大口徑鋼管海底敷設(shè)施工中的二次切土后深埋技術(shù)

上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002

1 工程概況

舟山市大陸引水二期工程跨海段輸水線路全程在海底敷埋通過，跨海鋼管為Q235螺旋焊縫鋼管，外徑1 220 mm，壁厚14 mm?？绾］斔艿谰€路共2 條，分為南線和北線，平行布置，管線長(zhǎng)度分別為33.07 km和33.10 km。海底管道埋深要求為至少埋深至海底原始海床面以下2.7 m[1]。

2 海底管道埋設(shè)犁設(shè)計(jì)

本工程的難點(diǎn)是2.7 m的埋深要求是目前鋼管埋設(shè)犁所能埋深的極限，且由于傳統(tǒng)的海底管道埋設(shè)犁（圖1）存在因被敷鋼管直徑增大導(dǎo)致的左右2 把水力間距增加，而水力刀高壓水射程有限，難以破碎溝槽中間土體的難題，使得埋設(shè)機(jī)一次沖埋管道難以直接到位。若二次補(bǔ)埋，不僅使施工工效大幅降低，而且存在定位困難、容易引起原先已經(jīng)形成的一次溝槽塌方、埋設(shè)犁容易出現(xiàn)側(cè)傾等技術(shù)難題[2]。針對(duì)上述情況，專門設(shè)計(jì)了擁有前后2 組水力刀設(shè)計(jì)的全新海底鋼管埋設(shè)犁（圖2），其2 把前刀為垂直刀片，負(fù)責(zé)初步?jīng)_出溝槽；2 把后刀為傾斜刀片，傾角為10°，負(fù)責(zé)補(bǔ)充破碎溝槽中間的土體，再用后刀上的冷風(fēng)吸泥管徹底清空溝槽。該機(jī)2 把前刀和2 把后刀相距10 m，即管道某一斷面經(jīng)過前刀沖挖10～20 min后，后刀將再次補(bǔ)充沖挖該斷面，形成了宏觀上埋設(shè)犁一次通過而微觀上管道被沖挖兩次的效果。這不僅解決了管道口徑增大導(dǎo)致左右2 把水力刀距離過大無法破碎溝槽中間土體的難題，而且通過將一次埋深變成兩次埋深，成倍提高了溝槽的開槽深度，避免了二次補(bǔ)埋存在的種種問題。具有施工功效高、成本節(jié)約、工藝成熟安全、埋深質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)[3,4]。新設(shè)計(jì)的海底鋼管埋設(shè)犁總成如圖3所示。

圖1 傳統(tǒng)埋設(shè)犁沖挖原理

圖2 新設(shè)計(jì)的二次切土海底鋼管埋設(shè)犁沖挖原理

圖3 新設(shè)計(jì)的海底鋼管埋設(shè)犁總成

在圖3中，滑撬用以承受埋設(shè)犁質(zhì)量，使之不會(huì)陷入淤泥之中；前水力刀為垂直刀，先用高壓水初步?jīng)_射破碎土體形成溝槽；后水力刀夾角為10°，在前刀通過10～20 min后再次補(bǔ)充沖挖溝槽中間的土體，徹底形成溝槽；吸泥管用空氣吸泥原理將溝槽中破碎的淤泥吸出溝槽，揚(yáng)拋到海面上；進(jìn)水桁架為高壓水供水管路；活動(dòng)豎滾輪用于卡在待敷鋼管兩側(cè)作為導(dǎo)向，使埋設(shè)犁能夠騎著鋼管進(jìn)行埋深施工。

3 電測(cè)系統(tǒng)

為了更好地控制海底管道埋深的質(zhì)量，本次施工專門開發(fā)了全新的電測(cè)系統(tǒng)，將施工期間所需的各項(xiàng)施工測(cè)量數(shù)據(jù)（水腔供水壓力、氣包供氣壓力、水深、埋設(shè)犁姿態(tài)、流速、風(fēng)速、錨機(jī)繩速、GPS船位、鋼管與埋設(shè)犁立柱接觸情況、前后水力刀角度）集成并作反饋[5]。

4 施工船的設(shè)計(jì)與配置

1）施工船須擁有足夠的空間，以承載所有埋深施工所需的設(shè)備及人員。本次管道后埋深施工，采用了我公司的3 000 t級(jí)大型施工船“建基3002”作為埋深施工船?！敖ɑ?002”為方駁結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)60 m，寬22 m，正常排水量為3 000 t。

2）施工船具備大型設(shè)備起吊能力，以完成大型埋設(shè)犁（60～70 t）的投放、回收工作。

3）施工船的多點(diǎn)定位錨泊系統(tǒng)需滿足施工海域水深、風(fēng)浪、流速條件下安全施工，并能做到精確、緩慢地控制船位。為此施工船上配備了1 臺(tái)35 t牽引錨機(jī)以及4 臺(tái)20 t定位、糾偏錨機(jī)，5 臺(tái)錨機(jī)全部進(jìn)行了變頻化、集控化設(shè)計(jì)。真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)埋設(shè)犁牽引的全程可控制，確保了施工的進(jìn)度和質(zhì)量。另外，配有一臺(tái)20 t的普通錨機(jī)作為牛鼻子牽引埋設(shè)犁。

4）施工船須配備精良的水上水下定位、監(jiān)控系統(tǒng)，以確保牽引埋設(shè)犁的準(zhǔn)確性。本工程施工船上配備了1 套由GPS施工定位系統(tǒng)、全船監(jiān)視系統(tǒng)、埋設(shè)犁水下監(jiān)控系統(tǒng)組成的施工定位、監(jiān)控系統(tǒng)，能夠隨時(shí)監(jiān)測(cè)施工船的船位坐標(biāo)、各個(gè)位置的情況、埋設(shè)犁在水下的姿態(tài)、水力刀的角度、水泵、空壓機(jī)的壓力等數(shù)據(jù)，并能以數(shù)據(jù)、錄像等多種形式進(jìn)行保存。

5）施工船在埋設(shè)施工過程中，還要負(fù)責(zé)為埋設(shè)犁供給水槍破土所需的高壓水以及空氣吸泥裝置所需的壓縮空氣。所以施工船上還配備了10 臺(tái)高壓水泵、2 臺(tái)空氣壓縮機(jī)等一系列施工泵浦設(shè)備。

5 施工工藝

施工船的埋設(shè)施工工藝流程如圖4所示。

圖4 工藝流程

6 管道后埋深操作方式

施工船通過牽引鋼絲繩連接埋設(shè)犁，正常牽引埋設(shè)犁時(shí)，牽引鋼絲繩保持不動(dòng)，通過施工船移船牽引埋設(shè)犁前進(jìn)，僅在水深變化時(shí)，通過調(diào)節(jié)牽引鋼絲繩長(zhǎng)度，保持水下埋設(shè)犁姿態(tài)前后基本水平。

施工時(shí)，由錨艇將5 個(gè)定位錨分別拋在施工船前進(jìn)方向及兩側(cè)糾偏方向。埋管船通過均勻、慢速絞錨前進(jìn)，如圖5所示。定位錨拋設(shè)位置均由錨艇上的技術(shù)員通過DGPS定位確定。施工船5 臺(tái)錨機(jī)的絞錨前進(jìn)操作、控制由集控錨機(jī)操作員完成。集控錨機(jī)操作員通過施工DGPS導(dǎo)航定位，結(jié)合通過視屏監(jiān)視系統(tǒng)觀察埋設(shè)犁進(jìn)水桁架與施工船的相對(duì)位置，對(duì)埋設(shè)犁進(jìn)行左右定位、糾偏。通過水下電測(cè)系統(tǒng)反映的數(shù)據(jù)，結(jié)合每日潛水員探摸管道、溝槽的報(bào)告確定埋深移船前進(jìn)速度。

圖5 施工船絞錨前進(jìn)示意

埋設(shè)犁前進(jìn)的同時(shí)，10 臺(tái)高壓水泵開啟，通過供水管路將高壓水供應(yīng)到前后水力刀。所有水泵、空壓機(jī)管路壓力均集成如電測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。另外，視屏監(jiān)視系統(tǒng)有一個(gè)專門的探頭供集控錨機(jī)操作員觀測(cè)冷風(fēng)吸泥管的出泥情況，冷風(fēng)管出泥一旦出現(xiàn)不暢，立即暫停埋深前進(jìn)，處理狀況。

7 埋深檢驗(yàn)

埋深檢測(cè)由設(shè)置在埋設(shè)機(jī)上的實(shí)時(shí)電測(cè)檢測(cè)系統(tǒng)和每日進(jìn)行的潛水員水下抽查組成。

電測(cè)系統(tǒng)主要通過實(shí)時(shí)采集水壓、角度數(shù)據(jù)，取得埋設(shè)犁的前后左右傾角、水力刀的角度、埋設(shè)犁的深度、水泵管路內(nèi)的水壓、空氣管路內(nèi)的氣壓。通過這些數(shù)據(jù)，分析埋設(shè)犁的工作狀態(tài)是否正常，同時(shí)判斷埋設(shè)犁的實(shí)時(shí)開溝狀況；潛水員主要抽查管道實(shí)際就位狀態(tài)下的埋深效果。

8 結(jié)語

目前，跨海鋼管口徑增大、埋深設(shè)計(jì)要求增加是跨海引水工程發(fā)展的大趨勢(shì)。在舟山二期海底管深埋施工中，我司在原有的海底鋼管先敷后埋施工工藝的基礎(chǔ)上，研制了新型的擁有前后2 組水力刀設(shè)計(jì)的全新海底管道埋設(shè)犁，武裝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藝流程，解決了溝槽寬度增大引起的水力刀間距增大、溝槽中間土體難以破碎，以及埋深要求提高導(dǎo)致的一次沖埋深度不容易到位的技術(shù)難題。該方法具有工藝靈活、實(shí)用性強(qiáng)、溝槽斷面最小化、施工效率高、自然回淤容易、不需要再次回填等優(yōu)點(diǎn)，成倍地提升了施工工效，在實(shí)踐中取得了良好的效果。