跨航道海底油品管道覆蓋層設計與施工

陸治周，鄒子豐，尹建雄

（中交四航局第一工程有限公司，廣東 廣州 510450）

0 引言

國內離岸油碼頭管道接岸設計，一般采用管道路線避讓航道或建造管道棧橋的方式，但前者往往會增加管道長度及工程投資，后者則多用于碼頭離岸距離不大的情形且不跨航道[1-2]。當避讓航道或建造管道棧橋均不能或不便實施時，為使航道在管道施工期受到的影響小、在管道運營期不受制約，修建海底管道是跨越航道更為合適的方式。穿越航道的海底管道面臨著諸多風險，通常采用“堆石覆蓋保護法”進行管道保護[2-3]。需要解決的問題是，管道設計需要滿足不屈曲、抗浮、控沉降以及預防意外撞擊等，也應盡可能少地占用航道水域的范圍和時間。這就要求，跨航道海底管道需要埋入具有足夠承載力的地層或預處理的溝槽，再采用一定厚度的覆蓋層加以保護，但此類工程覆蓋層施工可參考的案例較少。

1 工程概況

某新建油碼頭為離岸式，其油品輸送管道路線通過1.2 km 埋入式海底管道跨航道接岸，將油品輸送到陸上罐區。航道呈東西走向，寬300 m、底高程-15.1 m，北側為既有碼頭和岸線，南側為新建油碼頭；海底管道從墩臺到岸線呈南北走向，與航道斜交，夾角58°，海底管道與航道相對位置如圖1 所示。

圖1 海底管道與航道相對位置Fig.1 Relative position of subsea pipeline and channel

海底管道共5 條，分別用于輸送航空煤油、柴油、重油/原油、汽油和液化石油氣6 種油品，對應直徑為813 mm、813 mm、965 mm、914 mm和610 mm；原油/重油管采用雙層管+犧牲陽極防腐，其它油管采用3 層聚乙烯（3LPE）+犧牲陽極防腐；業主要求覆蓋厚度不小于5 m 且施工期盡可能減少對港口作業的影響，海底管線保護層設計典型斷面見圖2。

圖2 海底管線保護層設計典型斷面圖（cm）Fig.2 Typical section of the design of subsea pipelines protection overlay（cm）

管道采用托架集束預制后整體拖拉入水，管束就位預處理溝槽后，需及時覆蓋防護，避免管線長時間裸露導致浮起、扭翹；同時，降低施工或港作活動意外墜物刮碰、撞擊而造成管道損傷風險?；靥钌盀橹写稚?，含泥量＜15%，內摩擦角＞25°，回填碎石和塊石參數分別見表1、表2。

表1 碎石回填料參數Table 1 Parameters of crushed stone backfill materials

表2 塊石回填料參數Table 2 Parameters of amour rock backfill materials

2 覆蓋層結構設計

2.1 屈曲分析

設計合理厚度的覆蓋層，可以防止管線由于其內力和過大的土壤反力相互作用而造成在位屈曲變形。根據標準DNVGL-RP-F114《海底管道樁土相互作用》[4]，覆蓋層浮重作用下，管線上升力按式（1）計算。

式中：γ′為回填料浮重，取1 000 kg/m3；H 為管線埋深，取3.0 m；D 為管道直徑，m；f 為覆蓋層回填料浮重系數，對于砂石回填料，取0.6～1.0。

根據標準DNV-RP-F110《海底管道整體屈曲分析》[5]第7.4 節，按式（2）計算管線屈曲下沉力。

式中：S0為管線軸向力，kN；δ 為管槽平整度，m；wp為管道浮重，kN；EI 為管道彎曲剛度，MN·m2。

基于DNV-RP-F110 及DNVGL-RP-F114 計算的屈曲分析結果見表3。

表3 基于DNV-RP-F110 及DNVGL-RP-F114 的屈曲分析結果Table 3 Up-heave buckling analysis result based on DNV-RP-F110 and DNVGL-RP-F114

根據文獻[6]第22 屆年度海洋技術論壇（OTC）上的研究成果，按式（3）進行復核，結果見表4。

表4 基于OTC 及DNVGL-RP-F114 的屈曲分析結果Table 4 Up-heave buckling analysis result based on as OTC and DNVGL-RP-F114

式中：?W為無量綱海管浮重；?L為無量綱屈曲長度；w 為海管單位重量，kg；h 為管槽平整度，m；P為管線的最大軸向力，kN；L 為屈曲段波長，m。

表3、表4 結果顯示，在管槽平整度誤差達到0.5 m 的情形下，覆蓋層回填料的上升力遠遠高于可導致管線屈曲所需的下沉力。管槽開挖后拋填中粗砂墊層并耙平預處理，且要求平整度達到±30 cm。因此，3.0 m 厚覆蓋層回填料不會導致管線屈曲。

2.2 沉降抗浮分析

2.2.1 施工沉降

航道處海管溝槽從原海床-15.1 m CD 開挖至-26.0 m CD，疏浚厚度接近11 m，而覆蓋層回填厚度僅3.0 m。因此，管線上的回填料浮重遠小于挖走的疏浚料，海床的長期沉降可以忽略。

基于GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》，結合地質報告，對海管跨航道處ZT07、ZT08鉆孔點，按式（4）進行施工沉降分析，結果見表5。

表5 管槽基礎施工沉降分析Table 5 Settlement analysis of pipe trench foundation construction

式中：s為地基最終變形，mm；s′為分層總和法算出的地基變形量，mm；φ 為沉降計算經驗系數，Es＜2.5 MPa 時取1.1～1.4，2.5 MPa≤Es＜5.0 MPa時取0.7～1.0；P0為基礎底面處的附加壓力，kPa；Esi為第i 層土的壓縮模量，MPa；zi為基礎底面至第i層土底面的距離，m；αi為基礎底面至第i 層土底面的平均附加應力系數；wsb為回填料浮重，取10.6～13.5 kN/m3；wsc為海床原狀土浮重，取6.3～10.2 kN/m3；tb為回填料厚度，取3.0 m；tc為溝槽開挖浚除的原狀土厚度，取11.0 m。

可見，管槽基礎最大施工沉降位于ZT07，僅為22.5 mm，不影響管線的穩定。

2.2.2 抗浮分析

通常，管線在回填料中不會上浮，除非回填料全部為砂且全部液化而對管線形成足夠的浮托力?；跇藴蔇NVGL-RP-F114《海底管道樁土相互作用》[4]，按式（5）進行抗浮分析，計算結果如表6 所示。

表6 管線抗浮分析結果Table 6 Anti-flotation analysis for subsea pipelines

式中：Qv為管線上浮力，N/m，應等于或小于管線浮重，否則上??；γ′為回填料浮重，取1000kg/m3；Nq為承載系數；Nγ為承載系數；D 為托架滑靴管直徑，m；z 為管線埋深，m。

可見，浮沉比遠小于1，因此，回填3.0 m 厚碎石和塊石組合覆蓋層后，管線不會上浮。

2.3 撞擊吸能分析

管線拖拉就位溝槽后，需及時回填，增加壓載配重，減少其暴露時間。同時，先拋的碎石層可吸收塊石拋填產生的沖擊能量，避免管道3PE涂層及管道自身直接受到塊石撞擊。

在海底管道受到的各種損傷、毀壞威脅中，船舶落錨、丟錨以及其它墜物等的撞擊屬于偶然性載荷破壞，是造成海底管道破壞的主要原因之一[5]?；诤降澜箳佸^，選取護面層最大規格500 kg 的塊石作為墜物撞擊管線的吸能分析對象。塊石從水面直拋、下沉，受到重力以及排水阻力和流動阻力作用，若水深足夠，理論上達到極限速度后勻速下沉，此時沖擊能量最大。參照標準DNV-RP-F107《管道保護風險評估》[7]，利用劉歡等[8]、侯靜等[9]研究的算式及試驗結論，進行撞擊吸能分析，結果見表7。

表7 管道自身及緩沖層抗沖擊驗算結果Table 7 The result of checking the impact resistance of pipeline and protection overlay

表7 的結果顯示，260 cm 厚碎石層可吸能3 247.4 kJ，遠大于塊石撞擊能量24.3 kJ。此外，侯靜等[9]所做室內及現場沖擊試驗驗證，3LPE 防腐涂層厚3.05 mm 可承受最大沖擊能量為41.97 kJ，也大于24.3 kJ，碎石拋填不會損壞管道外防腐層；GAUDIN 等所做的“離心”試驗報告[11]顯示，1.0 m 厚的堆石保護層即可保證5 t 錨在拖曳時偏離原垂直指向管線的拖曳軌跡，安全越過管線。

3 覆蓋層施工工藝

海管溝槽開挖完成，在海管安裝前回填中粗砂并整平；海管鋪排就位后，先后進行碎石、塊石填筑，形成覆蓋層，保護管線在位穩定。不同于海洋石油工程，該跨航道海管覆蓋層填筑不適宜采用專業拋石船落管拋石法；結合航道水域深度、寬度條件，經比選，采用自航平板駁+浮式下料管回填及自航開體泥駁直拋回填工藝，見表8。

表8 海管覆蓋層填筑工藝對比Table 8 Comparison of backfill technology of sub-sea pipeline protection overlay

3.1 浮式下料管回填

海管溝槽墊層中粗砂回填采用浮式下料管法。下料管同自航平板駁分離，浮排承載下料管及其漏斗并側靠平板駁，根據船舷邊甲板上的標記人工移動浮排、輪換拋填點位。

其工藝流程為：填料進場驗收、裝船→駁船定位、拋錨→浮式下料管就位→挖機取料、投喂→打水測深、記錄、分析→繼續投喂下料或移動下料管至下一輪填點→如此循環，直至當次船位對應網格點全部回填到位→絞纜移船、再定位、再拋→直至當船載量填料回填完畢或全部點位回填完畢。

此種工藝施工方法靈活，可顯著提高拋填精準度和填料留存率，浮式下料管構造見圖3?；靥顣r，控制下料管口離底4 m 左右。自航平板駁型長79.8 m、型寬19.0 m、型深4.5 m，中型反鏟挖機斗容1.4 m3，浮排2.0 m×1.5 m×0.3 m、漏斗容積約1.6 m3、下料管管徑100 cm。

圖3 浮式下料管構造圖Fig.3 Structural diagram of floating feed pipe

海管溝槽回填中粗砂后采用雙滾輪寬幅耙平器配合拖輪進行耙平，聲吶掃測結果顯示：橫軸向平整度誤差約±22 cm、縱軸向平整度誤差約±30 cm，滿足設計要求。

采用浮式下料管法回填，需仔細計算各拋填網格的定位坐標和回填量；隨時復核駁船位置及下料管坐標，避免超填；需根據潮位，控制下料管離底距離，避免過低造成回填料“堆憋”管口或過高造成回填料漂移過大。

3.2 自航泥駁直拋回填

覆蓋層碎石、塊石采用自航泥駁直拋回填，解決浮式下料管法回填工效的局限，定位駁+泥駁直拋定位布置見圖4。

圖4 駁船定位布置圖Fig.4 Barge positioning layout diagram

其工藝流程為：定位駁定位、拋錨→自航泥駁按量裝載填料、航行→自航泥駁側靠定位駁船尾→復核定位駁船位→泥駁開體卸料、回填→泥駁合體、返航→打水量測、記錄、分析→定位駁移船、下一拋點定位，如此循環，直至所有拋點完成直拋回填。

根據掃海數據，碎石按照泥駁沿管溝中軸線直拋，擴散后覆蓋5 條海管（頂寬約10 m），且未有明顯集中堆積；塊石按照中軸線兩側各1 條船進行拋填，由于塊石層僅110 cm 厚，需控制單船方量250 m3、軸線左右各1 船、共2 船/網格，實測塊石擴散僅5～7 m 左右，剛好覆蓋管溝寬度。

采用自航泥駁直拋回填，需根據泥駁倉容合理劃分拋填網格和計算每船裝載量，裝載時應均布在泥艙中線兩側且自然堆積、不必攤平，以便開體卸拋時回填料基本同步卸落、均勻入槽。

3.3 實施效果

1）結構設計合理

海管覆蓋層由內、中、外3 層調整成內、外2 層組成，厚度及側邊坡比不變；260 cm 厚碎石層足以吸收塊石拋填產生的沖擊能量，同時，碎石拋填過程也不會損傷海管及其防腐涂層。

此外，采用中粗砂的綜合成本比采用碎石的綜合成本有明顯優勢時，亦可維持原結構設計；同時，采用浮式下料管回填砂會增加一定的工期。

2）工藝實施成功

浮式下料管法回填使得中粗砂精準落在管溝內部，存留率由試拋（直拋）時的約35%提升到了約80%，擴散范圍由超過50 m 縮小到10 m 內，大部分中粗砂都落在溝槽基底及邊坡上，實際平均工效約205.4 m3/d，達到了海管溝槽回填預處理的質量和進度預期。

自航泥駁直拋法回填碎石和塊石，按斷面及網格計算量裝載直拋（碎石510 m3/（船·拋點）、塊石250 m3/（船·拋點）），綜合考慮陸上供料、裝船及航道作業等因素限制，碎石每天最多拋填3船、日均工效約1 500 m3/d；塊石每天拋填2 船、日均工效約500 m3/d，回填工效顯著提高。

多波束測深儀掃測結果顯示，緩沖層碎石拋填斷面全部覆蓋了海管，但兩側坡腳局部侵入了護面層斷面，最大處接近40 cm；護面層塊石各掃測斷面尺寸均超過了設計斷面，局部超填明顯，最大處約55 cm，但未突出航道海床面，亦不存在欠拋。

4 結語

1）進行跨航道海底管道工程設計時，應進行管線屈曲、抗浮、吸能等分析，確保海管施工期不被損壞、運營期在位穩定。

2）綜合考慮海床特征、回填料參數及現場資源情況，簡化海管覆蓋層結構分層數量，增加施工的可操作性，也利于質量、進度管控。

3）對于回填平整度要求較低、浪流條件較好的港內工程，采用自航泥駁直拋法回填海管覆蓋層，可顯著提高回填工效，減少航道占用時間。

4）該跨航道海管覆蓋層的設計與施工具有一定的代表性，溝槽基底平整度誤差、覆蓋層結構組成及尺寸、回填料參數、回填工藝等方面，值得借鑒。