疏浚行业向海洋工程延伸研究

诸葛玮，张原，陈新权，何炎平，丁金鸿，谭家华

（1.中港疏浚有限公司，上海 200120；2.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，海洋工程国家重点实验室，上海 200240）

0 引言

疏浚行业在过去的十年间发生了重大的变化，港口和码头的修建与维护、排水系统和渠道的清淤、湖泊及航道的疏浚等传统的疏浚作业仍是疏浚行业的重要组成部分，但是随着经济、技术形势的不断发展，疏浚技术也不断有了新的应用，如吹填造地、海工基建、环保工程、矿产开采等，传统的疏浚业务已有被其他业务赶超的趋势。

目前，各大疏浚公司努力扩张延伸领域，培育新的经济增长点。随着海洋工程施工领域的发展需求增大，以及疏浚施工设备和工艺在该领域的成功应用，海工服务已引起各大疏浚公司的广泛重视，并逐渐成为主营业务之一[1]。

1 四大疏浚公司概况

Jan De Nul、Van Oord、Boskalis和 Deme是疏浚领域中具有重大影响力的大型疏浚公司，它们占据了全球业内自由市场60%的份额。四大疏浚公司是拓展业务领域的先锋，除疏浚主业外，承揽并实施了许多大型海洋工程及疏浚相关领域工程，是各大海洋工程业务的主要承包商。四大疏浚公司在离岸工程项目上各有侧重点，对此块业务都极其重视并努力拓展细分市场，其营业额占总营业额的比例基本都在10%以上。

Jan De Nul公司曾把离岸工程包括在疏浚及海事工程中，随着海工服务市场的扩大，此项业务在营业额中所占的比例大大增加，现在离岸工程业务已被独立出来，自成一块。该公司为海洋工程提供的服务有基槽开挖与回填、海底管道接岸段疏浚、围堰安装与铺管业务、海底抛石工程、海工结构物固体压载填充及冲刷保护、水下生产系统的基坑开挖、钻井施工岛的建造等。Jan De Nul公司2010年离岸工程为总营业额的8%，而在2007年至2009年，离岸工程的份额分别为9%，20%，18%。该公司2008年及2009年的离岸工程的快速增长得益于迪拜的工程，经济危机的影响使得中东市场一度萎缩，使其离岸工程的份额减少，但基本保持在占总营业额10%左右的水平。

Boskalis公司的主要业务一直集中在港口、油气及吹填造地和堤岸保护等工程项目，该公司的离岸工程以油气领域为重心，能够在1000 m水深处进行作业，服务内容包括管线铺设、平台和井口施工、接岸段与岸上处理、设施退役以及电缆铺设等。2010年该公司油气相关（包括陆上部分）的收益占总营业额的33%。

Van Oord为许多著名的油气经营商、国家石油公司、离岸安装船业主、咨询公司以及其它私人客户提供安全可靠的解决方案，包括单点锚泊安装、海底抛石、海底铺设作业、接岸段建设以及重力式基础结构物安装等。从2009年开始，得益于获得的海上风电项目，该公司在离岸工程上有了飞速发展。2008年至2010年该公司在海上风电项目的营业额分别为12、148和141百万欧元，占总营业额的0.63%、10.39%和8.94%；包括海上风电项目的离岸工程的营业额则分别为241、450和476百万欧元，占总营业额的12.71%、31.60%和30.16%。

Deme公司的离岸业务包括离岸管线挖沟与回填（包括接岸段建设）、深至2000 m的精确抛石服务、为管线穿越而进行定向钻孔、水下岩石钻探与爆破、海洋环境土壤调查、海上起重与救助、海上风电场建设与维护等。该公司有专门的铺管及接岸段疏浚维护业务，其营业额稳定在总营业额的10%左右，在2009年为11%，在2010年为10%。

2 疏浚行业向海洋工程市场延伸的典型工程

离岸工程或海洋工程的范围很广，包括海洋油气开采、桥梁建设、隧道建设、海洋矿产开发、海洋能源利用、海洋空间利用、海洋生物养殖与捕捞等。疏浚行业向海洋工程的拓展业务主要有海洋油气开采相关项目（包括管道铺设及其相关业务、基坑开挖、抛石维护等），以及隧道建设、深海采矿等业务。

2.1 海底管道铺设

海洋油气管道铺设包括基槽预挖、铺管、回填整平、抛石保护、接岸段疏浚及相关土建工程等子业务，与以前多个公司分担子工程不同，现今的招标方通常把整个工程打包，由得标方进行方案设计、施工设计、项目协调等工作。具有多功能作业能力的大型疏浚公司在此类项目上可以统一动员，灵活协调，提高施工效率，具有相当的优势。

国外大型疏浚公司十分关注此类业务，并都进行了大量投入，开发各种专业技术和设备。早在上世纪90年代，Jan De Nul公司就承接了NorFra管道铺设项目。该项目需要在挪威大陆架的Draupner E平台及法国北部海岸的敦刻尔克之间铺设高压天然气管道，管径1066.8 mm（42 in），长度达到 835 km[2]。

NorFra项目的经营方STATOIL将整个工程分为四个疏浚包，Jan De Nul公司获得了其中一个联合合同的80000000美元的份额，包括以下任务：

1）荷兰、比利时及法国大陆架上长约230 km的海底沙滩的预扫，以满足管道铺设时的应力、应变和底部间隙在许可范围内。预扫工程主要是靠大型耙吸挖泥船“Gerardus Mercator”号完成。

2）比利时大陆架上Westhinder航道跨越段处硬黏土的预挖沟，保证管道上至少有1 m的砂砾层以保护管道。由当时的超大型耙吸挖泥船“Gerardus Mercator”号配备一超重超宽耙头完成基槽开挖，再由“Cristoforo Colombo”号完成砂砾层回填。

3）挖掘、回填作业以及接岸段、海岸断面保护等相关的土建作业。

2.2 基坑开挖

在海冰条件下，海底的井口设备和管汇的保护是将其安置在低于海底地面的基坑内，在基坑的底部和边坡之间还需挖一通道以放置输油管和缆线等设备。

基坑的开挖可用多种疏浚设备完成。在加拿大的White Rose井口保护工程中，Tideway和Boskalis采用了抓斗开挖方法，用布置在抛石船“Seahorse”号上的水下抓斗和拖曳系统进行开挖。Jan De Nul公司则派遣大型耙吸挖泥船“Vasco de Gama”号进行作业，该船的深水疏浚耙管配有6500 kW水下泵，挖深135 m，实际上在工程的后期挖深达到了165 m并完成了作业施工[3]。

2.2.1 抓斗开挖方法

抓斗开挖包括利用抓斗开挖基坑及开挖作业地与抛泥地之间的运输通道。所用抓斗实际上是一遥控潜水器（ROV）与抓斗的组合体。ROV配有4个推进器，用以抓斗在开挖点上方的定位和导向，可保证基坑的平整度。该作业所用抓斗为配合工程特别制造，考虑了重量和形状对抓斗填充率的影响，并配备了特制刀刃以提高初始挖深和作业效率。

有一套专门的软件被开发用于抓斗操作，程序考虑了运动补偿、绞车载荷或速度设置、钢缆悬链形状等因素，自动计算钢缆载荷、绞车速度和载荷并检查其是否超过了许可范围，一旦超过许可值，程序将会报警并自动修正，需要时可以改为手动控制。整个作业过程中，监测设备实时更新抓斗的位置，其所获得的数据同时也作为运动控制系统的输入，用于指导施工作业。

Jan De Nul集团下的子公司Vasco S.A.完成了White Rose工程的另一个基坑开挖。Jan De Nul派遣了当时世界最大的耙吸挖泥船“Vasco da Gama”号进行作业，该船长200 m，宽36 m，可以在波高2.5 m、周期8 s的海况中作业。该船挖深达到135 m，在工程后期，实际挖深达到165 m。

“Vasco da Gama”号耙吸挖泥船配备了带有水下泵的深水吸泥管，带着8 m宽，50 t重的耙头以减少作业次数并保证基坑底部精度25 cm的平整度。

整个作业进程由船上的疏浚控制系统监控，并利用装在耙吸船月池的多波束测深系统实现海底情况的实时监测，并与疏浚控制电脑连接以持续更新作业进度。

2.3 固体压载填充及抛石保护

此项业务主要用于海工结构物的基础加固及冲刷保护，所对应的海工结构物有大型离岸油气终端、导管架平台、海上风机、锚基础等，某些海管铺设工程的末期也会在管道上方铺置坚固石层以起到防护作用。

固体压载填充及抛石保护作业曾在新能源的海上风机工程中应用过。距离比利时海岸30 km的Thornton滩海上风电机场，一期工程采用一种新型的重力式基础，每个基础包含1085 m3的水泥和215 t加强钢筋，重量在2800 t至3000 t之间[4]。

Deme集团参与了整个安装工程，包括基础的安装和电缆的铺设连接。基槽的开挖和基座安装分别由耙吸挖泥船完成和动力定位溜管抛石船完成。基槽的回填、固体压载填充和防冲刷保护都是由专用驳船“Thornton 1”完成。该船配备一12 m宽的分散式喷管用于基槽回填作业，喷头高度固定在回填层以上1～2 m处，并根据潮流变化自动修正。对于固体压载填充，在驳船上安装了比基础顶部略高几米的专用填充塔进行作业。

可能是因为性情相近，周有光和张允和做了很多年的好朋友。有一天，在上海教书的他给还在杭州读书的她写了一封信，虽然信中的内容很普通，没有一句有关情爱的话。但张允和收到信后，还是很紧张，和比她年龄大的同学商量后，才敢回信。暑假两人再见面时，已经没有以前相处时的自然，很多年以后，张允和回忆起和周有光挑明心迹的那一幕，依然清晰得宛如昨日。

2.4 海底隧道建设

与海底管道铺设、基坑开挖不同，海底隧道工程虽然可以采用相同的作业方式来完成，但其所需开挖的基槽具有更长、更宽、更深、精度要求更高的特点，作业要求也更高。

我国的港珠澳大桥工程中包含5664 m的海底隧道，其建设难度即使在世界上也是首屈一指的，经过综合比选，最终决定采用沉管隧道的方式。当地水深约10 m，中间段隧道基底高程为-43 m，开挖水深超过40 m。沉管外轮廓宽37.95 m、高11.4 m，单节管段长度达到180 m。

施工区域天气气候复杂多变，环境条件复杂，同时还要考虑航道通航、生态保护等，作业条件恶劣。

工程先用耙吸挖泥船配合抓斗挖泥船开挖基槽和清淤，再铺设基础，并铺放沉管隧道管段，最后进行回填。由于基槽面与沉管地面之间的不规则空隙将引起的地基和沉管受力不均，导致沉管受到较大的局部应力而开裂，因此对基槽和基床的平整度要求很高。考虑当地的作业环境条件，最终采用自升式平台形式完成深水碎石的铺设。

3 国内海洋油气开发对疏浚行业的需求

早在1994年，国内的珠江口管道铺设工程就有疏浚公司参与，Jan De Nul公司完成了该海底管道工程的基槽开挖和抛石保护作业，施工船舶是当时世界第一大和第三大的挖泥船“J.F.J.De Nul”和“Vasco da Gama”[5]。

在1999年和2005年，Jan De Nul公司还获得了台湾36”海底管道项目的预挖、预扫和回填工程[6]，以及连接深圳的LNG终端到香港南丫分支之间管道的接岸段疏浚和抛石保护工程。

国内疏浚公司亦曾进行过海底油气管道保护施工。在2000年，当时的上海航道局东方疏浚工程公司参与了东海平湖油气田海底管线保护工程[7]。

我国海洋油气资源潜力巨大，海洋油气产量以渤海和南海为主，与成熟的渤海油田相比，南海油田的开发将更具潜力。目前，中海油在南海的石油开发仍然围绕珠江口盆地、琼东南、莺歌海等水深300 m左右的近海地区展开，从国家主权和能源安全考虑，加强深水海域的油气资源勘探开发将是必然趋势。

国内学者和工程人员对南海深水油田开发模式进行了系列研究，并结合我国海洋油气工程的实际情况，提出过“浮式钻采平台-FPSO-水下井口-水下生产系统”的南海深海油田开发工程模式[8]。

水下生产系统包括有大量的管系。南海环境条件恶劣，海底流速大，靠近陆地区域航道多，随着对环境安全的重视加强，海底管道的保护将进一步完善，对基槽开挖、回填保护等工程的需求将增大。

4 国内疏浚行业向海洋工程延伸建议

纵观前述各工程实例，仍在挖掘和回填作业范围内，都是疏浚行业的经验积累及延伸在海洋工程中的应用。只是海洋工程施工条件更为恶劣，完工质量和精度要求更高，需要根据不同情况设计施工工艺，系统地安排工序和进度，快速反应各种现场问题，对施工单位具有一定要求。国外疏浚公司积极向海洋工程延伸，并已形成了相当的规模，其积累的经验和做法值得国内疏浚行业借鉴和学习。

1）重视先进大型工程船舶的研制开发。与常规的航道疏浚相比，海洋工程中的疏浚施工具有其特点，水深范围广，通常要求能够胜任水深超过100 m的施工作业，环境条件复杂，施工精度要求高。这对施工船舶提出了更高的要求。为了达到更大水深，并在恶劣的环境条件下减小风浪甚至海冰对船舶运动的影响，国外疏浚公司都加大投入改造或新制大型船舶。目前四大疏浚公司均配有常规作业水深能够达到60 m以上、舱容超过30000 m3的耙吸挖泥船，以及大型自航绞吸挖泥船。为了应对快速增长的海工市场，胜任深水海底管线保护作业，四大疏浚公司都开始建造深水溜管抛石船。新造抛石船配备动力定位和水下机器人（ROV），载重量在20000 t以上，抛石水深达到2000 m。此类船舶技术含量高，造价不菲，Deme公司的“Flintstone”号的总造价达到1.5亿美元。

2）配有功能完善的船队，具备多工种作业能力。每个海工项目中可能包含多种作业，以海洋管道铺设为例，其所涉及的作业不仅仅包括基槽开挖和回填保护，还可能需要接岸段施工、浅水区作业船舶进入所需的河道挖掘、围堰安装、堤岸保护、岸上作业场地的土建施工等。在前述的大部分工程中，耙吸挖泥船是主要的施工船舶，但是针对不同的作业情况，需要采用不同的船舶和设备，如近岸岩石地质和浅水区的河道挖掘以及基槽开挖需要绞吸挖泥船或抓斗船来进行、围堰的安装需要自升式平台来完成、抛石保护作业需要侧向抛石船或溜管船等，同时需要其他各种船舶如起重船、泥驳、辅助船配合施工。通过各种作业船舶灵活机动的配合，提高作业效率，减少工期，保质保量地完成施工任务。

3）专用设备研制与开发、施工工艺研究。海工作业的地域范围广，需应对的土质更为复杂，而且作业精度要求更高，需要针对不同作业条件和作业要求，采用不同的专用设备完成施工。

对于各种新型的施工作业，也需要科研人员对施工工艺进行仿真模拟，以掌握施工的具体实施和对专用设备的能力要求。通过施工工艺的研究分析，为施工设备的研制提供依据，将施工中可能遇到的问题提前解决，在保证施工进度的同时提高作业精度。

4）项目统筹规划以及快速反应能力。在施工作业前，必须详细了解当地的地质情况或安排实地地质勘探，选用合适的作业设备，避免因能力不足的设备进场导致的误工和经济损失。

在恶劣海况下，海工作业受环境影响较大，在规划施工时，需考虑施工当地的气候环境，考虑因此产生的待工时间。当地的生态环境也需在施工之前加以调查，以掌握因休渔或海洋生物保护等产生的可能待工情况。

海工作业往往不是单项作业，而是多工种多设备之间的配合作业。施工顺序和工期的安排都需要在工程开始统筹安排，在对工程内容和施工进度全面了解的基础上进行协调配合和调度，以避免施工船舶的过早进场造成不必要的待工或过晚进场延误进度。而在施工过程中碰到预期外的问题时，能够及时反馈并快速解决。只有对施工工艺、施工设备能力全面掌握，并结合长期施工经验积累，才能快速临场反应，因此要加强对施工设备和工艺的研究，还要及时汇总工程数据，总结经验。

5）当地法规要求及环境保护意识。除了施工区域的自然环境条件，还需要了解施工区域所属国的法规要求，特别是环境和生态保护内容，所挖土料和工艺用水的排放要符合当地和国际法规规定，避免污染海洋环境，干扰当地海洋生态，造成不良影响。

6）船上人员的技术和安全教育。海工施工精度要求高，施工设备自动化程度高、更新快，对操作人员的要求相对也高。因此需加强施工人员的技术培训，提高技术业务水平，能够及时总结施工经验并反馈，为施工设备功能和施工工艺的完善提供参考和建议。海工施工区域普遍离岸较远，施工环境较为严峻，施工设备繁多，需加强船员的安全意识，提高施工人员的应急能力。

5 结语

海洋工程回报高，对施工要求也高，国际市场相关工程大多由国际四大疏浚公司获得，国内此类工程份额则相对较小。国内疏浚公司欲向海洋工程行业延伸，应立足自身特点，增强主力船型能力，以满足海工作业的要求，从特种功能船及多功能辅助船等较小船型起步，以完善和提高现有施工能力为目的来完善船队，逐步提高海工作业能力及影响力，扩大业务。

在提高硬件实力的同时也要注重提高软件条件，应在施工设备研制、施工关键技术研究、项目管理技术等方面加大投入，注重人员技术水平的提高，为可能遇到的工程问题做好技术储备。

[1]李幼萌.国外疏浚承包商的市场策略分析 [J].中国港湾建设，2005（12）：53-54.

[2]NOËL PILLE，NorFra Pipeline Installation Project：Pretrenching，Seabed Levelling，and Landfall Dredging and Civil Works[J].Terra et Aqua，1999，74：3-9.

[3]BERT VAN ES，N”OEL PILLE，ROBERT DE VLAMING，Jan de Vries.Construction of Wellhead Protection Glory Holes for White Rose Project[J].Terra et Aqua，2004，95：22-32.

[4]KENNETH PEIER，HENDRIK NONNEMAN，ERIC BOSSCHEM.Gravity Base Foundations for the Thornton Bank Offshore Wind Farm[J].Terra et Aqua，2009，115：19-29.

[5]NOËL PILLE.“Dilution”，A New Technology Used at the Pearl River Estuary Pipeline Installation Project[J].Terra et Aqua，1996，65：3-9.

[6]EDWARD VAN MELKEBEEK.Pre-Trenching，Pre-Sweeping and Backfilling for the 36”Offshore Pipeline Project in Taiwan[J].Terra et Aqua，2002，87：19-25.

[7]沈达怡.东海平湖油气田海底管线保护施工[J].水运工程，2000（12）：73-77.

[8]张凤久.我国南海天然气开发前景展望 [J].天然气工业，2009，29（1）：17-20.