周 波，奉 虎，王 亮，王艷濤，史殿龍

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

我國現(xiàn)役海底油氣管道有很多與港口航道發(fā)生交叉，這使得港口航道在改擴(kuò)建時(shí)與交叉管道發(fā)生沖突，油氣管道需進(jìn)行改線或者下臥改造。航道交叉段海底管道（以下簡稱海管） 在鋪設(shè)之初需考慮船舶頻繁通航對(duì)海管安全性的影響，通常采用回填石塊的方式來保護(hù)交叉段海管的安全，此處海管一旦進(jìn)行改線或者下臥改造就大大增加改造難度，因?yàn)閭鹘y(tǒng)海管暴露方式無法清除大粒徑的石塊，并且在改造施工時(shí)，管道處于生產(chǎn)輸油狀態(tài)，任何導(dǎo)致海管破裂致使原油泄漏的施工都是不可接受的。因此，在施工過程中如何保證海管的安全性就成為一個(gè)最重要的環(huán)節(jié)。本文以渤海某登陸管道改造為例，介紹一種回填石塊清除的有效方法[1-3]。

1 工程概述

某航道計(jì)劃擴(kuò)建為10萬t級(jí)船舶航道，改造后的航道底標(biāo)高為-17 m，該航道與現(xiàn)有某海上至陸地終端登陸輸油管道有交叉。根據(jù)2013年完工調(diào)查報(bào)告，交叉處管道埋深4 m，未處理前的航道底標(biāo)高為-15 m。為滿足通航要求及確保航道疏浚時(shí)不損壞管道，需要將該交叉段海管上方回填保護(hù)的石塊清除，并安裝防護(hù)墊、拋填石塊進(jìn)行海管保護(hù)，總回填保護(hù)深度為2 m，最終滿足交叉路由管道上部航道底標(biāo)高為-17 m的要求。

如圖1所示，規(guī)劃航道底寬347m、標(biāo)高-17m，通航寬度為357 m，標(biāo)高為-16.3 m，航道頂寬375 m、標(biāo)高-15 m，備淤深度0.7 m。海管與航道（頂寬） 交叉段長度約475 m，兩側(cè)各考慮50 m過渡段，海管處理長度約為575 m。

圖1 海管與航道交叉示意

航道與海管交叉處位于海管4 m埋深段，海管頂標(biāo)高約為-19 m，航道底標(biāo)高要求為-17 m。管道原回填情況見圖2。

圖2 海管埋深示意

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 海管路由兩側(cè)開挖溝槽

如圖3所示，使用抓斗船在海管兩側(cè)開挖溝槽，此溝槽主要用于后期開挖毛石的存放。根據(jù)需清理石塊的存放量設(shè)計(jì)溝槽開挖寬度和深度。開挖的泥砂由泥駁運(yùn)輸至指定區(qū)域。

圖3 溝槽開挖截面示意

2.2 表層淤泥吹掃

使用非接觸挖溝機(jī)清除海管路由上方約0.5 m厚的軟泥，暴露回填的毛石，使石塊之間相互松動(dòng)，以便開展挖掘機(jī)抓取石塊的施工。

2.3 回填石塊清理

如圖4所示，使用伸縮臂式挖掘機(jī)清理海管上方毛石層。施工時(shí)，將伸縮臂挖掘機(jī)固定在主作業(yè)船船舷側(cè)，將抓取的石塊放置到預(yù)挖的溝槽內(nèi)。

2.4 清除剩余碎石層及管道暴露

圖4 回填石塊清理

使用非接觸挖溝機(jī)清理海管上方碎石和細(xì)砂層。吹掃過程中注意防止管道懸空，并且使吹掃后的海床面盡量平整。

2.5 回填保護(hù)

原海管厚4 m的保護(hù)層，按照新的回填保護(hù)方案設(shè)計(jì)為1.5 m，為達(dá)到保護(hù)效果，需安裝兩層防護(hù)墊，再進(jìn)行拋石回填保護(hù)，最終的海管回填保護(hù)截面示意如圖5所示。

圖5 回填截面示意

3 施工機(jī)械

3.1 主作業(yè)船

本工程使用的主作業(yè)船長100 m、寬38 m、型深9 m，主要作為伸縮臂挖掘機(jī)、挖泥船的施工支持船舶。主作業(yè)船的穩(wěn)性直接影響施工效果。

3.2 挖泥船

挖泥船為管道兩側(cè)開挖溝槽的作業(yè)船舶（見圖6），抓取的泥砂由泥駁運(yùn)至拋泥區(qū)域，防止回填。抓斗投影尺寸為7.5m×2m，斗容為13～16m3。

圖6 挖泥船

3.3 伸縮臂挖掘機(jī)

挖掘機(jī)是清理原回填石塊的主要設(shè)備（如圖7所示），為適應(yīng)本項(xiàng)目的水深要求，挖掘機(jī)選用筒式伸縮臂挖掘機(jī)，伸縮臂最大長度可達(dá)26 m，頂端安裝五瓣抓斗，便于抓取石塊，斗容1 m3。伸縮臂挖掘機(jī)施工限定條件：流速＜2 m/s，浪高＜1 m。伸縮臂上標(biāo)有刻度，可監(jiān)控抓斗入水深度。

圖7 伸縮臂挖掘機(jī)

4 施工監(jiān)控

本項(xiàng)目中使用三維實(shí)時(shí)聲吶觀測系統(tǒng)，可適用于高速水流作業(yè)環(huán)境，有效解決了傳統(tǒng)聲吶探測技術(shù)上的盲區(qū)問題，并具有實(shí)時(shí)現(xiàn)場觀測功能。

4.1 三維實(shí)時(shí)聲吶系統(tǒng)

三維實(shí)時(shí)聲吶系統(tǒng)是目前國際最先進(jìn)的一款多波束實(shí)時(shí)聲吶探測系統(tǒng)，主要由硬件設(shè)備和軟件兩部分組成，其中硬件設(shè)備包括Echoscope多波束探頭、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)F180和GNSS定位定向儀，軟件系統(tǒng)為Underwater Survey Explorer。三維實(shí)時(shí)聲吶系統(tǒng)采用單次高密集的水深探測數(shù)據(jù)借助高速的數(shù)據(jù)傳輸及處理方式，每一頻次探測到的被測物體回聲能實(shí)時(shí)生成三維點(diǎn)云圖像，隨著聲波數(shù)據(jù)傳輸?shù)母?，三維圖像每秒可更新12次，且各頻次的圖像的顯示不會(huì)出現(xiàn)覆蓋，而是實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)拼接，使整個(gè)場景實(shí)時(shí)可視化顯示，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觀測[4-7]。

4.2 系統(tǒng)工作原理

三維實(shí)時(shí)聲吶系統(tǒng)向目標(biāo)區(qū)域發(fā)射信號(hào)，利用聲成像方法對(duì)接收到的回波信號(hào)進(jìn)行處理，獲得一系列二維圖像，通過計(jì)算機(jī)合成技術(shù)生成三維圖像。由一次三維成像可以獲得兩種類型的幀，分別是距離圖像和振幅圖像，圖像經(jīng)處理實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的三維成像。為了保證測量精度，通過慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)修正，以消除船舶在航行時(shí)縱橫搖擺的影響。表1為三維實(shí)時(shí)聲吶部分參數(shù)。

表1 三維實(shí)時(shí)聲吶關(guān)鍵數(shù)值

4.3 監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用

4.3.1 溝槽開挖監(jiān)控

由于兩側(cè)溝槽開挖量巨大，需使用挖泥船挖泥。挖泥船作業(yè)時(shí)，抓斗采用自由落體方式在空中釋放，靠自重抓泥。如果位置定位不準(zhǔn)確，很容易抓漏海管，造成原油泄漏；若通過潛水員指引開挖，不僅增加安全風(fēng)險(xiǎn)，而且效率低下。

在三維聲吶監(jiān)控電腦里導(dǎo)入管道路由和溝槽開挖范圍邊界，開挖范圍與管道路由有一定的安全距離，如圖8所示。在三維實(shí)時(shí)聲吶系統(tǒng)的監(jiān)控下，控制挖泥船抓斗在開挖邊界內(nèi)進(jìn)行開挖，開挖過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控抓斗與管道路由的距離，可有效保證開挖時(shí)海管的安全，并且能夠測量開挖深度和范圍。

圖8 挖泥船水下監(jiān)控

4.3.2 回填石塊清理監(jiān)控

伸縮臂挖掘機(jī)在海管上方進(jìn)行施工，海管高程經(jīng)調(diào)查為海床下4 m，監(jiān)控過程主要控制挖掘機(jī)抓斗最大挖深不超過海床下3 m。主要操作步驟如下：

（1） 使用三維實(shí)時(shí)聲吶測量原海床深度。

（2） 伸縮臂挖掘機(jī)抓斗先下放至距離海床面2 m的位置。

（3） 在三維實(shí)時(shí)聲吶監(jiān)控下選擇抓取位置，如圖9所示。

圖9 伸縮臂挖掘機(jī)水下監(jiān)控

（4） 繼續(xù)下放抓斗，根據(jù)伸縮臂上的刻度控制下放深度，直到下放到能夠抓取石塊的高度。下放最大深度不得超過海床下3 m，否則重新選取抓取位置。

（5） 將抓取的石塊在三維實(shí)時(shí)聲吶的監(jiān)控指引下拋至管道兩側(cè)溝槽內(nèi)。

5 結(jié)束語

使用三維實(shí)時(shí)聲吶輔助監(jiān)控伸縮臂挖掘機(jī)來清理海管上方回填石塊的方法在國內(nèi)工程項(xiàng)目中尚屬首次，該種方法的成功應(yīng)用可為類似海管施工作業(yè)提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。在能見度差的施工環(huán)境下，三維實(shí)時(shí)聲吶較其他實(shí)時(shí)監(jiān)控手段來說效果最好，這種方法隨著三維實(shí)時(shí)聲吶的更新?lián)Q代，尤其是其分辨率及監(jiān)控范圍越來越高將會(huì)變得更加成熟。