中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司 羅 彥 曹 波

海底電力電纜是一種敷設(shè)于海底的可用于電力傳輸?shù)碾娎|，如海上風(fēng)電廠電能送出、大陸對(duì)海島的供電等。英國(guó)在1890年完成世界上第一條海底電力電纜的敷設(shè)，開(kāi)啟了海底電力電纜工程建設(shè)的序幕。2009年和2019年我國(guó)的500kV 超高壓、大容量、長(zhǎng)距離跨海海纜工程——海南聯(lián)網(wǎng)工程一回、二回分別投運(yùn)。

1 非開(kāi)挖水平定向鉆技術(shù)

非開(kāi)挖技術(shù)是一項(xiàng)在地表無(wú)需開(kāi)挖溝槽的條件下，進(jìn)行各類(lèi)用途和材質(zhì)管線鋪設(shè)、修復(fù)和更新的技術(shù)。目前非開(kāi)挖水平定向鉆已廣泛應(yīng)用于常規(guī)陸地電纜的敷設(shè)中，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性。水平定向鉆（Horizontal Directional Drilling）是在一個(gè)固定的位置以一定的入射角角度鉆入地下，然后從另一點(diǎn)穿出、形成導(dǎo)向軌跡孔洞。然后再逐級(jí)擴(kuò)孔直至滿足設(shè)計(jì)需要，最后再將線纜拖入完成敷設(shè)。常規(guī)的水平定向鉆施工工序一般為：地質(zhì)勘探、管線探測(cè)、導(dǎo)線軌跡設(shè)計(jì)、泥漿配置、導(dǎo)向鉆進(jìn)、擴(kuò)孔和拖管。

水平定向鉆的鉆頭。水平定向鉆較難適用于砂礫石、卵礫石和存在大量孤石、漂石或障礙物的地層中。為應(yīng)對(duì)不同的地質(zhì)條件需選擇合適的鉆頭。對(duì)于一般的粘土層和砂層等較軟的底層可選擇“鴨嘴”導(dǎo)向鉆頭（圖1），當(dāng)鉆桿帶動(dòng)鉆頭連續(xù)回轉(zhuǎn)時(shí)可使鉆頭切割鉆頭前端土體實(shí)現(xiàn)直線鉆進(jìn)。鉆頭在不回轉(zhuǎn)且加壓的情況下，因鉆頭前端的斜面，將使鉆進(jìn)軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)造斜鉆進(jìn)；另一種鉆具通過(guò)采用彎接頭并在鉆頭后端設(shè)置動(dòng)力馬達(dá)，在鉆進(jìn)中其鉆孔無(wú)需回轉(zhuǎn)，鉆頭的鉆進(jìn)方向取決于彎接頭的彎曲程度。這類(lèi)鉆頭主要適用于巖石等硬地層。

圖1 “鴨嘴”導(dǎo)向鉆頭

圖2 巖石導(dǎo)向鉆頭和泥漿馬達(dá)

水平定向鉆通用導(dǎo)向軌跡如圖3：α 為入射角度，β 為出土角；a1為入射段第一直線段水平長(zhǎng)度，a2為入射段曲線段水平長(zhǎng)度；L0為中部水平段長(zhǎng)度；a3為出土段第三直線段水平長(zhǎng)度，a4為出土段曲線段水平長(zhǎng)度；R1、R2為曲線段曲率半徑；Δh 為出入點(diǎn)的高差；L 為出入點(diǎn)水平距離，即穿越長(zhǎng)度。其中直線段與曲線段相切、實(shí)現(xiàn)平順過(guò)度。根據(jù)幾何關(guān)系可知：a1=b1·cotα;a2=R1·sinα;a3=b3·cotα;a4=R2·sinβ;b2=R1·(1-cosα);b4=R2·(1-cosβ);h1=b1+b2=h2+Δh=b3+b4+Δh;L=a1+a2+a3+a4+L0。其中出、入射角度和曲率半徑主要與管材材料相關(guān)，可參考《水平定向鉆敷設(shè)電力管線技術(shù)規(guī)定》（DL/T5776-2018）。

圖3 通用導(dǎo)向軌跡設(shè)計(jì)圖

2 水平定向鉆在海纜登陸中的應(yīng)用

2.1 海纜登陸段常規(guī)保護(hù)方式

在海纜登陸段區(qū)域環(huán)境較為復(fù)雜且人為活動(dòng)頻繁，因此登陸段海纜出現(xiàn)故障的可能性較高。海纜保護(hù)是海纜工程中一項(xiàng)重要工作，可分為沖埋、套管和加蓋保護(hù)。在海纜登陸段無(wú)法采用沖埋保護(hù)時(shí)，可使用兩棲挖掘機(jī)及人工開(kāi)挖結(jié)合的方式進(jìn)行預(yù)先開(kāi)挖溝槽、然后進(jìn)行海纜敷設(shè)，同時(shí)及時(shí)進(jìn)行回填施工?？紤]到日常潮汐、臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮甚至海嘯的沖刷以及船只活動(dòng)的影響，在海纜登陸段可再加套球墨鑄鐵套管進(jìn)行保護(hù)。

2.2 水平定向鉆保護(hù)管的設(shè)計(jì)

某110kV 海纜工程中海島周邊為珊瑚礁國(guó)家級(jí)海洋公園，該處海纜登陸段淺灘處表層為珊瑚碎屑層。其中珊瑚碎屑層主要特征為：灰色、飽和，稍密狀，顆粒主要由粗砂、珊瑚碎屑為主，珊瑚碎塊表面疏松多孔、磨圓度差，珊瑚碎石粒徑為3～8cm，厚度約為2m 左右，標(biāo)貫擊數(shù)為15～16擊；強(qiáng)風(fēng)化玄武巖主要特征如下：黑褐色、局部夾褐紅色，極軟巖 軟巖、斑狀結(jié)構(gòu)、氣孔狀構(gòu)造、風(fēng)化裂隙發(fā)育，巖芯呈密實(shí)砂質(zhì)粘土狀、堅(jiān)硬砂質(zhì)粘土狀、堅(jiān)硬膠結(jié)砂狀、半巖半土狀，局部夾中風(fēng)化巖塊；中風(fēng)化玄武巖：黑褐色、軟巖～較軟巖、斑狀結(jié)構(gòu)、氣孔構(gòu)造，主要礦物成分為輝石、長(zhǎng)石等，巖芯風(fēng)化裂隙發(fā)育，巖芯呈短柱狀、局部碎塊狀，錘擊較難擊碎，錘擊聲稍啞，據(jù)揭示鉆孔巖芯統(tǒng)計(jì)，TCR ≈90%、RQD ≈20%。同時(shí)考慮到生態(tài)保護(hù)要求，該工程海纜登陸段無(wú)法采用開(kāi)溝敷設(shè)和沖埋保護(hù)措施。

為解決海纜登陸段的敷設(shè)問(wèn)題，考慮采用非開(kāi)挖巖石水平定向鉆技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)海纜的敷設(shè)。該工程擬采用110kV、3×500mm2、外徑約200mm 的海底電力電纜。結(jié)合擬定登陸點(diǎn)位置和海島淺灘的地形、地貌和地質(zhì)條件，為避讓珊瑚礁區(qū)水平定向鉆的穿越長(zhǎng)度約為1000m。同時(shí)為加強(qiáng)對(duì)海底高壓電纜的保護(hù)，可采用鋼管作為保護(hù)管。當(dāng)考慮將雙回海底電力電纜敷設(shè)于同一洞孔時(shí)，為便于電纜敷設(shè)、減少海纜敷設(shè)時(shí)與管壁的摩擦，雙回海纜的包絡(luò)外徑約400mm，鋼管內(nèi)徑可取1.5倍包絡(luò)外徑600mm。穿越鋼管在回拖過(guò)程中，需滿足空管情況時(shí)在泥漿壓力作用下的徑向截面穩(wěn)定。

可按照下述公式進(jìn)行設(shè)計(jì)：Ps≤FdPyp;m=Dgw/2t;n=1/2f0;Pcr=2Es(t/Dgw)3/1-u2，其中，Ps為回拖施工時(shí)泥漿壓力（MPa），一般取1.5倍泥漿靜壓力；Fd為設(shè)計(jì)系數(shù)，一般取0.6；Pyp為鋼管能承受的極限外壓力（MPa）；σs為鋼管屈服強(qiáng)度（MPa）；Pcr為鋼管彈性變形臨界壓力（MPa）；Es為鋼管彈性模量（MPa），取2.1×105；t 為鋼管壁厚（mm）；Dgw為鋼管外徑（mm）；μ 為鋼管泊松比，按0.3計(jì)；f0為鋼管橢圓度（%），按4%計(jì)。設(shè)計(jì)軌跡的最大高差為45m。經(jīng)試算，當(dāng)鋼管壁厚t 取為12mm 時(shí)極限外壓Pyp為1.696MPa，Ps為0.81MPa。滿足Ps ≤FdPyp的條件。

2.3 泥漿的配置

在水平定向鉆的鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆孔的沖洗是其中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，鉆孔沖洗作業(yè)的優(yōu)劣在很大程度上決定著鉆進(jìn)速度的快慢。在長(zhǎng)距離的擴(kuò)孔施工中泥漿的作用尤其重要：維持鉆進(jìn)過(guò)程中洞壁的穩(wěn)定性；懸浮并攜帶鉆進(jìn)過(guò)程成的巖石碎屑；潤(rùn)滑、冷卻鉆具和鉆頭。根據(jù)泥漿中的成分，水基泥漿可為淡水泥漿、鹽水泥漿、鈣處理泥漿、低固相泥漿、無(wú)固相泥漿、充氣和泡沫泥漿。結(jié)合本工程的實(shí)際情況，需選用鹽水泥漿。但尚需對(duì)該地區(qū)的海水取樣進(jìn)行成分分析，并結(jié)合化學(xué)分析結(jié)構(gòu)選擇合適的鹽水泥漿配比。同時(shí)因?yàn)楹Ｋ泻}礦物成分較多，其中的含氮、氧、硫等離子與處理劑的金屬離子會(huì)發(fā)生絡(luò)合作用，使得在淡水中廣泛用于配漿的鈉膨潤(rùn)土在海水條件下無(wú)法造漿。因此，在配置鹽水泥漿時(shí)需改用海泡石和凹凸棒石等纖維狀抗鹽土膨潤(rùn)土。

2.4 導(dǎo)向和擴(kuò)孔施工工序

因鉆進(jìn)過(guò)程中泥漿是不可或缺的一部分，當(dāng)采用常規(guī)的水平定向鉆鉆進(jìn)技術(shù)時(shí)，若從海島射入、在海中淺灘處穿出，穿出點(diǎn)處可能易造成泥漿的泄漏、造成環(huán)境污染。為解決此問(wèn)題，可考慮采用正向擴(kuò)孔和單向返漿技術(shù)，在海島側(cè)鉆入、從海洋側(cè)穿出，從而實(shí)現(xiàn)海纜登陸段的敷設(shè)，步驟如下：

在海島側(cè)入土點(diǎn)處固定水平定向鉆機(jī)，準(zhǔn)備導(dǎo)向軌跡鉆進(jìn)。需注意的是，導(dǎo)向鉆進(jìn)時(shí)末端不鉆通；當(dāng)導(dǎo)向孔完成后，將鉆桿和鉆頭從入土點(diǎn)拉出。然后采用帶有泥漿馬達(dá)的正向擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行第一次單向返漿的正向逐級(jí)擴(kuò)孔，當(dāng)擴(kuò)口到末端封閉處停止；完成第二步后將擴(kuò)孔器#1和鉆桿從出土點(diǎn)拉出，更換擴(kuò)孔器#2再進(jìn)行第二次擴(kuò)孔，當(dāng)擴(kuò)口到末端封閉處停止；循環(huán)以上兩個(gè)步驟直至孔洞直徑滿足設(shè)計(jì)要求。本次擴(kuò)孔過(guò)程中將末端鉆通，同時(shí)為保證鉆進(jìn)過(guò)程中環(huán)保無(wú)污染，在海洋側(cè)出土點(diǎn)設(shè)置泥漿接收器、防止泥漿泄露。水平定向鉆孔洞貫通后，再將保護(hù)管拖入孔洞內(nèi)，完成電纜敷設(shè)通道。

綜上，長(zhǎng)距離、大直徑非開(kāi)挖水平定向鉆海纜登陸技術(shù)施工過(guò)程較為復(fù)雜，在施工前需做好以下工作：準(zhǔn)確的工作地質(zhì)勘探、合理的導(dǎo)向軌跡設(shè)計(jì)、保護(hù)管的計(jì)算和選擇、配置合適的泥漿、選取適當(dāng)?shù)你@頭和鉆具并做好泥漿的回收處理工作。