天津俊昊海洋工程有限公司 天津 300459
摘要：直接裸置海底的管道，包括立管和悬空的管段，在波流的作用下，可能产生涡激振动，进而致使管道损伤和破坏。应对此类管道悬跨问题，我们通常采用路由布置规避法，抛石法或灌浆袋法，疏浚/挖掘法，机械支撑法，加设导流板法等进行管道自由悬跨的修正[1]。本文阐述的方法是通过后挖沟措施使管线整体下沉，从而达到治理悬跨的目的。同时，还重点阐述了挖沟机在海管挖沟技术中的应用。
关键词：舟山大陆引水一期输水管线；裸露；悬空；应力；后挖沟；挖沟机
引言
舟山大陆引水一期工程海底输水管道于1999年5月开工，2001年8月铺设完工。该管道从宁波镇海澥浦至舟山本岛马目黄金湾海塘，设计管顶埋深1m。海底管道材质为Q235B，钢管壁厚14mm，外径1020mm，设计输水能力为1m3/s。
专项调查数据显示：舟山大陆引水一期水管出现多处裸露。需要对管顶埋深不足的区域进行治理。
1管线悬空裸露历史资料分析
1.1海底管线大范围裸露原因分析
一期水管产生裸露及悬空主要由以下原因造成：
海床表面的凸凹不平，大的坡度；
管道、波流、海床土壤的相互作用，海水对海底的冲刷[2]；
浅层气溢出导致海管裸露；
周边工程对管线路由水域冲淤影响；
1.2 2016年全线挖沟治理完成后管线埋设情况；
一期水管从KP8.0至KP8.3和KP8.8至KP9.2出现两段裸露，管道出露长度分别为300m和400m。一期水管从KP9.5开始至KP11.8，管道连续出露，总计长约2.3km。从KP22.4开始至KP24.5处，出现了横跨约2.1km连续出露。此外，在马目登陆段KP31.2处，出现了一段长达818m的裸露。
1.3治理范围的说明
一期水管需要进行后挖沟沉管施工的范围为KP7.9~KP9.2和KP9.5~KP32.5，需要进行后挖沟沉管施工的总长度为24.3km。
2悬空区域管道的后挖沟应力分析
2.1管线基础参数
2.2单次最大后挖沟深度分析
铺设至海底的管道进行后挖沟时，管道临时处于一个坡型的海底面上，会随海底面形成一个双弯曲的形状，海底管道上产生附加的弯曲应力。单次最大后挖沟深度分析的主要目的是通过计算不同挖沟深度情况下海底管道的最大弯曲应力σm，得到满足规范许用应力为72%σF（其中σF为海底管道的最小屈服强度）情况下的单次最大后挖沟深度。
管道挖沟深度为1.2m时弯曲应力为164MPa，刚好满足规范许用应力169MPa，因此单次极限后挖沟深度为1.2m。根据计算分析结果，为保证沉管施工安全，考虑后挖沟沉管施工误差影响，需要给管道应力预留一部分安全余量，因此单次最大允许的后挖沟深度按0.7m考虑，此时管道弯曲应力为121MPa。
同时采取有限元软件SAGE Profile 3D进行了单次最大后挖沟深度的计算。单次后挖沟深度0.7m，此时管道弯曲应力为110MPa，满足规范要求。
2.3施工方法
本项目管径较大，根据海管不同工况下的允许最大悬跨长度及上节应力分析计算，确定一次后挖沟的最大沟深不超过0.7米，所以本项目挖沟将通过多遍后挖沟方式达到海管埋深。后挖沟过程中通过声纳时时监控及调节后挖沟压力大小控制后挖沟控制单次挖沟深度，确保海管安全。
对于管顶埋深1m的区域（KP7.9~KP9.2/KP9.5~KP21/KP31~KP32.5），考虑2次沉管到位。
对于管顶埋深1.5m的区域（KP21~KP31），当原始海管埋深在0.3m以上时，2次沉管到位，其余3次沉管到位。
由于一期管线强度低、运行时间长，施工方应按要求做好过渡段的处理。在管线起始和结束区段，避免已挖区段和未挖区段的高差造成管线应力集中，采用平稳过渡。
一期管线后挖沟需要跨越金塘、西堠门和烟墩作业区三通过的个航道，施工方应按照海事局评审通过的专项施工方案施工，包括警戒船的配置和警戒方案。
3施工工艺流程及相关技术应用
后挖沟作业施工流程
?船舶就位：主作业船在起始挖沟作业点抛锚就位
?挖沟机就位：挖沟机导向腿骑跨在管线上
?正常挖沟作业：启动挖沟机设备、收放锚缆、行船开始挖沟作业
?挖沟停止、回收：停船、停泵，挖沟机回收至甲板固
?船舶撤离：回收作业锚，拖轮拖带撤离施工现场。
3.1挖沟机作业原理
挖沟机首先利用前端的中压射水对管线底部及周围泥土进行切割、分块，后由轴流泵产生的大流量喷冲水流，对管线底部及周围泥土进行冲刷，使管线周边土壤液化，液化土溶液一部分随喷冲水流冲出沟外，另一部分由气举装置排出沟外，从而形成管沟。管线在自重的作用下，沉入沟中。从而完成沉管作业。
3.2挖沟机系统工艺流程图
3.3声纳测量技术
后挖沟作业过程中，挖沟机的就位、挖沟断面及深度的判断、沟形记录都是通过声纳实现。目前，在水下测量中使用最为广泛的是声学测量技术。由于水介质的特殊性，声波在水中有较好的传播性能，声学测量是利用换能器将电信号转换成声信号向水中发射，声信号在遇到物体后反射，再通过换能器将声信号转换成电信号，由电子信号处理系统加以处理后在显示器上显示。
挖沟作业时，声纳的主要工作就是检测管线，监视管线挖沟并记录数据。挖沟时由于噪声、气泡及海流等原因，声纳设备显示的图像可能被噪声淹没，导致沟形无法分辨，这时可以通过调节增益、门限等参数来改善显示效果。
3.4张力监控技术
张力监控采用轴销式传感器以及智能数字控制仪，可对受力钢丝绳进行无损测量，并实时显示张力，同时可通过计长装置记录牵引绳索收放长度；
智能数字控制仪有安全报警功能，设定安全张力后，如作业过程中牵引力超出设定的安全张力将发出报警。
结论
本次主要完成作业：KP7.9~KP9.2，KP9.5~KP21，KP31~KP32.5管顶埋深1m。KP21~KP31，管顶埋深1.5m。
最后采用SAGE Profile 3D软件对KP7.9～KP32.5后挖沟沉管施工后管道进行管道后挖沟沉管完工状态的管道应力计算，对管道的应力进行复核，满足规范要求。
参考文献
[1]DNV RP F105，free spanning pipelines.2007
[2]DNV OS F105，submarine pipeline systems.2005
论文作者:高钒铭
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第22期
论文发表时间:2018/11/14
标签：管道论文; 管线论文; 作业论文; 应力论文; 海底论文; 深度论文; 舟山论文; 《建筑学研究前沿》2018年第22期论文;