浅谈犁式挖沟机海底挖沟技术

李钦朋 李彦曦 杨 昊 姜宇超 刘 野

（1．海洋石油工程股份有限公司，天津 300000；2．深圳海油工程水下技术有限公司，广东 深圳 518000）

0 前言

海底管线是海洋油气输送的生命线，如果海底管线直接铺设在海床上，容易受到恶劣海洋环境和各种人为因素的影响，导致海管存在各种损伤。海床起伏过大会造成海管悬空及弯曲，恶劣海洋环境及海流冲刷会导致海管的振动疲劳损失，海底管道交叉及跨越会降低海管的稳定性，船舶抛锚拖网会造成海管破裂。海底管线被破坏会给油田带来经济损失，流入海洋的油气会严重污染海洋环境，必须对海底管线进行保护。

常用的海管保护措施有水泥沙包填充、挖沟法、抛石、压块覆盖以及安装导流板法等。挖沟法是指在海底挖沟填埋管线，是进行海管保护的一种安全有效的方法。海管位于沟槽中，避免了因水质点动力作用产生的不稳定现象，同时沟槽的存在可以防止管道在铺设过程中受到机械损伤。

1 海底挖沟装备

海底挖沟机是在海底进行挖沟埋管作业的主要机械设备，它随着海洋工程的发展而发展改进，在海洋工程中占据了重要的位置。挖沟机按破土形式可以分为喷射式挖沟机、铰吸式挖沟机、犁式挖沟机和机械式挖沟机等，按行进方式分为牵引式挖沟机和自行进式挖沟机。目前，国内挖沟机以浅水喷射式为主，适用于50 m～60 m的浅海海域，土壤剪切强度50 kPa的海底挖沟作业。国外从20世纪40年代末开始研究挖沟装备，主要挖沟装备生产厂家有SMD、IHC以及Perry等，著名挖沟作业公司如Deep Ocean、Global Marine、Canyon等目前已形成较为成熟的挖沟机体系，涵盖喷射式、机械切割式、ROV式以及犁式等（见表1），作业水深可达3 000 m。

表1 国际主要挖沟作业公司挖沟设备

1.1 喷射式挖沟机

水力喷射式挖沟机是依靠切割臂上的喷嘴产生冲击力冲蚀切割海底土层，形成一定深度沟壑的挖沟机，如图1所示。喷射式挖沟机的轴流泵抽吸海水，并通过喷射管形成高压水射流，冲击破碎土壤，在海底形成一定沟型和沟深的沟槽。喷射式挖沟机操作简单，资源易于获取，适用于浅海黏土及砂土属性的海床，土壤剪切力一般小于60 kPa，适用于处理管道悬跨的海床修正作业，是目前应用较为广泛的挖沟装备。但是该类挖沟机挖沟速度较慢，在处理高剪切强度土壤时作业效率较低。

图1 喷射式挖沟机

1.2 铰吸式挖沟机

铰吸式挖沟机是通过切削链切削土壤形成沟槽的挖沟装备。它通过切削链将海管两侧的土壤切削出槽，在底部形成较薄土墙，再通过高压水射流将管道下方的土墙冲击破碎液化，并通过抽吸泵将松散泥沙排出沟外[1]。铰吸式挖沟机可用于硬质海床或岩石的开挖，适用土壤范围广，最大破土强度可达400 kPa，大于采用一般喷射泵时破土能力仅为50 kPa的指标，但它不适用于较多砾石的土壤环境。

1.3 犁式挖沟机

犁式挖沟机是通过犁铧切割破碎海底土层和排泥系统将泥沙排出沟外，在海底形成沟槽的挖沟装备，如图2所示。犁式开沟机适合硬质海床，不适合软泥质、松散土壤挖沟作业，一般土壤剪切力小于300 kPa，单词挖沟沟深可达2.5 m，挖沟速度为4.3 km/d～10 km/d。管道开沟犁沟槽截面一般为“V”形，开沟的深度和宽度较大，沟槽边坡形成较小的坡角，提高管道在沟槽中的稳定性。

图2 犁式挖沟机

2 海底挖沟技术

2.1 海底预挖沟

海底预挖沟是首先在海底进行挖沟作业，然后将海管铺设到沟槽中并进行回填掩埋的挖沟工艺。预挖沟沟槽断面坡度比好，沟底平整度高，挖沟沟槽较宽，但挖沟精度控制差，土方作业量大，易产生沟土回淤，需要人工回填沟槽。海底预挖沟多用于较浅水域的短距离管线，例如过河管线和登陆段部分等。对于特殊海床，例如地貌凹凸不平、岩石质海底等部位也常采用预挖沟法[2]。预挖沟的挖沟装备主要是挖泥船，如水路两用挖掘机、链斗式挖泥船和抓斗式挖泥船等，施工时需要根据水文环境、挖沟深度、土壤类型和剪切强度等进行选取。

2.2 海底同时挖沟法

同时挖沟法是同步进行铺管与挖沟作业的挖沟工艺。该方法需要在铺管船的托管架末端安装挖沟机，铺管船通过拖曳缆连接挖沟机，由铺管船拖曳挖沟机同时进行挖沟与铺管作业[3]。同时挖沟法节约了铺管作业的时间，减少了作业成本，但适用范围小，施工难度大，且易损伤海管。

2.3 海底后挖沟

海底后挖沟是先将海管铺设到海底，再沿海管路由进行挖沟作业的挖沟工艺。海底后挖沟一般包括试挖沟、预调查、造坡、挖沟施工、回填掩埋和后调查6个步骤[4]。试挖沟是通过在海管附近进行挖沟试验，实验挖沟机自身性能，优化挖沟机的作业参数。预调查是ROV沿海管路由前进，调查海管路由的准确性及周围海洋环境。造坡是在挖沟起始点50 m内造坡角，以减少海管在挖沟过程中受到的应力，防止海管因重力发生变形。挖沟施工时作业船艏向与海管重合，施工母船拖曳挖沟机前进，通过锚缆控制船舶移动，声纳监控挖沟深度和宽度，DGPS监控挖沟路由。回填掩埋需要根据海流及土壤情况选择自然回填或人工回填。后调查是采用声纳扫描沟槽剖面，检验沟型、沟深是否满足设计要求。

3 犁式挖沟机海底后挖沟

3.1 土壤分析和地质调查

海底挖沟施工前需要进行挖沟路由段的土壤分析和地质调查，确定土壤参数，根据土壤类型和剪切强度选用适合的挖沟装备。一般土壤按照颗粒直径和单位体积重量进行分类，常用土壤及岩石的（普式）分类表。影响土壤剪切强度的因素有土壤矿物成分、含水量、土壤结构以及土壤原始密度等，土壤地质勘查的常用实验方法有粒度分析实验、土粒比重实验、含水量实验以及密度实验等。

目前国内地质调查报告多针对于导管架安装、管线铺设等施工作业，针对挖沟作业的地质调查较少，无法适应挖沟作业需求。一般海底管道地质调查，调查结果只分析到0 m～10 m的I类和II类土层，范围过于笼统，无法给挖沟作业提供依据。挖沟作业需要更精确的调查数据，减小取样间隔，精确识别特殊地质；减小取样深度，将取样深度控制在5 m以内，精确取样范围仅限于2 m～3 m的表层土壤；减小土层分析范围，对1 m以内的土壤做更详细的土层分析。

3.2 海底挖沟前准备

挖沟犁与施工支持船通过3条管线连接在一起，分别为拖拽缆、脐带缆和空气软管，其中脐带缆与空气软管通过浮球捆绑在一起，拖曳缆位于最下方，起到了拖拉挖沟犁的作用。挖沟前需要根据拖曳角度（15 °～25 °）、作业水深、拖曳力大小等计算拖曳缆的长度，根据计算结果使用中间拖缆、短链节和防擦链来连接成整个拖曳缆；其中弱链接起保护作用，在拉力超过350 t时会断裂，保护船舶和设备。拖拉缆一般按照挖沟犁拖缆-中间拖缆-短链节-中间拖缆-防擦链-绞车拖缆的顺序连接（如图3所示）。挖沟前还需要综合施工母船与挖沟犁的作业特点，基于母船的拖曳力悬链线，分析拖曳力及沟深对挖沟速度的影响。正式挖沟作业前，需要在距海管1 km左右进行试挖沟，通过进行挖沟试验调整挖沟犁各项参数，提高挖沟质量。试挖沟作业中要不断调整挖沟犁高度、轴流泵流量等，通过声纳扫描沟型沟深，调整确定挖沟犁主要参数。

图3 拖曳缆连接顺序

3.3 海底挖沟作业

挖沟犁海底挖沟作业分为下放和就位、挖沟犁挖沟、挖沟犁回收3个步骤。

挖沟犁下放就位是指作业船（如图4所示）在指定施工区域将挖沟机座落在管线上。挖沟犁下放入水时，不能直接在海管上方进行下放作业。应在水平距离海管5m的地方下放，至距海床1.5 m的位置，停止下放。稳定后，移船调整挖沟犁的位置，使其处于海管正上方，挖沟犁就位完成后水下机器人（ROV）解勾，进行挖沟作业。在挖沟犁下放过程中，绞车在开始阶段采用主动升沉补偿模式，便于控制挖沟犁精确就位，在接近海底管线时改为被动升沉补偿模式，防止由于船舶起伏导致钢丝绳松弛，减小挖沟犁接触海床时造成的冲击。

图4 加装挖沟犁的船舶图片

在挖沟犁到达指定位置后，挖沟犁提管器闭合进行抱管，调整排泥管的角度，根据挖沟深度调整滑靴高度。根据喷射泵的转速、压力决定挖掘沟壑的宽度和深度，要及时对挖沟犁喷射泵的压力数值以及转速进行调整，保证挖沟的质量达到设计的管线挖沟需求[5]。

挖沟犁回收时首先调整滑靴高度结束挖沟作业，回收排泥板，打开犁铧，打开托管滚轮将海管下放至海床，在挖沟犁上连接提升锁具。然后将作业船移至远离海管等设施的安全区域，打开空气浮箱排气孔，同步回收提升钢丝绳、拖拉钢丝绳、脐带缆和空气软管，最后回收A吊，将挖沟犁回收至甲板固定。

3.4 挖沟犁应急处理

挖沟犁在海上进行作业过程中可能发生各种紧急情况，如拖曳缆拖力过大，导致拖曳缆中弱连接断裂，挖沟犁水下失去液压动力，ROV操作失效等，在施工之前做好各种应急预案至关重要。

施工母船拖曳挖沟犁前进过程中，如果船舶拖力突然增大，当拖曳力超过弱连接的许用应力时，“弱连接”（WEAK LINK）会断裂，保护船舶和挖沟犁设备安全。此时挖沟犁和部分拖曳缆位于海底，需要ROV将断裂的拖曳缆打捞至甲板，并重新连接拖曳缆。

挖沟犁在水下自身失去液压动力后，需要船舶甲板液压动力站（HPU）提供应急液压，由ROV将应急绞车液压管连接到挖沟犁上，应急操作面板上有ROV操作阀手柄，可使用ROV机械臂操作其旋转，控制液压阀实现挖沟机油缸动作，完成回收作业。

如果HPU提供的应急液压仍无法恢复挖沟机动力，则需要ROV携带液压剪，依次切割挖沟犁上相应油缸的液压管，使用吊机回收挖沟犁，依靠吊机和管道自身重力使抱管架和犁铧与海管脱开，实现挖沟机回收。首先调整船舶艏向，确认连接挖沟犁提升索具，ROV连接应急缆到犁铧卸扣；切割托辊架液压缸回路液压管，托辊架将在管道自重下下降；切割托辊液压缸回路液压管，托辊将在管道自重下打开；切割犁铧液压缸回路液压管；切割排泥板液压缸回路液压管；提升挖沟犁至离开泥面，利用船舶吊机打开犁铧、提起排泥板；海管由于自重安全释放至海床，移船至安全区域，回收挖沟犁至甲板。

4 结语

海底挖沟是目前技术最成熟、应用最广泛的海管保护方法之一，是最理想的海管保护方案。在挖沟前，应用海底浅层取样技术进行挖沟判断，挖沟管道分析技术进行挖沟分析；在挖沟过程中，通过挖沟设计体验优化挖沟机的性能，通过挖沟方案设计优化挖沟方案；挖沟完成后，通过挖沟机软硬件及配套工具的开发提升挖沟装备的协同作业能力。研究海底挖沟技术，进行挖沟团队建设和技术能力建设，掌握一定的挖沟能力，对于保障海底油气输送，实现增储上产具有重要的意义。