超高硬度鈣質(zhì)巖海底預(yù)挖溝施工技術(shù)

趙九龍，姜大正，陳世海

交通運輸部上海打撈局，上海 200090

為了保護(hù)海洋油氣管道的水下安全，避免船舶航行、漁業(yè)活動等對管道產(chǎn)生損害[1-2]，在近岸、淺水區(qū)域，管道往往需要通過挖溝埋設(shè)在海床下。

挖溝埋設(shè)方法[3-4]通常分為預(yù)挖溝與后挖溝兩類。預(yù)挖溝埋設(shè)即先挖溝，再鋪設(shè)，后填埋，此方法適用于水深較淺、地質(zhì)堅硬的海域條件。后挖溝埋設(shè)即先鋪管，再使用專門的水下挖溝機騎在管道上進(jìn)行挖溝，隨著挖溝機沿管道作業(yè)的推進(jìn)，管道逐一落入已掘進(jìn)的管溝之中，管道的填埋依靠自然回淤模式完成，此方法適用于水深較深、地質(zhì)相對松軟的海域條件。

針對近岸淺水預(yù)挖溝作業(yè)，姜進(jìn)方[3]提出了多種挖溝設(shè)備及工藝方法，結(jié)合錦州20-2氣田近岸段海底管道登陸預(yù)挖溝工程，詳細(xì)闡明了近岸段預(yù)挖溝工藝，并比較了噴射-絞吸式挖溝機、絞吸式挖溝機、犁式挖溝機針對不同土質(zhì)所呈現(xiàn)的挖溝效果。章慶生[5]等研制了一種淺水挖溝機，采用拖曳滑撬機體與液壓鉸刀結(jié)合的設(shè)計方案，較好解決了水深0.8～15 m海域所存在的大型鋪管船進(jìn)不去，而陸上施工設(shè)備又用不上的技術(shù)難題，該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、拖曳力小，在實際工程應(yīng)用中收到了良好的效果。張國光[6-7]、Cheuk[8]、Sherif[9]、陳建平[10]等對梨式、液壓鉸刀式挖溝機設(shè)備進(jìn)行了一系列的探究和創(chuàng)新。李文濤[11]、王智鵬[12]等對現(xiàn)代埋管挖溝機發(fā)展趨勢進(jìn)行了研究，總體上以噴射式、液壓機械式為主。

但是對于超高硬度鈣質(zhì)巖海底挖溝，卻鮮有相關(guān)的工藝及設(shè)備研究。本文結(jié)合工程實際探索了一種適于近岸超高硬度鈣質(zhì)巖海底預(yù)挖溝的工藝方法。

1 工程背景

沙特3648項目的施工區(qū)域位于沙特阿美Berri油田，Berri油田位于達(dá)曼港以北100 km的阿布阿里島和朱拜爾港之間的區(qū)域，該項目包括5條新管道的安裝鋪設(shè)，涉及TP-1、TP-2、TP-3、58/63、95/100、52/57等6組石油平臺的改造更新，該油田施工區(qū)域如圖1所示。

圖1 Berri油田施工區(qū)域

上海打撈局負(fù)責(zé)TP-1至GOSP-5輸油管道的安裝施工。管道直徑36 in（1 in=25.4 mm），混凝土保護(hù)層厚度2 in，安裝長度從海上里程2.597 km處至登陸點里程6.684 km處，跨距4.1 km，如圖2所示。水深情況如圖3所示，遠(yuǎn)岸端最深處水深7.6 m（LAT）。由于施工區(qū)域水深較淺，輸油管道必須掩埋在海床以下1 m，防止近岸船舶航行、拋錨對其產(chǎn)生損害。因此，在海底管道安裝前需要對其所途經(jīng)的路由進(jìn)行預(yù)挖溝作業(yè)，該區(qū)域海床地質(zhì)為30～50 MPa超高硬度的鈣質(zhì)巖，挖溝難度巨大。

圖2 登陸段管道路由

圖3 挖溝路由水深情況 （LAT）

2 施工范圍及要求

預(yù)挖溝作業(yè)從2019年2月份開始，至2020年3月份結(jié)束，前后歷時約一年。根據(jù)鉆孔調(diào)查報告，挖溝路由中，除了近岸段的300 m為泥沙土質(zhì)外，其余3.8 km為鈣質(zhì)巖海床地質(zhì)，鈣質(zhì)巖深度達(dá)到海床下4.8 m，地質(zhì)強度為30～50 MPa。根據(jù)設(shè)計要求[13-15]，溝截面應(yīng)為倒梯形，深度2 m、底邊寬3 m、溝邊角度約為45°，如圖4所示。根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)評規(guī)范要求，在挖溝過程中，路由兩側(cè)各50m界限處需配備可移動的檔泥簾結(jié)構(gòu)，控制挖溝作業(yè)引起的大面積泥水渾濁對水下生態(tài)系統(tǒng)造成的危害。

圖4 溝截面設(shè)計要求

3 鈣質(zhì)巖區(qū)域挖溝作業(yè)

鈣質(zhì)巖區(qū)域挖溝路由長度為3.8 km，高平潮最大水深接近10 m，淺水插樁式挖溝船（見圖5）是最優(yōu)選擇的作業(yè)平臺。

圖5 淺水插樁式挖溝船

淺水插樁式挖溝船基于小型無動力工程駁船改造而成，該項目主作業(yè)船Murjan 4512長45 m、寬12m、型深2.5m、最大吃水1.87m，載重噸位500t，無動力系統(tǒng)，適配1 000 bhp（1 bhp=0.746 kW） 以上拖輪航行施工。在淺水區(qū)域，通過甲板面的3個定位樁落底進(jìn)行穩(wěn)船作業(yè)，完美替代了拋定位錨作業(yè)的方式，使船舶布場、移船更加靈活迅捷，保證較高的施工效率，如圖6所示。在拖輪的輔助下，挖溝船在挖溝路由正上方或者一側(cè)進(jìn)行穩(wěn)船作業(yè)，圖7為常規(guī)的挖溝船作業(yè)照片。

圖6 挖溝船作業(yè)圖（黃色為雙層擋泥簾）

圖7 挖溝船工作照

Hitachi EX1200型挖掘機綁扎在挖溝船船尾木甲板上，適配9 m桁架、6 m抓臂、3.4～6.7 m3抓斗。由于海底泥石過于堅固，直接使用抓斗進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)僅僅可以去除海底路由表面的軟土浮泥，一旦接觸到鈣質(zhì)巖層，挖掘機的抓斗就像直接在鋼筋混凝土路面施工一樣，難有絲毫的進(jìn)度可言。因此，攻克難題的唯一方法是先打破鈣質(zhì)巖層，然后再使用挖掘機進(jìn)行挖溝作業(yè)。對液壓式滾輪碎石器（Hydraulic Rock Wheel）、固定式碎石鎬（Dump Ripper）、液壓式振動錘（Jack Hammer）、高頻振動液壓鎬（Xcentric Ripper） 4種破石設(shè)備先后進(jìn)行了試驗評估。

3.1 液壓式滾輪碎石器

挖掘機駕駛員通過操控挖掘機動力站對液壓式滾輪碎石器（見圖8） 進(jìn)行操控。如圖9所示，滾輪碎石器滾輪上固定著密集的錐形齒，具備較強的硬度，滾輪帶動錐形齒轉(zhuǎn)動，錐形齒與海床接觸、摩擦，將鈣質(zhì)巖層磨碎；但是在施工中并沒有收到很好的破石效果。經(jīng)過潛水探摸發(fā)現(xiàn)，僅僅是表面的鈣質(zhì)巖破損，沒有出現(xiàn)連帶的碎裂區(qū)域，破石效率相對低下。由于長時間的高強度作業(yè)，錐形齒根部斷裂現(xiàn)象頻出，說明滾輪碎石器不適用于此類鈣質(zhì)巖海床的破石作業(yè)。

圖8 滾輪碎石器

圖9 滾輪碎石器上的錐形齒

3.2 固定式碎石鎬

圖10為固定式碎石鎬，其頭部為彎錐形結(jié)構(gòu)形式，依靠挖掘機自身臂力及運動慣性插入海底巖層，從而引起片區(qū)的連帶破碎效應(yīng)。經(jīng)過現(xiàn)場試驗，海底巖層連帶片區(qū)破碎效應(yīng)明顯，但是由于挖掘機臂力有限，施工效率相對低下。再加上長時間的高強度撞擊，碎石鎬頭部經(jīng)常斷裂丟失，造成了一定的生產(chǎn)待機。

圖10 固定式碎石鎬

3.3 液壓式破碎錘

固定式碎石鎬的初步成效給我方技術(shù)人員帶來了啟發(fā)，如果碎石鎬的結(jié)構(gòu)強度再大一點，或者碎石鎬可以高頻振動，一定會有更好的工作效率。經(jīng)過市場調(diào)研，市面上常見的是市政工程中用于破碎路面的破碎錘，如圖11所示。

圖11 液壓式破碎錘

破碎錘在混凝土路面施工具有非常好的效果，但是經(jīng)過現(xiàn)場實踐，由于該項目施工區(qū)域的海底鈣質(zhì)巖層沉積時間久遠(yuǎn)，而且具有一定的黏性，常規(guī)的細(xì)長破碎錘不能在鈣質(zhì)巖層中產(chǎn)生連帶的片區(qū)破碎效應(yīng)。在3 m見方的區(qū)域內(nèi)使用破碎錘施工，形成的海床效果如圖12所示，其中黑色區(qū)域為每次觸底破石形成的細(xì)小坑穴。

圖12 碎石錘破石效果

3.4 高頻振動液壓鎬

高頻振動液壓鎬同時具備固定式碎石鎬的外形特征以及液壓式破碎錘的高頻振動特點。其型號與技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 高頻振動液壓鎬型號與參數(shù)

經(jīng)過比選，XR82型高頻振動液壓鎬被確定為主破石工具，圖13是高頻振動液壓鎬的施工照片。

圖13 高頻振動液壓鎬施工現(xiàn)場

高頻振動液壓鎬依靠挖掘機動力系統(tǒng)提供液壓動力，結(jié)合錐形結(jié)構(gòu)（見圖14），以700 min-1的振動頻率形成了圖15所示的海床連帶破碎效應(yīng)。其中黑色區(qū)域為每一次觸底鉆破所形成的坑穴，坑穴周圍的海床在巨大的局部擴張力作用下，形成了連帶裂紋。同樣是3 m的長度區(qū)域，與圖12形成鮮明的對比，證明了高頻振動液壓鎬具有更高的效率和更好的破石效果。

圖14 高頻振動液壓鎬結(jié)構(gòu)形式

圖15 高頻振動液壓鎬破石效果示意

3.5 破石、挖溝工藝形成

破石完成后，挖溝船將換下高頻振動液壓鎬，裝上抓斗繼續(xù)完成挖溝作業(yè)，如圖16所示。

圖16 破石完成后的挖溝作業(yè)

為了進(jìn)一步提高施工效率，2#淺水插樁式挖溝船Ijzeren Hein專門負(fù)責(zé)挖溝作業(yè)，與破石船Murjan 4512形成無縫對接，如圖17所示。

圖17 兩船同步作業(yè) （右為Murjan4512，左為IjzerenHein）

4 潮汐段挖溝作業(yè)工藝

潮汐段挖溝使用加高式挖掘機完成，所謂的加高式挖掘機（如圖18所示），即對傳統(tǒng)意義的陸用挖掘機進(jìn)行改造加高，在履帶和駕駛艙、動力系統(tǒng)中間加裝了2 m高的鋼制筒體，使挖掘機具備涉水功能，可以在2.5 m水深范圍內(nèi)安全穩(wěn)定地進(jìn)行施工作業(yè)。

圖18 加高式挖掘機

本次改造的基體是DOOSAN480LCA-HD陸用反鏟式挖掘機，自制2 m高鋼制筒體，在登陸點進(jìn)行了電氣、線路改造，并得到了第三方的檢驗認(rèn)證。加高式挖掘機在挖溝路由的東側(cè)進(jìn)行移動，利用2 m3的抓斗進(jìn)行挖溝作業(yè)，抓取的泥石有序地拋至其運動軌跡的東側(cè)，便于后續(xù)管溝回填，如圖19所示。該設(shè)備挖溝效率相對于船舶來講更加快捷，并且對于惡劣天氣的耐受力較強，同時成本相對較低。

圖19 加高式挖掘機施工現(xiàn)場

5 結(jié)束語

本文基于實際的工程項目，針對超高硬度鈣質(zhì)巖海床進(jìn)行了一系列的挖溝工藝改進(jìn)和嘗試，形成了以下幾點成果。

（1）應(yīng)用了先破石再挖溝的施工思路，形成了一種適用于近岸超高硬度鈣質(zhì)巖海床挖溝作業(yè)的施工工藝。

（2）實踐評估了4種破石設(shè)備的優(yōu)劣性，驗證出高頻振動液壓鎬是最適于超高硬度鈣質(zhì)巖海床挖溝的設(shè)備工具，并給出了高頻振動液壓鎬具有連帶破碎效應(yīng)的海床破石效果圖。

（3）在潮汐段路由引入了加高式水陸兩棲挖掘機實施挖溝作業(yè)。