海底管道毛石保護(hù)層精細(xì)化拋填技術(shù)的研究與應(yīng)用

周 波，魏 海，奉 虎，王 亮

1.海洋石油工程股份有限公司安裝事業(yè)部，天津300461

2.中海石油（中國(guó)） 有限公司天津分公司，天津300461

在海底管道后保護(hù)方法中，毛石回填保護(hù)是最常見(jiàn)的一種后保護(hù)方式。常用的毛石回填方法是利用拋石船直接拋石或者利用導(dǎo)管往下落石。這種拋石方式是一種粗放型拋填方式，對(duì)于毛石層的拋填范圍和厚度精度要求不嚴(yán)格，滿足最低設(shè)計(jì)要求即可[1]。在某些特殊情況下，毛石回填需要達(dá)到很高的精度要求，如要求拋填厚度誤差控制在10 cm 內(nèi)，此種情況下常見(jiàn)的拋填方式已經(jīng)不適合。本文結(jié)合工程實(shí)例，介紹了一種可行的毛石精細(xì)化拋填技術(shù)。

1 工程概述

某航道計(jì)劃擴(kuò)建為10×104t 級(jí)的航道，改造后的航道底標(biāo)高為-17 m，該航道與現(xiàn)有某海上至陸地終端登陸輸油管道有交叉。目前，已有海底管道高程為-19 m，為保護(hù)海底管道，采用的后保護(hù)方案是在海底管道正上方先鋪設(shè)兩層0.5 m 厚的柔性防護(hù)墊，而后再進(jìn)行毛石層回填。由于受前期海底管道暴露和剩余石塊的影響，因此柔性防護(hù)墊鋪設(shè)完成后，防護(hù)墊頂部高程為-18.0～-18.5 m。毛石回填保護(hù)方案的設(shè)計(jì)要求如圖1 所示，根據(jù)設(shè)計(jì)圖，防護(hù)墊上方石塊厚度必須滿足1 m 要求，防護(hù)墊兩側(cè)石塊厚度必須滿足3.5 m 要求?？紤]到航道底標(biāo)高要求，因此防護(hù)墊正上方只能回填1～1.5 m厚度石塊，而對(duì)于防護(hù)墊高程為-18 m 的區(qū)域，只能拋填1 m 厚毛石，拋填厚度誤差為10 cm[2-3]。

圖1 毛石回填完工示意

2 精細(xì)化拋填方案設(shè)計(jì)

2.1 船舶與裝備選擇

（1） 定位船。為使拋石船達(dá)到精確的定位和良好的穩(wěn)性要求，施工船舶中應(yīng)包含8 錨定位船，主要用于拋石船輔助定位和生活支持。

（2） 拋石船。用于拋石作業(yè)。為了提高拋石效率，拋石船上應(yīng)至少配備2 臺(tái)挖掘機(jī)和1 臺(tái)裝載機(jī)，拋石船靠泊定位船進(jìn)行拋石回填作業(yè)，數(shù)量應(yīng)不少于3 艘。

（3） 三維實(shí)時(shí)聲吶系統(tǒng)。它是目前國(guó)際上最先進(jìn)的一款多波束實(shí)時(shí)聲吶探測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)⑺绿卣饔跋駥?shí)時(shí)傳輸?shù)诫娔X屏幕上，方便指揮人員監(jiān)控拋填位置和效果[4]。

（4） DGPS 導(dǎo)航定位系統(tǒng)。配合定位船定位當(dāng)前位置，能夠定位施工船舶與拋填區(qū)域的相對(duì)位置，定位精度在2 m 之內(nèi)[5]。

（5） 多波束掃測(cè)設(shè)備。它是一種利用聲波來(lái)掃測(cè)海水深度的設(shè)備，本設(shè)計(jì)中使用多波束掃測(cè)設(shè)備來(lái)掃測(cè)石塊回填后的高程，用于計(jì)算回填石塊的厚度。

2.2 石塊粒徑選擇

覆蓋層穩(wěn)定性試驗(yàn)表明，在極端高水位和低水位時(shí)，在重現(xiàn)期為50 年和100 年的波浪作用下，單塊質(zhì)量100～200 kg 的毛石（粒徑420～530 mm）的穩(wěn)定性滿足要求。

研究發(fā)現(xiàn)，若管道覆蓋層上方水深超過(guò)20 m，則由于水深較大，波浪對(duì)覆蓋層作用較小，因而覆蓋層毛石無(wú)明顯移動(dòng)[6]。

2.3 方案設(shè)計(jì)

2.3.1 粗拋

粗拋階段對(duì)于石塊回填精度要求不高，粗拋階段應(yīng)完成整個(gè)石塊回填量的70%。

第一步拋填時(shí)石塊在該處水域水流作用下，其拋填后散落范圍、位置、拋填量都難以確定，因此通過(guò)試拋來(lái)確定。落點(diǎn)位置和拋填厚度可由三維實(shí)時(shí)聲吶確定，落點(diǎn)范圍可以通過(guò)潛水員探摸檢查確認(rèn)，根據(jù)三維實(shí)時(shí)聲吶監(jiān)控和潛水員檢查確定最為恰當(dāng)?shù)拇?，通過(guò)試拋確定粗拋量，也就是拋填點(diǎn)完成拋填厚度的70%需要拋填的斗數(shù)。

當(dāng)管道一側(cè)粗拋完成后，定位船在DGPS 的引導(dǎo)下，調(diào)整到管道的另一側(cè)，按照試拋確定的粗拋量進(jìn)行粗拋。完成一段粗拋后，調(diào)整船位至下一段進(jìn)行粗拋，直至完成全部回填區(qū)域的粗拋。粗拋完成后的效果如圖2 所示。

圖2 粗拋后效果示意

2.3.2 精拋

精拋是為了保證拋石的質(zhì)量，而采用DGPS 定位、三維實(shí)時(shí)聲吶監(jiān)控和導(dǎo)向籠導(dǎo)向的精確拋填方法，如圖3 所示。精拋應(yīng)完成整個(gè)拋石回填量的90%，導(dǎo)向籠固定在定位船舷側(cè)，導(dǎo)向籠為長(zhǎng)方形，上部為漏斗形，為保證管道安全，應(yīng)確保導(dǎo)向籠下口在最低潮時(shí)距離管道3 m 以上。

圖3 導(dǎo)向籠拋填示意

在聲吶設(shè)備和GPS 定位設(shè)備的輔助下，通過(guò)絞錨移動(dòng)船舶，使導(dǎo)向籠的下端位于需要拋填區(qū)域的正上方。然后挖掘機(jī)將石塊放入漏斗，使之經(jīng)過(guò)導(dǎo)向籠到達(dá)指定的拋填地點(diǎn)。在拋填的同時(shí)，聲吶監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)石塊的拋填效果和拋填高度，從而保證了拋填的高度滿足要求。精拋完成后的效果如圖4 所示。

圖4 精拋后效果示意

2.3.3 補(bǔ)拋

補(bǔ)拋就是對(duì)于剩余10%的回填量進(jìn)行補(bǔ)充拋填，該拋填工藝也是采用導(dǎo)向籠法，補(bǔ)拋應(yīng)選擇粒徑為200～300 mm 的石塊。

2.3.4 平整處理

補(bǔ)拋完成后，由于石塊的不規(guī)則和拋填誤差，有部分拋填區(qū)域會(huì)超出設(shè)計(jì)方案中要求的高程范圍，這時(shí)可采用壓輥來(lái)對(duì)拋填區(qū)域進(jìn)行平整。壓輥是一根規(guī)格為φ0.9 m×25 m 的長(zhǎng)管，使用時(shí)將其放在拋填高程超出要求的區(qū)域，利用定位船絞錨的絞動(dòng)帶動(dòng)壓輥從拋填區(qū)域的一側(cè)移向另一側(cè)，如圖5 所示。

圖5 壓輥平整示意

2.3.5 拋填厚度監(jiān)控

在拋填之前，預(yù)先通過(guò)三維實(shí)時(shí)聲吶系統(tǒng)建立拋填目標(biāo)虛擬基準(zhǔn)面，施工時(shí)保證每一階段的拋填量都不得超過(guò)該基準(zhǔn)面。

3 設(shè)計(jì)方案的實(shí)施過(guò)程

3.1 船舶就位

為使拋石船達(dá)到精確定位和良好的穩(wěn)性要求，施工船舶中應(yīng)包含8 錨定位船和2 艘拋石作業(yè)船。定位船輔助定位，拋石船則靠泊定位船進(jìn)行拋石回填作業(yè)，如圖6 所示。

定位船船舷邊安裝有直徑為3.5 m 的碰球，將兩條船之間隔出一個(gè)3.5 m× 40 m 的狹長(zhǎng)區(qū)域，作為拋石區(qū)。

圖6 拋石船靠泊定位船示意

在定位船的拋石區(qū)船舷邊，每隔2 m 標(biāo)記一個(gè)刻度，將定位船的拋石區(qū)劃分為20 個(gè)拋填作業(yè)小網(wǎng)格，并標(biāo)記數(shù)字1～20，用于挖掘機(jī)準(zhǔn)確定位拋填。

通過(guò)DGPS 定位系統(tǒng)在軟件上預(yù)先布置5 條拋填定位線，定位船通過(guò)絞錨絞動(dòng)帶動(dòng)拋石船到達(dá)最外側(cè)一條線上。

3.2 粗拋

粗拋前，先用多波束掃測(cè)設(shè)備掃測(cè)拋填區(qū)域附近海床的整體高程，確定拋填前柔性防護(hù)墊高程后，以柔性防護(hù)墊上頂面為基準(zhǔn)，利用三維實(shí)時(shí)聲吶軟件建立比此基準(zhǔn)面高0.7 m 的粗拋目標(biāo)基準(zhǔn)面，如圖7 所示。粗拋階段參照粗拋基準(zhǔn)面進(jìn)行石塊回填，拋填完的石塊不得高于此基準(zhǔn)面。

圖7 粗拋目標(biāo)基準(zhǔn)面建立示意

如圖8 所示，序號(hào)①～20為拋填作業(yè)網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格寬度2 m，一共20 個(gè)網(wǎng)格，每個(gè)船位能夠拋填40 m 長(zhǎng)度；序號(hào)1～5 為拋填定位線，每條定位線間距4 m。粗拋階段定位船以航道西側(cè)邊界的拋填定位線1 作為第一個(gè)起始船位，拋填定位線1的①～20網(wǎng)格拋填完成后，船舶按照拋填定位線1～5 的順序移至下個(gè)定位線再進(jìn)行拋填作業(yè)。每次船舶移位后先進(jìn)行試拋?zhàn)鳂I(yè)，在船舷邊的網(wǎng)格①內(nèi)拋1 斗，確定位置是否準(zhǔn)確，位置準(zhǔn)確后進(jìn)行該船位的粗拋?zhàn)鳂I(yè)，每臺(tái)挖掘機(jī)拋填10 個(gè)網(wǎng)格，兩臺(tái)挖掘機(jī)同時(shí)拋填可增加拋填效率。

3.3 精拋

圖8 拋填順序示意

精拋前，先用多波束掃測(cè)設(shè)備掃測(cè)粗拋填區(qū)域石塊高程，確定高程后，以粗拋完成后的石塊上頂面為基準(zhǔn)，利用三維實(shí)時(shí)聲吶軟件建立比此基準(zhǔn)面高0.3 m 的粗拋目標(biāo)基準(zhǔn)面，精拋階段參照粗拋基準(zhǔn)面進(jìn)行石塊回填，拋填完的石塊不得高于此基準(zhǔn)面。

如圖9 所示，精拋階段使用導(dǎo)向籠進(jìn)行拋填作業(yè)，為增加拋填效率，把導(dǎo)向籠設(shè)計(jì)為左右兩個(gè)導(dǎo)向槽，可使用兩臺(tái)挖掘機(jī)同時(shí)拋填。此處精拋完成后，在三維實(shí)時(shí)聲吶的指引下，通過(guò)絞錨絞動(dòng)移船至下一個(gè)導(dǎo)向籠拋填位置。

圖9 導(dǎo)向籠拋填示意

3.4 補(bǔ)拋

精拋完成后，使用多波束掃測(cè)設(shè)備掃測(cè)拋填區(qū)域，通過(guò)對(duì)照精拋后的掃測(cè)數(shù)據(jù)和粗拋前掃測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于石塊回填沒(méi)有達(dá)到1 m 厚的區(qū)域使用導(dǎo)向籠補(bǔ)拋。補(bǔ)拋時(shí)通過(guò)移船使導(dǎo)向籠下口對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)拋區(qū)域的正上方，選擇粒徑小于300 mm 的石塊進(jìn)行補(bǔ)拋?zhàn)鳂I(yè)，直至石塊拋填厚度達(dá)到1 m 要求。

3.5 平整

在精拋和補(bǔ)拋完成后，不可避免地會(huì)出現(xiàn)個(gè)別位置高度超過(guò)-17 m 高程的要求，需要對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行平整處理。平整處理有兩種情況，一種是當(dāng)平整范圍較?。ㄐ∮? m×2 m） 時(shí)，可使用壓塊利用其重量將突出點(diǎn)壓平；另一種是當(dāng)平整處理區(qū)域較大（大于2 m×2 m） 時(shí)，可使用壓輥由一側(cè)向另一側(cè)滾壓，將高的區(qū)域壓平。兩種平整工具如圖10 所示。

圖10 平整工具

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)管道上方高程有高精度要求的石塊回填保護(hù)施工在國(guó)內(nèi)尚屬首次，相較于傳統(tǒng)的石塊回填方式，本項(xiàng)目從方案設(shè)計(jì)、裝備選擇等方面均有突破。首次提出并使用粗拋、精拋、補(bǔ)拋、平整后處理等拋填方式；首次使用雙管導(dǎo)向籠提高拋填效率；首次使用三維實(shí)時(shí)聲吶系統(tǒng)全程監(jiān)控石塊回填，增加回填精度。本項(xiàng)目拋填技術(shù)的成功開(kāi)發(fā)與應(yīng)用彌補(bǔ)了海底管道石塊回填只能粗放型回填的不足，可為類(lèi)似管道回填施工提供借鑒與參考。