挖溝機(jī)相關(guān)技術(shù)進(jìn)展

，

(上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200030)

挖溝機(jī)是進(jìn)行海底埋設(shè)的關(guān)鍵設(shè)備，目前世界上有多家公司從事挖溝機(jī)設(shè)備的設(shè)計(jì)制造或海底電纜和油氣管線(xiàn)的埋設(shè)，比較有代表性的如美國(guó)的Perry Slingsby Systems Ltd. (PSSL)、Tyco-Submarine Systems Ltd.(TSSL)、General Dynamics-Advanced Technology Systems(GD-ATS)及法國(guó)的ALCATEL等，其中PSSL是行業(yè)公認(rèn)的挖溝技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。

1 挖溝機(jī)設(shè)計(jì)概述

挖溝機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程一般包括:①調(diào)查；②確定埋設(shè)深度；③選擇最合適的挖溝技術(shù)；④設(shè)計(jì)挖溝機(jī)；⑤評(píng)估挖溝機(jī)的前進(jìn)速度(埋設(shè)速度)。

其中，②和③往往根據(jù)土壤條件同時(shí)確定。為了給海底電纜和油氣管線(xiàn)提供足夠的保護(hù)，不同的海底土壤條件要求不同的埋設(shè)深度，更大的埋深能提供更好的保護(hù)。土壤條件是最重要的設(shè)計(jì)依據(jù)，決定了埋設(shè)深度、挖溝技術(shù)以及相應(yīng)的埋設(shè)速度。挖溝機(jī)設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)詳細(xì)了解埋設(shè)海域的海底土壤條件的以下相關(guān)信息[1]。

1) 埋設(shè)線(xiàn)路的海底以下3 m(甚至5 m)內(nèi)的不同土層的土壤條件和厚度。

2) 不同土層交界面位置，誤差不大于30 cm。

3) 土壤的基本物理和機(jī)械性能，即結(jié)晶粒度、塑性值、含水量、切變強(qiáng)度等。

例如，犁式挖溝機(jī)適用于砂土地質(zhì)，而使用鏈?zhǔn)交蜉喪角懈钇鞯臋C(jī)械挖溝機(jī)是通常用于硬質(zhì)粘土和軟巖條件下的作業(yè)。埋設(shè)速度在很大程度上決定了施工時(shí)間并進(jìn)而決定項(xiàng)目成本。埋設(shè)速度根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和精確的土壤條件信息估算。

2 土壤條件確定埋深

埋深是海底電纜和油氣管線(xiàn)埋設(shè)工程中最重要的參數(shù)。電纜埋深主要決定于作業(yè)區(qū)域的海底土壤條件和可能出現(xiàn)的破壞活動(dòng)的嚴(yán)重程度。在相同埋深的前提下，硬質(zhì)海底能比軟質(zhì)海底提供更好的保護(hù)。典型的埋深為0.5～2.0 m，而當(dāng)今多數(shù)商業(yè)挖溝機(jī)的埋纜深度都是標(biāo)準(zhǔn)的1.0 m。 除北極環(huán)境下的某些特殊工程外，埋纜深度一般不超過(guò)3 m[2]。雖然直到今天也沒(méi)有一個(gè)行業(yè)規(guī)范來(lái)界定不同埋深對(duì)電纜的保護(hù)程度,但是Global Marine System.Ltd公司還是在1997年最先提出了一個(gè)定義不同的保護(hù)水平的參數(shù)，并得到了業(yè)內(nèi)其他公司的廣泛認(rèn)同并沿用至今。該參數(shù)名為埋深保護(hù)指數(shù)(burial protection inedx, BPI)，定義了各種海底土壤條件下提供某個(gè)級(jí)別的保護(hù)水平所需要的埋深。BPI值越大，表示對(duì)電纜的保護(hù)水平越高，該參數(shù)的圖解見(jiàn)圖1[3]。

圖1 埋深保護(hù)指數(shù)圖

這個(gè)概念表明，在非常軟的粘土中2.5 m的埋深提供的保護(hù)水平大致與在硬質(zhì)粘土或沙地中1.0 m的埋深提供的保護(hù)水平相當(dāng)。

不同的BPI值代表不同的埋深及保護(hù)水平。

1)BPI=1，埋深僅能提供不受正常漁具破環(huán)的保護(hù)水平。適于水深大于100 m、船舶無(wú)法錨泊或禁止船舶錨泊的區(qū)域。

2)BPI=2，埋深能提供不受錨重最大為2 t的船舶破環(huán)的水平。足以抵御正常捕魚(yú)活動(dòng)的干擾，但是無(wú)法抵御更大船舶的錨重。

3)BPI=3，埋深足以提供抵御任何船型(最大型除外)的錨重的保護(hù)水平。適于停泊地點(diǎn)和重載海運(yùn)航道。

3 挖溝方式及其性能

現(xiàn)今用于電纜和油氣管線(xiàn)埋設(shè)的幾種基本類(lèi)型的挖溝機(jī)[4]：①犁式挖溝機(jī);②噴沖式挖溝機(jī);③噴沖式ROV;④機(jī)械式挖溝機(jī);⑤深水挖溝機(jī)。

自開(kāi)始鋪設(shè)橫貫大西洋的海底電纜以來(lái)的幾十年內(nèi)，使用犁式挖溝機(jī)埋纜一直都是標(biāo)準(zhǔn)的、也是最常用的海底埋纜方式。這種方式通過(guò)母船提供的巨大拖曳力來(lái)克服海底挖溝阻力。在具備某些海底土壤條件的近海淺水區(qū)，這種強(qiáng)力埋纜的方式今天仍在使用。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，這種埋纜方式已經(jīng)能在更深水域和更高的土體強(qiáng)度下作業(yè)。雖然這種方式非常有效、可靠，但是需要很大的母船提供足夠的拖曳力，而母船的大小對(duì)工程項(xiàng)目總成本的影響非常大，因此這種方式相當(dāng)昂貴。盡管在很多情況下必須使用大型船舶裝載相當(dāng)沉重的越洋電纜，但是越來(lái)越多的短距離細(xì)纜的埋設(shè)工程借助費(fèi)用低廉的小型船就可以完成。

另一種更適合小型平臺(tái)的作業(yè)設(shè)備是自帶推力的自航式挖溝機(jī)，使用1～2個(gè)挖溝工具如噴射器、滾輪切割器和鏈?zhǔn)角懈钇鞯冗M(jìn)行作業(yè)。這種挖溝機(jī)的推力有限(一般為22 700 kN)，其速度和作業(yè)成本完全依賴(lài)于切割刀具的效率。

顯然，業(yè)界需要一種全能、高效、經(jīng)濟(jì)的電纜埋設(shè)系統(tǒng)，要求能夠在較小的母船上布放，可以使用標(biāo)準(zhǔn)的布放和回收系統(tǒng)，同時(shí)具有在各種土壤條件的海底埋深達(dá)到1.5 m的能力。噴沖式挖溝機(jī)具備這種能力，完成足夠的埋深，同時(shí)具有顯著提高的埋設(shè)速度，且只需要比犁式挖溝機(jī)低得多的拖曳力。通過(guò)滑靴上的噴嘴將高壓水射向海底土層，減弱由土質(zhì)條件的局部改變和非粘結(jié)性沙地中的孔隙水壓力效應(yīng)產(chǎn)生的土壤強(qiáng)度。由于在具備較好的經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，能提供足夠的埋深保護(hù)水平和大為改善的挖溝性能，目前與其相關(guān)的多項(xiàng)重要技術(shù)也經(jīng)過(guò)了多家公司的試驗(yàn)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)驗(yàn)證，該類(lèi)型的挖溝機(jī)已經(jīng)在全球挖溝機(jī)行業(yè)內(nèi)取得了廣泛的應(yīng)用。

雖然目前還沒(méi)有針對(duì)海底電纜和管線(xiàn)埋設(shè)系統(tǒng)的專(zhuān)門(mén)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但是現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的實(shí)際結(jié)果已經(jīng)為挖溝機(jī)類(lèi)型的選擇提供了基本的指導(dǎo)。各類(lèi)挖溝機(jī)的性能范圍值[5]見(jiàn)表1。

表1 各類(lèi)挖溝機(jī)的性能

4 關(guān)鍵技術(shù)及最新進(jìn)展

4.1 放纜技術(shù)

在海底埋設(shè)電纜時(shí)，由于預(yù)埋位置都是提前規(guī)劃好的，因而施工的關(guān)鍵是如何從母船上將電纜布放到準(zhǔn)確位置。放纜機(jī)是用于控制放纜速度的設(shè)備，通常裝有一組成對(duì)的橡膠輪，可以抓住電纜并按照一定的速率送纜，具有與傳送帶類(lèi)似的功能。送纜機(jī)在淺水區(qū)用于放纜，而在深水區(qū)則需要收攬。圖2為英國(guó)SEtech公司設(shè)計(jì)的7輪對(duì)送纜機(jī)，該送纜機(jī)在用于深水埋纜時(shí)可以8 kn的速度放纜。這樣當(dāng)纜觸到海底時(shí)可能已經(jīng)落在母船后面幾公里處，足夠的富余量保證電纜不會(huì)被海流沖得太遠(yuǎn)而偏離預(yù)定的位置。此外，已經(jīng)有一些海纜埋設(shè)和調(diào)查公司編寫(xiě)的專(zhuān)門(mén)程序用于提高送纜精度，同時(shí)通過(guò)調(diào)整母船位置進(jìn)行補(bǔ)償。

圖2 SEtech公司的7輪對(duì)送纜

4.2 噴嘴

噴嘴的設(shè)計(jì)是挖溝機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。噴嘴一般安裝于挖溝機(jī)的滑靴上，內(nèi)部與高壓水泵相連通，利用小口徑的噴嘴噴出的高壓水將海底的粘土或沙地打散并沖走，從而形成一條溝，使電纜或輸油管依靠重力落入溝中。

1997年，TSSL公司在為其新型挖溝機(jī)海犁8(Sea Plow VIII)開(kāi)發(fā)的新式滑靴中使用了名為掃掠流式噴嘴(swept flow jetter，SWJ)的專(zhuān)利技術(shù)。該技術(shù)的發(fā)展動(dòng)力來(lái)自于經(jīng)濟(jì)性：只需要更小的拖曳力，同時(shí)能提供更大的埋設(shè)速度和對(duì)電纜的最大保護(hù)。

掃掠流式噴嘴的外形和技術(shù)原理見(jiàn)圖3、4[6]。作業(yè)時(shí)兩排并列分布的噴嘴與垂直方向成5～10°夾角，略向后方傾斜。這種技術(shù)使得滑靴即使在最?lèi)毫拥耐寥罈l件下也能保持高速度和低挖掘力，通過(guò)使用同時(shí)將土壤打散和移除的技術(shù)，其挖溝效率超過(guò)了現(xiàn)有的噴沖工具。當(dāng)滑靴前進(jìn)時(shí)，安裝在滑靴上的兩排噴嘴噴出高壓水使溝墻泥土變得松散并被沖刷下來(lái)，由于噴嘴斜向下，沖刷出的泥土形成泥漿流從滑靴尾部流走。使用該技術(shù)的噴沖工具和大體積水泵的尺寸必須根據(jù)需要的溝形和埋設(shè)速度來(lái)確定，噴沖工具的形狀也必須滿(mǎn)足高速前進(jìn)所需要的挖溝性能要求。

圖3 掃掠流式噴嘴(SWJ)外形

圖4 SWJ技術(shù)原理

4.3 “舵型”操縱

“舵型”操縱的技術(shù)是指依靠裝在滑靴上的前向舵來(lái)改變挖溝機(jī)的前進(jìn)方向，從而使挖溝機(jī)沿預(yù)定軌線(xiàn)作業(yè)。這種技術(shù)能提高挖溝機(jī)的轉(zhuǎn)向性能，縮短操縱指令的響應(yīng)時(shí)間。Perry Tritech Inc.(PTI)公司與TSSL和GD-ATS公司合作進(jìn)行的陸上及海上實(shí)驗(yàn)證實(shí)：使用“舵型”操縱技術(shù)，挖溝機(jī)能迅速響應(yīng)舵角的改變發(fā)生橫移。

4.4 回填技術(shù)

為了避免由捕魚(yú)或拋錨引起的機(jī)械損害及管道的隆起彎曲變形，挖溝過(guò)后的泥土必須回填。一般情況下，僅僅挖溝就可以保證管道的水動(dòng)力穩(wěn)定性，泥土覆蓋常常依靠自然回填完成。例如，噴沖式挖溝機(jī)在土質(zhì)疏松的土壤中作業(yè)的時(shí)候，被挖的泥土懸浮在挖溝機(jī)頂部，并沒(méi)有被移位，因而過(guò)后會(huì)自然地沉積在管道兩側(cè)。而當(dāng)使用純犁式挖溝機(jī)時(shí)，往往使用兩對(duì)滑靴來(lái)保證回填。第一對(duì)用于挖溝，并使挖出的泥土落在溝的兩側(cè)；第二對(duì)則用于回填，將兩側(cè)的泥土鏟回溝中，覆蓋在管道頂部[7]。兩對(duì)滑靴之間的距離必須足夠長(zhǎng)，以保證從海床頂部到溝底部的管線(xiàn)段能夠呈S形彎曲。

4.5 深水作業(yè)技術(shù)

深水挖溝作業(yè)常常在粘土地質(zhì)中進(jìn)行，而淺水區(qū)作業(yè)常常在硬質(zhì)粘土或軟巖石構(gòu)成的海底進(jìn)行，這就使得淺水區(qū)的挖溝機(jī)無(wú)法適用于深水作業(yè)。此外，母船拖曳的方式在深水作業(yè)時(shí)效率較低，且難以保證埋設(shè)精度。因此，深水挖溝技術(shù)日益成為挖溝機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，要求挖溝機(jī)功率更大、體積更大，同時(shí)具備自驅(qū)動(dòng)功能。

PSSL研發(fā)的T—800型噴沖式ROV集中代表了深水挖溝機(jī)的各類(lèi)先進(jìn)技術(shù)，是當(dāng)今深水挖溝機(jī)的典型代表。T—800的主要技術(shù)包括：強(qiáng)大的功率、高壓水噴嘴和兩種工作模式的設(shè)計(jì)，保證了深水環(huán)境下持久可靠的工作能力。T—800埋纜/管挖溝機(jī)源自于PSSL極為成功的“Triton”?系列ROV，代表了一種體積和功率都大得多的ROV設(shè)備，控制和操作性能更佳，其總布置圖見(jiàn)圖5。挖溝機(jī)配備的596.6 kW功率用于驅(qū)動(dòng)2個(gè)180 kW的水泵，同時(shí)給8個(gè)推進(jìn)器提供液壓動(dòng)力。強(qiáng)大的功率和高/低壓給水系統(tǒng)的優(yōu)良設(shè)計(jì)保證了噴嘴的射流壓力。T—800配備了一套挖溝工具收放系統(tǒng)，由一套運(yùn)動(dòng)基座集成系統(tǒng)組成，該系統(tǒng)包括兩個(gè)平行噴沖臂，各由一個(gè)液缸控制其旋轉(zhuǎn)和回縮；兩臂間的距離可由另外一個(gè)液缸控制，以滿(mǎn)足不同埋設(shè)寬度的要求。該運(yùn)動(dòng)基座集成系統(tǒng)上安裝了大量傳感器，可以測(cè)量埋深、靴角和工作載荷。

圖5 T-800總布置圖

T—800設(shè)計(jì)用于兩種工作模式——“自由飛行”和“爬行”模式。

在“自由飛行”模式，該挖溝機(jī)的整體浮力狀態(tài)被調(diào)整為接近中性浮力，由8個(gè)推進(jìn)器提供推力。由于很多深水海底的地質(zhì)都是由軟土構(gòu)成，太重的挖溝機(jī)很可能陷入其中無(wú)法前進(jìn)或者移動(dòng)艱難?！白杂娠w行”模式下的配置使得挖溝機(jī)可以貼著海底地面“飛行”，與地面之間基本無(wú)相互作用力，同時(shí)電纜或油氣管線(xiàn)的埋設(shè)對(duì)海底的干擾也達(dá)到最小。在埋管時(shí)，導(dǎo)向輥用于精確引導(dǎo)挖溝機(jī)沿管線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)。

在“爬行”模式下，T—800安裝了一對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)的履帶，類(lèi)似于雪地履帶式車(chē)輛。此時(shí)調(diào)節(jié)挖溝機(jī)為負(fù)浮力狀態(tài)，這樣履帶可以獲得牽引力，從而沿海底前行?！芭佬小蹦Ｊ匠Ｓ糜谕寥罏橛舱惩粱蚬探Y(jié)土的海底。T—800的工作深度為2 500 m,自由飛行模式下的埋設(shè)速度為前向3.0 kn；側(cè)向2.2 kn；垂向2.2 kn；埋設(shè)速度為1～40 m/s。

4.6 最新技術(shù)

隨著挖溝機(jī)的設(shè)計(jì)越來(lái)越強(qiáng)調(diào)多用途和高效率，近年來(lái)設(shè)計(jì)的挖溝機(jī)上逐漸出現(xiàn)了相關(guān)的最新技術(shù)。CTC Marine公司的“UT—1”具有2.1 MW的功率，號(hào)稱(chēng)世界上功率最強(qiáng)的噴沖式ROV，其外形見(jiàn)圖6。集成了各類(lèi)傳感器和先進(jìn)技術(shù)，功能強(qiáng)大，是近年來(lái)設(shè)計(jì)的挖溝機(jī)中的佼佼者，其設(shè)計(jì)中的可調(diào)寬度和清淤功能是值得關(guān)注的兩大最新技術(shù)。

圖6 UT—1外形

UT—1具備前后兩對(duì)腿形管道，分別用于噴沖和清淤。常規(guī)埋管挖溝機(jī)的一對(duì)滑靴的間距固定，只能埋設(shè)固定直徑的管道，而UT—1的一對(duì)腿形噴沖滑靴的間距可以遠(yuǎn)程控制，間距在250 ～1 200 mm之間變化，從而滿(mǎn)足不同直徑的管道埋設(shè)要求。更引人注目的是，UT—1前所未有地設(shè)計(jì)了清淤系統(tǒng)，該系統(tǒng)由裝在尾部的一對(duì)腿形吸泥管和4個(gè)375 kW的高壓水泵組成，二者配合將被前部噴沖滑靴打撒的泥沙從溝中吸出，使得溝深更大且溝型保持更長(zhǎng)久，大大提高了挖溝效率，其最大挖溝深度達(dá)到2.5 m。工作中的UT—1見(jiàn)圖7。

圖7 工作中的

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著海底埋設(shè)工程的蓬勃發(fā)展，挖溝機(jī)的技術(shù)水平也在迅速提高，一系列新的技術(shù)陸續(xù)被開(kāi)發(fā)出來(lái)。未來(lái)幾十年內(nèi)海洋工程將擁有更廣闊的發(fā)展前景，而挖溝機(jī)也將在其中扮演越來(lái)越重要的角色。不難看出，今后的挖溝機(jī)技術(shù)升級(jí)的重點(diǎn)應(yīng)該放在新式噴嘴和噴沖甩泥系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)上，同時(shí)繼續(xù)增大功率，以提高挖泥效率，增強(qiáng)溝型保持的效果。

[1] KOBER J H,MESSINA F D,Dean D. New advances in jet-assisted plowing for the undersea cable construction Industry [C]//in Oceans 2000 MTS/IEEE Conference and Exhibition.Providence, RI, USA. 2000(1):267-275.

[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 ～I(xiàn)I/682.

[3] VAN Oord ACZ B V. Cable Installation Study For DOWEC[R]. unpublished work, 2001.

[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.