浅析沿海海底天然气管道铺设管沟预开挖的施工工艺

浅析沿海海底天然气管道铺设管沟预开挖的施工工艺刘斌1曹恒方2中交天航南方交通建设有限公司摘要：国家建设的又一条天然气管道大动脉“西气东输二线管道工程”西起新疆的霍尔果斯，首次从穿越大海输气至香港，工程中海底管道部分全长19.67km，其中14.78km采用管沟预开挖工艺，预开挖后铺设天然气管道，年输气能力60亿m3。与传统航道疏浚相比，管沟预开挖具有坡比陡、沟底平整度要求高、管沟预开挖管道铺设后需抛石回填，对沟底部超深超宽值控制要求高、底宽窄等特点，本文重点分析并总结采用抓斗船进行管沟预开挖的工艺特点和质量控制难点，以利于在类似工程中借鉴和推广。关键词：管沟预开挖抓斗船工艺施工质量1、工程概况及特点西气东输二线管道工程（海底管道部分）第二标段里程编号从KP12.28～KP14.78，管沟预开挖长度为2.50km，工程量320万m3，该段包含跨铜鼓航道段和一般段，跨铜鼓航道段（KP12.28～KP13.6）开挖沟底标高至-27m，流泥、淤泥坡比1：7，粘土1：4，管沟开挖断面如图1；一般段（KP13.6～KP14.78）挖沟厚度至泥面以下7.5m，坡比1：7，管沟沟底挖宽为5m，施工平面布置如图2。图1管沟预开挖设计规格三维示意图（铜鼓航道段）本工程管沟预开挖除具有与传统航道疏浚不同的难点之外，还具有以下三个难点。一是工程需穿越现有铜鼓航道的，施工船舶只能采取夜间封航的形式施工；二是工程疏浚最大挖厚达24m，且坡比陡，管沟沟底窄，施工风险大；三是工程一般段与现有输气管线最近处仅相距100m，抓斗船施工下斗定位、抛锚时需采用安全防护措施。图2管沟预开挖施工平面布置图2、管沟预开挖的实施2.1抓斗挖泥船工艺原理抓斗挖泥船通过抓斗的自重切土挖泥。先由驾驶员在空中张开空斗，然后下放斗，依靠斗自身的重量切入泥层，根据斗缆刻度控制开挖深度，驾驶员操作闭合泥斗，将装满疏浚土的泥斗提升至水面以上，转动斗臂将重斗移到泥驳上方，开斗卸泥，然后再反向转动斗臂再将空斗抛入下一个开挖点。每斗开挖过程可总结为：张开空泥斗抛入开挖点闭斗切土提升重斗转动斗臂将重斗移到泥驳上方开斗卸泥反向转动斗臂再将空斗抛入开挖点。抓斗挖泥船左右两侧均可停靠泥驳，待一侧泥驳装满后，抓斗船继续往另外一侧泥驳进行装驳作业，满驳泥驳按规定航线，航行至指定区域进行抛卸，抛卸完毕后返回至抓斗船等待装驳，如此循环作业。泥面线泥面线水位挖泥船泥驳挖泥船图3抓斗船施工示意图2.2管沟预开挖的施工工艺2.2.1核心施工工艺（1）开挖流泥土质的施工工艺抓斗船分2m一层开挖，区域内全部上一层施工完成后，再进入下一层施工；坡比由设计的1：7扩大至1：10开挖，避免后期流泥大量回流，抓斗船宜用大型斗（≥8m3）；（2）开挖淤泥、粘土土质的施工工艺开挖淤泥时，抓斗船分2m一层开挖，坡比按设计1：7控制开挖。开挖底部4.5m厚粘土土质时，坡比按设计坡比1：4绘制后每边缩进1m控制开挖，且抓斗船宜用小型（≤6m3）重斗（≥40T），防止超挖。（3）开挖质量层的施工工艺采用小型重斗施工质量层，缩进2m边坡定深开挖。管沟开挖底设计宽度为5m，左右两边各超宽2m，采用小型（≤6m3）重斗（≥40T），定深（-27m+实时潮位）开挖一遍，再采取闭合抓斗沉入-27m沟底，摆动吊机旋转平台让斗在沟底拖动一遍，整平沟底。图4质量层开挖示意图2.2.2抓斗船工艺流程关键点控制（1）斗的平面位置定位抓斗挖泥船配备先进的中海达定位定向GPS，由相应的挖泥操作软件显示船舶斗的位置，同时将施工区平面绘制成开挖布斗图导入挖泥操作软件中。施工前，由项目测量队对抓斗船斗位进行校核，核定准确无误后开始施工。（2）管沟预开挖质量控制施工过程中，通过定期的多波束测深仪测量抓斗船开挖深度，根据测图进行施工质量分析，在管沟未开挖至设计标高前，主要分析开挖的坡比是否稳定，月度管沟的回淤强度。在管沟开挖至质量层后，采用一岗三测制度，即由驻抓斗船施工管理人员采用水砣对抓斗开挖深度在一岗中进行三次检测，根据检测结果调整斗的下放深度。（3）管沟沟底深度及平整度检测由于管沟底宽窄，多波束及单波束等测深仪器无法正常反映实际开挖深度。管沟深度及平整度检测方式采用水砣在平潮位时测量，水砣制作的规格是直径5cm，长度为45.5cm的实心圆柱型铁块。水砣采用钢丝绳连接，直径约4mm，长度为35m。图5水砣示意图3、管沟预开挖的安全环保措施3.1与现有输气（崖13-1）管线并行段安全措施一是管沟预开挖前校核GPS进行平面位置，核对抓斗开挖位置是否准确；二是在距离崖13-1管线约30m处（管线北侧）设置警示浮漂，浮漂由警示旗和自亮灯组成；三是在自航起锚艇上增加一套GPS定位设备，用于准确抛锚固锚，通过GPS定位设备及其电脑导航准确抛锚；四是如下图所示，在距离崖13-1管线远端（KP13.8至KP14.38段）缩短锚的布设距离，锚抛设在距离崖13-1管线50m及以上。在距离崖13-1管线近端（KP14.38至KP14.78段）加大锚的布设距离，锚跨过崖13-1管线抛设，距离崖13-1管线60m及以上。图6崖13-1管线并行段区域位置示意图3.2与现有铜鼓航道交界段安全措施铜鼓航道内管沟预开挖采取当日18时至次日6时封航施工，其余时段不开工的施工方案。同时成立专项协调小组，由海事局指定单位安排2艘监护船分别在施工区外约1km处抛锚警戒，明确监护船职责和警戒措施，防止船舶驶入航道，如下图所示，两处红色船名为监护船。图7铜鼓航道施工警戒示意图3.3施工环保措施3.3.1在抓斗船艏设置淤泥屏障，使抓斗带起的悬浮物在包围圈内迅速沉淀，限制混浊水在防污屏内，减少屏外水的混浊程度，控制混浊水扩散。图8抓斗船设置淤泥屏障3.3.2采取有效措施，集中油污、污水并妥善处理，严防油污、污水泄漏到施工水域中。加装燃、润油时做好全过程管理，做好溢油事故的应急处理方案。3.3.3在施工水域和生活区的垃圾，设置可回收和不可回收箱，联系当地海事部门妥善处理。4、结束语4.1针对管沟预开挖表层流泥土质，宜采用大型抓斗船开挖（斗容≥8m3）并适当加大开挖宽度，预留后期回淤及流泥的回流风险，如本工程中将流泥1：7的坡比加大至1：10控制开挖。4.2管沟底部4.5m厚有抛石回填区域的开挖，坡比宜按设计坡比1：4绘制后每边缩进1m控制开挖，同时采用小斗容重型抓斗船（斗容≤6m3、斗重≥40T）。4.3管沟预开挖的底部质量层施工，宜选择小斗容重型抓斗船（斗容≤6m3、斗重≥40T），采