前后2 组水力刀设计的全新海底钢管埋设犁（图2），其2 把前刀为垂直刀片，负责初步冲出沟槽；2 把后刀为倾斜刀片，倾角为10°，负责补充破碎沟槽中间的土体，再用后刀上的冷风吸泥管彻底清空沟槽。该机2 把前刀和2 把后刀相距10 m，即管道某一断面经过前刀冲挖10～20 min后，后刀将再次补充冲挖该断面，形成了宏观上埋设犁一次通过而微观上管道被冲挖两次的效果。这不仅解决了管道口径增大导致左右2 把水力刀距离过大无法破碎沟槽中间土体的难题，而且通过将一次埋深变成两次埋深，成倍提高了沟槽的开槽深度，避免了二次补埋存在的种种问题。具有施工功效高、成本节约、工艺成熟安全、埋深质量好的优点[3,4]。新设计的海底钢管埋设犁总成如图3所示。

图1 传统埋设犁冲挖原理

图2 新设计的二次切土海底钢管埋设犁冲挖原理

图3 新设计的海底钢管埋设犁总成

在图3中，滑撬用以承受埋设犁质量，使之不会陷入淤泥之中；前水力刀为垂直刀，先用高压水初步冲射破碎土体形成沟槽；后水力刀夹角为10°，在前刀通过10～20 min后再次补充冲挖沟槽中间的土体，彻底形成沟槽；吸泥管用空气吸泥原理将沟槽中破碎的淤泥吸出沟槽，扬抛到海面上；进水桁架为高压水供水管路；活动竖滚轮用于卡在待敷钢管两侧作为导向，使埋设犁能够骑着钢管进行埋深施工。

3 电测系统

为了更好地控制海底管道埋深的质量，本次施工专门开发了全新的电测系统，将施工期间所需的各项施工测量数据（水腔供水压力、气包供气压力、水深、埋设犁姿态、流速、风速、锚机绳速、GPS船位、钢管与埋设犁立柱接触情况、前后水力刀角度）集成并作反馈[5]。

4 施工船的设计与配置

1）施工船须拥有足够的空间，以承载所有埋深施工所需的设备及人员。本次管道后埋深施工，采用了我公司的3 000 t级大型施工船“建基3002”作为埋深施工船。“建基3002”为方驳结构，长60 m，宽22 m，正常排水量为3 000 t。

2）施工船具备大型设备起吊能力，以完成大型埋设犁（60～70 t）的投放、回收工作。

3）施工船的多点定位锚泊系统需满足施工海域水深、风浪、流速条件下安全施工，并能做到精确、缓慢地控制船位。为此施工船上配备了1 台35 t牵引锚机以及4 台20 t定位、纠偏锚机，5 台锚机全部进行了变频化、集控化设计。真正实现了对埋设犁牵引的全程可控制，确保了施工的进度和质量。另外，配有一台20 t的普通锚机作为牛鼻子牵引埋设犁。

4）施工船须配备精良的水上水下定位、监控系统，以确保牵引埋设犁的准确性。本工程施工船上配备了1 套由GPS施工定位系统、全船监视系统、埋设犁水下监控系统组成的施工定位、监控系统，能够随时监测施工船的船位坐标、各个位置的情况、埋设犁在水下的姿态、水力刀的角度、水泵、空压机的压力等数据，并能以数据、录像等多种形式进行保存。

5）施工船在埋设施工过程中，还要负责为埋设犁供给水枪破土所需的高压水以及空气吸泥装置所需的压缩空气。所以施工船上还配备了10 台高压水泵、2 台空气压缩机等一系列施工泵浦设备。

5 施工工艺

施工船的埋设施工工艺流程如图4所示。

图4 工艺流程

6 管道后埋深操作方式

施工船通过牵引钢丝绳连接埋设犁，正常牵引埋设犁时，牵引钢丝绳保持不动，通过施工船移船牵引埋设犁前进，仅在水深变化时，通过调节牵引钢丝绳长度，保持水下埋设犁姿态前后基本水平。

施工时，由锚艇将5 个定位锚分别抛在施工船前进方向及两侧纠偏方向。埋管船通过均匀、慢速绞锚前进，如图5所示。定位锚抛设位置均由锚艇上的技术员通过DGPS定位确定。施工船5 台锚机的绞锚前进操作、控制由集控锚机操作员完成。集控锚机操作员通过施工DGPS导航定位，结合通过视屏监视系统观察埋设犁进水桁架与施工船的相对位置，对埋设犁进行左右定位、纠偏。通过水下电测系统反映的数据，结合每日潜水员探摸管道、沟槽的报告确定埋深移船前进速度。

图5 施工船绞锚前进示意

埋设犁前进的同时，10 台高压水泵开启，通过供水管路将高压水供应到前后水力刀。所有水泵、空压机管路压力均集成如电测监测系统。另外，视屏监视系统有一个专门的探头供集控锚机操作员观测冷风吸泥管的出泥情况，冷风管出泥一旦出现不畅，立即暂停埋深前进，处理状况。

7 埋深检验

埋深检测由设置在埋设机上的实时电测检测系统和每日进行的潜水员水下抽查组成。

电测系统主要通过实时采集水压、角度数据，取得埋设犁的前后左右倾角、水力刀的角度、埋设犁的深度、水泵管路内的水压、空气管路内的气压。通过这些数据，分析埋设犁的工作状态是否正常，同时判断埋设犁的实时开沟状况；潜水员主要抽查管道实际就位状态下的埋深效果。

8 结语

目前，跨海钢管口径增大、埋深设计要求增加是跨海引水工程发展的大趋势。在舟山二期海底管深埋施工中，我司在原有的海底钢管先敷后埋施工工艺的基础上，研制了新型的拥有前后2 组水力刀设计的全新海底管道埋设犁，武装了全新的埋深施工船，并制定完善的海底管道后埋深施工工艺流程，解决了沟槽宽度增大引起的水力刀间距增大、沟槽中间土体难以破碎，以及埋深要求提高导致的一次冲埋深度不容易到位的技术难题。该方法具有工艺灵活、实用性强、沟槽断面最小化、施工效率高、自然回淤容易、不需要再次回填等优点，成倍地提升了施工工效，在实践中取得了良好的效果。