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摘要：本文介绍了海底光、电缆安装套管后冲埋的趋势判断和需求分析以及带套管海缆登陆、后埋深段海缆套管安装、敷设。
关键词：海缆 玻璃钢套管 后冲埋 先敷后埋 埋设犁
1.技术背景
目前，于我国近海进行施工的海底光、电缆工程大多采用的是两端登陆点浮拖（或者底拖）光、电缆登陆，中间海域段光、电缆投放龙犁式埋设犁边敷边埋，最后由潜水员对两端登陆点的已敷海缆安装铸铁关节套管，然后人工冲埋到设计深度的传统施工工艺。而国际上普遍采用的是更为先进的先敷后埋施工工艺；该施工工艺的特点是，先将海缆敷设到海底，然后使用水下埋设机（或工作级水下ROV）对海缆进行后冲埋施工。与传统边敷边埋施工相比，先敷后埋施工具有以下几点技术上的优势：
（1）该施工工艺将海缆的敷设与埋深两道工序分开，时间上互不牵制，海上敷缆速度相比边敷边埋施工可成倍提高，敷缆施工时间大大缩短。因而在海上施工中因受到气候因素造成的威胁相对降低，在敷埋长距离，深海光、电缆施工中具有较大优势。
（2）该施工工法也能较容易的实现分段按设计要求调整埋设深度进行施工。
（3）该施工工法的特点导致在施工过程中对海缆造成的施工应力较小，同时，由于大量使用水下ROV以及各种先进的水下检测设备，在施工全过程中对施工应力的控制能力远超传统工艺，施工安全性较大，更适用于深海光、电缆的敷设施工。
浙东沿海地区多为山地丘陵海岸，海岸曲折，港湾深入，大量泥沙由长江倾泻入海，从而使浙东沿海形成了一种独特类型的基岩港湾淤泥质海岸。由于港口众多，航线密布，导致浙东沿海地区海底光、电缆多采用深埋处理，以防止锚泊损害；同时由于淤泥底部多基岩，尤其是靠近岸滩段区域，覆土层较浅，该区域海底光、电缆需要外套套管进行保护。若能在外套套管后进行掩埋，能极大加强海缆的保护，减少锚泊损害及地质损害的风险，增加海底光、电缆的使用寿命。
对于水深较大（大于10米），施工距离较长（数公里至数十公里）的海底光、电缆敷埋设工程，若要对海缆进行加装套管并掩埋，由于施工区域水深较大，距离较长，埋深要求太高，传统的潜水员水下冲埋施工工艺已不太适用本工程实际要求。而采用先大开挖后沉放海缆的施工工艺，存在开挖量大，成本高的问题。
鉴于先敷后埋施工工法具有的众多优势，有必要在现有技术水平条件下，研究一种可以对外套玻璃钢套管的海底光、电缆进行先敷后埋的施工工艺。
2.主要研究内容
（1）带套管海缆登陆
（2）后埋深段海缆套管安装、敷设
（3）海缆后冲埋设备加、改装
（4）带套管海缆先敷后埋
3.研究投入及部署
本工艺研究及试验共分为两个阶段：敷缆阶段和后埋深阶段。
其中敷缆阶段所需使用的设备较少，且为两阶段共同使用的设备；由于后埋深阶段所需设备较多，且完全覆盖敷缆部分所需设备，故先将敷缆阶段所需使用的部分设备安装到试验平台上，进行海缆敷设施工；待海缆敷设完成之后再将后埋设所需增加的设备添加到试验平台之上。
本项目采用建基603方驳作为试验平台。建基603方驳为甲板驳，长48米，宽12.5米，型深2.7米，型深2.7米，空载排水量1000吨，满载排水量1500吨。
以下分别是敷缆阶段和后埋深阶段所需使用的设备。
海缆敷设阶段设备一览表
后冲埋阶段试验平台布置示意图
4.工艺详述
4.1.带套管海缆登陆及后埋深段海缆套管安装、敷设
4.1.1.主要研究及设计思路
安装套管部分总体布置如下：自始端栈桥终端至2米水深段约200米范围内，路由间距较近，不便于试验平台进入并进行后埋法施工，故采用预挖沟海缆登陆沉放施工；终端侧约100米登陆端采用镇压保护措施；始端侧距登陆点200米外至10米等深线位置采用安装套管、先敷后埋法进行施工。
试验基本原则：
（1）考虑到套管长度较长，水下安装不便，不考虑潜水员水下安装套管施工；故登陆端部分海缆采用船上安装套管完毕后，浮运登陆的试验方案。
（2）使用充气轮胎浮运已安装套管的海缆存在巨大风险，故本试验方案更换泡沫浮子代替轮胎进行登陆段浮运。
（3）考虑到试验平台的设备条件，以及现场水域较为狭窄等实际情况，锚泊系统可靠性较差，采用托架保护进行套管安装、沉放的施工方案存在成本过大、锚泊系统安全存在隐患、敷设效果不能确定等缺点；故先敷后埋段部分套管考虑船上安装、浮运沉放的试验方案。
（4）考虑到先敷后埋方案可能对套管产生的破坏，以及试验用套管本身连接较不可靠，容易脱出，故考虑对先敷后埋部分套管采取加强连接措施；由于该操作为额外内容，为节约成本、减少操作时间，方案采用油门钢丝打倒扣（两节套管每边3道），玻璃封箱带缠绕固定的操作方式来完成。
4.1.2.试验方案设计
4.1.2.1.套管安装、沉放
登陆段为预挖沟段，实际操作将如下：
（1）试验平台定位在预挖沟末端，进行海缆登陆作业。
（2）套管在船上安装，登陆段套管安装不用油门线、封箱带加强。
（3）泡沫浮子在入水槽外安装；安装平台采用脚手管、槽钢、木板搭设，人员在亲水平台上安装浮漂；船上人员预先将两个泡沫浮子并排紧密绑扎连接，并递给平台上人员；平台上人员将泡沫浮子塞在海缆下方，使海缆骑在两个浮子中间，在用绳子将海缆与浮子绑扎连接。
（4）岸上留一组人，海缆登陆后负责拆除登陆的浮子。
（5）海缆登陆完毕后，在慢水时试验平台用网套锁住海缆，调整船位，将海缆大致拉直至沟槽上方，由小艇由岸及船拆除所有浮漂使海缆沉入沟槽。拆除浮漂时可先切断浮漂与海缆连接的绳子，再切断绑扎两个浮漂的绳子，使海缆落入水中（若能直接将海缆从浮漂上销出，可不必切断绑扎两个浮漂的绳子）；若在小艇上不便于切断绳索，也可由施工人员穿救生衣在水中完成绳索切断工作（前提是试验水域没有危险水生物）。
（6）登陆段终点处预先在海缆上安装网套一个，登陆段全部沉放完成后在先敷后埋段路由向始端方向延长线上抛1.5t海军锚一个，由潜水员下水将锚和网套连接，作为固端锚固。
4.1.2.2.先敷后埋段套管安装
先敷后埋段试验平台采用翻锚前进，一边前进一边安装套管，套管在船上安装。考虑到套管容易脱出，影响埋深操作，故使用油门线、封箱带对接头部位进行加强，即在套管连接球铰两侧套管管身部位用油门线打3个倒扣，并用封箱带缠绕，防止油门线松脱。
套管出入水槽后由亲水平台上的施工人员绑扎安装泡沫浮漂，具体操作如登陆段。
考虑到本次先敷后埋段较短，故考虑一次装完所有套管后再沉放，若在流速较快区域施工，也可考虑每安装100米沉放一次，以减小风险。
套管安装完毕后在慢水时试验平台用网套锁住海缆，调整船位，将海缆拉直（为确保拉力不致太大，损伤海缆，试验过程中可配备测力计），海缆余量可通过海缆弧度大小来判断，确保海缆不出现“s”弯，且弧度弦高满足余量指标。然后由岸及船拆除所有浮漂使海缆沉放至海床面。
为避免用小艇拆浮漂可能引起海缆偏移，拆浮漂工作须由施工人员穿救生衣下水操作。拆除浮漂时必须先切断浮漂与海缆连接的绳子，再切断绑扎两个浮漂的绳子，使海缆落入水中（不能直接将海缆从浮漂上销出）。若水深太大，海缆因自重下沉，无法在水面上切断绳索，则由辅助施工船如锚艇等定位，由潜水员下水以海缆为老千，逐个拆除浮漂。具体操作如下：
首先，锚艇在海缆已经下沉到底的位置两侧抛前后锚，然后由小艇从锚艇引一根缆绳到试验平台，通过这三根缆绳使锚艇定位至海缆上方，由潜水员下水，由岸及船拆除所有浮漂使海缆沉入海床。（若该段海缆较短，潜水员皮龙长度足够，潜水员也可从试验平台下水，沿海缆方向游至浮漂沉没位置，再由岸及船拆除所有浮漂）。
4.2.海缆后冲埋
4.2.1.海缆后冲埋方案
4.2.1.1.埋设犁
后冲埋用埋设犁采用原边敷边埋施工埋设犁，拆除边敷边埋所用的水力刀，换上先敷后埋水力刀。示意图详见下图：
后冲埋用埋设犁示意图
4.2.1.2.埋设犁上附属试验设备布置
埋设犁头部安装有水下摄像装置，同时根据现场情况，和潜水员要求，在埋设犁头部设置潜水员工作辅助架，以便潜水员能够在埋设犁头部监护、探摸海缆位置。
埋设犁除原有牵引位置外，另设两个牵引点，分别置于底部两雪橇头部，用于埋设犁左右小范围纠偏。
4.2.1.3.电测系统调试、安装
电测系统采用组态王系统。本次试验埋深设计为2m深度，鉴于管道埋设犁冲沟原理与光电缆埋设犁不同，且为减小损坏海缆的可能性，故埋设犁刀臂角度定位销销在2m位置，限位翻版试验过程中一直敞开；此时，埋设犁刀臂角度与雪橇之间的夹角为0~45°。
由于目前水力刀所配备的角度传感器量程范围为0~45°。传感器量程稍有不足，但仍处于适用范围，今后在试验或施工过程中应选用量程范围更大的传感器。
4.2.1.4.水泵及空气吸泥布置
水泵系统使用4台12v135 270m×φ150m3/h机动水泵。为增加开沟效率，本次试验空气吸泥装置配合水泵使用。
空气吸泥装置配置如下：9m3 /min空压机一台安置在试验平台中部布缆机位置，6m3气罐安放在试验平台船首扒杆脚，φ159mm*2冷风管安装在埋设机变幅臂尾部。
4.2.1.5.潜水探摸路由、设定桩标
正式后冲埋试验前，首先安排潜水员探摸已敷管线，目的有二：
（1）了解已敷管线水下状况，路由是否笔直，自於情况如何。
（2）在潜水监护下用脚手管插在海缆旁边海床上，50m一组，作为标记。
以上工作，均安排在海缆后冲埋前进行。
4.2.1.6.操作工艺
试验平台不抛设牵引锚，依靠4个定位锚移船。
试验平台根据潜水探摸所作的脚手管标志，配合DGPS定位动船。
投放埋设犁以潜水员监护为主，摄像头仅起辅助作用。
后埋深埋设犁刀臂角度定位销销在2m位置，限位翻版试验过程中一直敞开。
埋设犁投放完毕后，船位移至“1倍水深+5米”位置，初步移船完毕后，船首指挥安排专人在入水槽位置采用探杆戳探，指引调整船位确保船
头埋设犁牵引导向轮在海缆正上方。通过收绞埋设犁牵引卷扬机使埋设犁前进，每次绞进20cm，每进尺5米调整一次船位。
后冲埋过程中使用潜水员全程监护、探摸，此外，安排OTDR在终端侧保持监控，水下摄像头作为辅助手段进行监护。
4.2.1.7.试验情况总结
（1）试验平台可不抛设牵引锚，仅依靠4个定位锚移船。
（2）试验平台根据潜水探摸所作的脚手管标志，配合DGPS定位动船，取得良好效果
（3）投放埋设犁以潜水员监护为主，水下摄像头成像效果不显著，可弃用。
（4）后埋深埋设犁刀臂角度定位销设定在2m位置，限位翻版试验过程中一直敞开，根据监控数据反映情况决定冲埋的速度。电测系统在第一次试验过程中表现良好，水面操作人员可根据电测系统反映情况进行冲埋速度等的调整；在进行第二次试验中，发现电测系统工作异常，活动臂角度测量失准。经埋设犁起吊出水后检查，发现数据线发生磨损导致进水损坏。由于现场敷埋过程中行进速度较慢，且通过水面使用叉形探棒进行导航，埋设犁始终能够很好的在管道上进行冲埋，未发生过位置偏移，故试验后半阶段由原定每隔5~6米移船时检查一次埋深改为全程采用潜水员在水下监视埋深状况，并每隔5~6米移船时检查一次埋设犁头部海缆的状况，实际效果良好。
（5）埋设犁投放完毕后，船位移至“1倍水深+5米”位置，初步移船完毕后，船头指挥安排专人人在入水槽位置用特制探棒戳探，调整船位确保船头埋设犁牵引导向轮在海缆正上方。通过收绞埋设犁牵引卷扬机控制埋设犁前进，每次绞进20cm，其它锚泊定位用卷扬机不参与牵引埋设犁动作，仅在每进尺5米后调整一次船位，实际使用效果良好，埋设犁能在够探棒引导船位的情况下安全的在海缆上进行冲埋工作；上述情况证明通过准确在试验平台上确定海缆位置后依靠精确动船再牵引埋设犁的方案是安全、可行的；但是当水流速度达到0.8m/s以上时，探棒使用较为困难，应开发更先进的物探设备予以替代。
（6）后冲埋过程中使用潜水员全程监护、探摸，在水流速度达0.8m/s以上时，试验平台船首的探棒使用变得较为困难，改由潜水员在埋设犁头部探摸海缆指挥牵引埋设犁，实际使用效果良好；如有更先进的设备代替潜水员指挥牵引埋设犁则效果更好；证明通过水下精确观测海缆与埋设犁入口相对位置再指挥施工船操纵埋设犁的施工方法也是安全可行的，以后可以在逐步完善的基础上进行推广。
（7）现场安排OTDR在岸上终端站保持监控，全程未发生过一次危险情况，故OTDR未进行报警，但技术措施仍被认为是必要的、有效的。
4.3.试验效果
4.3.1.埋深速度
原计划埋深速度为1m/min。刚开始埋深时放慢速度，每分钟启动埋设犁牵引卷扬机一次，每次进尺30cm。实际进尺全部小于30cm。故实际埋设速度为0.2~0.3 m/min
4.3.2.开沟效果
根据潜水员探摸效果，证明水枪冲土（主要是砂性土），效果良好，两把刀片之间完全冲空。甚至只需要0.6MPa左右水压即能达到良好的破土效果，沟槽两侧无明显坍方迹象。
4.3.3.冷风吸泥效果
在试验过程中，发现冷风管经常出白水，经讨论认为原因有二：
（1）水力刀设置的反冲苗子影响了冷风工作；
（2）吸泥管太细，容易堵塞。
故现场立即采取补救措施，将埋设犁吊出水面进行改造：
（1）堵塞水力刀反冲苗子
（2）采用φ200δ4镀锌钢管代替原有吸泥管，增加吸泥管直径。
采取上述措施后，效果良好，基本达到或超过预计效果。
5.结论
通过以上试验证明，带玻璃钢套管海缆先敷后埋工艺是安全、可行的，可以在逐步完善的基础上进行推广。
论文作者:袁峰
论文发表刊物:《基层建设》2018年第24期
论文发表时间:2018/9/18
标签：套管论文; 潜水员论文; 船位论文; 水下论文; 平台论文; 位置论文; 效果论文; 《基层建设》2018年第24期论文;