挖沟机相关技术进展

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(上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200030)

挖沟机是进行海底埋设的关键设备，目前世界上有多家公司从事挖沟机设备的设计制造或海底电缆和油气管线的埋设，比较有代表性的如美国的Perry Slingsby Systems Ltd. (PSSL)、Tyco-Submarine Systems Ltd.(TSSL)、General Dynamics-Advanced Technology Systems(GD-ATS)及法国的ALCATEL等，其中PSSL是行业公认的挖沟技术的领导者。

1 挖沟机设计概述

挖沟机系统的设计流程一般包括:①调查；②确定埋设深度；③选择最合适的挖沟技术；④设计挖沟机；⑤评估挖沟机的前进速度(埋设速度)。

其中，②和③往往根据土壤条件同时确定。为了给海底电缆和油气管线提供足够的保护，不同的海底土壤条件要求不同的埋设深度，更大的埋深能提供更好的保护。土壤条件是最重要的设计依据，决定了埋设深度、挖沟技术以及相应的埋设速度。挖沟机设计者应当详细了解埋设海域的海底土壤条件的以下相关信息[1]。

1) 埋设线路的海底以下3 m(甚至5 m)内的不同土层的土壤条件和厚度。

2) 不同土层交界面位置，误差不大于30 cm。

3) 土壤的基本物理和机械性能，即结晶粒度、塑性值、含水量、切变强度等。

例如，犁式挖沟机适用于砂土地质，而使用链式或轮式切割器的机械挖沟机是通常用于硬质粘土和软岩条件下的作业。埋设速度在很大程度上决定了施工时间并进而决定项目成本。埋设速度根据以往经验和精确的土壤条件信息估算。

2 土壤条件确定埋深

埋深是海底电缆和油气管线埋设工程中最重要的参数。电缆埋深主要决定于作业区域的海底土壤条件和可能出现的破坏活动的严重程度。在相同埋深的前提下，硬质海底能比软质海底提供更好的保护。典型的埋深为0.5～2.0 m，而当今多数商业挖沟机的埋缆深度都是标准的1.0 m。 除北极环境下的某些特殊工程外，埋缆深度一般不超过3 m[2]。虽然直到今天也没有一个行业规范来界定不同埋深对电缆的保护程度,但是Global Marine System.Ltd公司还是在1997年最先提出了一个定义不同的保护水平的参数，并得到了业内其他公司的广泛认同并沿用至今。该参数名为埋深保护指数(burial protection inedx, BPI)，定义了各种海底土壤条件下提供某个级别的保护水平所需要的埋深。BPI值越大，表示对电缆的保护水平越高，该参数的图解见图1[3]。

图1 埋深保护指数图

这个概念表明，在非常软的粘土中2.5 m的埋深提供的保护水平大致与在硬质粘土或沙地中1.0 m的埋深提供的保护水平相当。

不同的BPI值代表不同的埋深及保护水平。

1)BPI=1，埋深仅能提供不受正常渔具破环的保护水平。适于水深大于100 m、船舶无法锚泊或禁止船舶锚泊的区域。

2)BPI=2，埋深能提供不受锚重最大为2 t的船舶破环的水平。足以抵御正常捕鱼活动的干扰，但是无法抵御更大船舶的锚重。

3)BPI=3，埋深足以提供抵御任何船型(最大型除外)的锚重的保护水平。适于停泊地点和重载海运航道。

3 挖沟方式及其性能

现今用于电缆和油气管线埋设的几种基本类型的挖沟机[4]：①犁式挖沟机;②喷冲式挖沟机;③喷冲式ROV;④机械式挖沟机;⑤深水挖沟机。

自开始铺设横贯大西洋的海底电缆以来的几十年内，使用犁式挖沟机埋缆一直都是标准的、也是最常用的海底埋缆方式。这种方式通过母船提供的巨大拖曳力来克服海底挖沟阻力。在具备某些海底土壤条件的近海浅水区，这种强力埋缆的方式今天仍在使用。经过多年的发展，这种埋缆方式已经能在更深水域和更高的土体强度下作业。虽然这种方式非常有效、可靠，但是需要很大的母船提供足够的拖曳力，而母船的大小对工程项目总成本的影响非常大，因此这种方式相当昂贵。尽管在很多情况下必须使用大型船舶装载相当沉重的越洋电缆，但是越来越多的短距离细缆的埋设工程借助费用低廉的小型船就可以完成。

另一种更适合小型平台的作业设备是自带推力的自航式挖沟机，使用1～2个挖沟工具如喷射器、滚轮切割器和链式切割器等进行作业。这种挖沟机的推力有限(一般为22 700 kN)，其速度和作业成本完全依赖于切割刀具的效率。

显然，业界需要一种全能、高效、经济的电缆埋设系统，要求能够在较小的母船上布放，可以使用标准的布放和回收系统，同时具有在各种土壤条件的海底埋深达到1.5 m的能力。喷冲式挖沟机具备这种能力，完成足够的埋深，同时具有显著提高的埋设速度，且只需要比犁式挖沟机低得多的拖曳力。通过滑靴上的喷嘴将高压水射向海底土层，减弱由土质条件的局部改变和非粘结性沙地中的孔隙水压力效应产生的土壤强度。由于在具备较好的经济性的同时，能提供足够的埋深保护水平和大为改善的挖沟性能，目前与其相关的多项重要技术也经过了多家公司的试验测试和现场作业验证，该类型的挖沟机已经在全球挖沟机行业内取得了广泛的应用。

虽然目前还没有针对海底电缆和管线埋设系统的专门的行业标准，但是现场作业的实际结果已经为挖沟机类型的选择提供了基本的指导。各类挖沟机的性能范围值[5]见表1。

表1 各类挖沟机的性能

4 关键技术及最新进展

4.1 放缆技术

在海底埋设电缆时，由于预埋位置都是提前规划好的，因而施工的关键是如何从母船上将电缆布放到准确位置。放缆机是用于控制放缆速度的设备，通常装有一组成对的橡胶轮，可以抓住电缆并按照一定的速率送缆，具有与传送带类似的功能。送缆机在浅水区用于放缆，而在深水区则需要收揽。图2为英国SEtech公司设计的7轮对送缆机，该送缆机在用于深水埋缆时可以8 kn的速度放缆。这样当缆触到海底时可能已经落在母船后面几公里处，足够的富余量保证电缆不会被海流冲得太远而偏离预定的位置。此外，已经有一些海缆埋设和调查公司编写的专门程序用于提高送缆精度，同时通过调整母船位置进行补偿。

图2 SEtech公司的7轮对送缆

4.2 喷嘴

喷嘴的设计是挖沟机设计的关键技术之一。喷嘴一般安装于挖沟机的滑靴上，内部与高压水泵相连通，利用小口径的喷嘴喷出的高压水将海底的粘土或沙地打散并冲走，从而形成一条沟，使电缆或输油管依靠重力落入沟中。

1997年，TSSL公司在为其新型挖沟机海犁8(Sea Plow VIII)开发的新式滑靴中使用了名为扫掠流式喷嘴(swept flow jetter，SWJ)的专利技术。该技术的发展动力来自于经济性：只需要更小的拖曳力，同时能提供更大的埋设速度和对电缆的最大保护。

扫掠流式喷嘴的外形和技术原理见图3、4[6]。作业时两排并列分布的喷嘴与垂直方向成5～10°夹角，略向后方倾斜。这种技术使得滑靴即使在最恶劣的土壤条件下也能保持高速度和低挖掘力，通过使用同时将土壤打散和移除的技术，其挖沟效率超过了现有的喷冲工具。当滑靴前进时，安装在滑靴上的两排喷嘴喷出高压水使沟墙泥土变得松散并被冲刷下来，由于喷嘴斜向下，冲刷出的泥土形成泥浆流从滑靴尾部流走。使用该技术的喷冲工具和大体积水泵的尺寸必须根据需要的沟形和埋设速度来确定，喷冲工具的形状也必须满足高速前进所需要的挖沟性能要求。

图3 扫掠流式喷嘴(SWJ)外形

图4 SWJ技术原理

4.3 “舵型”操纵

“舵型”操纵的技术是指依靠装在滑靴上的前向舵来改变挖沟机的前进方向，从而使挖沟机沿预定轨线作业。这种技术能提高挖沟机的转向性能，缩短操纵指令的响应时间。Perry Tritech Inc.(PTI)公司与TSSL和GD-ATS公司合作进行的陆上及海上实验证实：使用“舵型”操纵技术，挖沟机能迅速响应舵角的改变发生横移。

4.4 回填技术

为了避免由捕鱼或抛锚引起的机械损害及管道的隆起弯曲变形，挖沟过后的泥土必须回填。一般情况下，仅仅挖沟就可以保证管道的水动力稳定性，泥土覆盖常常依靠自然回填完成。例如，喷冲式挖沟机在土质疏松的土壤中作业的时候，被挖的泥土悬浮在挖沟机顶部，并没有被移位，因而过后会自然地沉积在管道两侧。而当使用纯犁式挖沟机时，往往使用两对滑靴来保证回填。第一对用于挖沟，并使挖出的泥土落在沟的两侧；第二对则用于回填，将两侧的泥土铲回沟中，覆盖在管道顶部[7]。两对滑靴之间的距离必须足够长，以保证从海床顶部到沟底部的管线段能够呈S形弯曲。

4.5 深水作业技术

深水挖沟作业常常在粘土地质中进行，而浅水区作业常常在硬质粘土或软岩石构成的海底进行，这就使得浅水区的挖沟机无法适用于深水作业。此外，母船拖曳的方式在深水作业时效率较低，且难以保证埋设精度。因此，深水挖沟技术日益成为挖沟机设计的关键技术之一，要求挖沟机功率更大、体积更大，同时具备自驱动功能。

PSSL研发的T—800型喷冲式ROV集中代表了深水挖沟机的各类先进技术，是当今深水挖沟机的典型代表。T—800的主要技术包括：强大的功率、高压水喷嘴和两种工作模式的设计，保证了深水环境下持久可靠的工作能力。T—800埋缆/管挖沟机源自于PSSL极为成功的“Triton”®系列ROV，代表了一种体积和功率都大得多的ROV设备，控制和操作性能更佳，其总布置图见图5。挖沟机配备的596.6 kW功率用于驱动2个180 kW的水泵，同时给8个推进器提供液压动力。强大的功率和高/低压给水系统的优良设计保证了喷嘴的射流压力。T—800配备了一套挖沟工具收放系统，由一套运动基座集成系统组成，该系统包括两个平行喷冲臂，各由一个液缸控制其旋转和回缩；两臂间的距离可由另外一个液缸控制，以满足不同埋设宽度的要求。该运动基座集成系统上安装了大量传感器，可以测量埋深、靴角和工作载荷。

图5 T-800总布置图

T—800设计用于两种工作模式——“自由飞行”和“爬行”模式。

在“自由飞行”模式，该挖沟机的整体浮力状态被调整为接近中性浮力，由8个推进器提供推力。由于很多深水海底的地质都是由软土构成，太重的挖沟机很可能陷入其中无法前进或者移动艰难。“自由飞行”模式下的配置使得挖沟机可以贴着海底地面“飞行”，与地面之间基本无相互作用力，同时电缆或油气管线的埋设对海底的干扰也达到最小。在埋管时，导向辊用于精确引导挖沟机沿管线的运动。

在“爬行”模式下，T—800安装了一对液压驱动的履带，类似于雪地履带式车辆。此时调节挖沟机为负浮力状态，这样履带可以获得牵引力，从而沿海底前行。“爬行”模式常用于土壤为硬粘土或固结土的海底。T—800的工作深度为2 500 m,自由飞行模式下的埋设速度为前向3.0 kn；侧向2.2 kn；垂向2.2 kn；埋设速度为1～40 m/s。

4.6 最新技术

随着挖沟机的设计越来越强调多用途和高效率，近年来设计的挖沟机上逐渐出现了相关的最新技术。CTC Marine公司的“UT—1”具有2.1 MW的功率，号称世界上功率最强的喷冲式ROV，其外形见图6。集成了各类传感器和先进技术，功能强大，是近年来设计的挖沟机中的佼佼者，其设计中的可调宽度和清淤功能是值得关注的两大最新技术。

图6 UT—1外形

UT—1具备前后两对腿形管道，分别用于喷冲和清淤。常规埋管挖沟机的一对滑靴的间距固定，只能埋设固定直径的管道，而UT—1的一对腿形喷冲滑靴的间距可以远程控制，间距在250 ～1 200 mm之间变化，从而满足不同直径的管道埋设要求。更引人注目的是，UT—1前所未有地设计了清淤系统，该系统由装在尾部的一对腿形吸泥管和4个375 kW的高压水泵组成，二者配合将被前部喷冲滑靴打撒的泥沙从沟中吸出，使得沟深更大且沟型保持更长久，大大提高了挖沟效率，其最大挖沟深度达到2.5 m。工作中的UT—1见图7。

图7 工作中的

5 结束语

随着海底埋设工程的蓬勃发展，挖沟机的技术水平也在迅速提高，一系列新的技术陆续被开发出来。未来几十年内海洋工程将拥有更广阔的发展前景，而挖沟机也将在其中扮演越来越重要的角色。不难看出，今后的挖沟机技术升级的重点应该放在新式喷嘴和喷冲甩泥系统的开发上，同时继续增大功率，以提高挖泥效率，增强沟型保持的效果。

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[2] PUECH A,COUR F,MEUNIER J, et al.SHRIMP: An Investigation Tool for Pipeline and Cable Burial [C]//in OCEANS '94 Proceedings. Brest, France. 1994:II/677 ～II/682.

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[4] ALLAN P G. Hydrographic information and the submarine cable Industry[R]. in Hydro 2001. Norwich, 2001.

[5] HETTINGER F,Machin J.Cable and pipeline burial at 3,000 Meters [C]//in OCEANS 2005. Proceedings of MTS/IEEE. Washington D C.2005:755-760.

[6] MESSINA F D. Advances in undersea cable burial technology for the twenty-first century[C]//Under-water Intervention 2000 Conference Proceedings.Washington D.C. 2000:223-235.

[7] BRAESTRUP M W,ANDERSEN J B.Design and installlation of marine pipelines[M].Oxford,UK. Blackwell Science Ltd. 2005:246-250.