一种海底航道区域超深后挖沟的预备沟施工方法与流程

本发明涉及穿越航道海底管道施工作业，具体涉及一种海底航道区域超深后挖沟的预备沟施工方法。

背景技术：

1、在超大深度后挖沟前，需要保证海底管道落入管沟的长度满足超大深度后挖沟的要求，保证海底管道预留的长度在超大深度后挖沟后可以完全没入管廊内并能完成一定深度的自降。在正常的挖沟作业中，都不涉及到需要挖预备沟的问题。因为多数后挖深度只需达到1-3米，海底管道的长度完全够用，不会因挖沟而使海底管道产生悬空，但挖沟深度达到7米往上，就不得不进行预备沟施工，以保证超深后挖沟中下沉到海底的管道长度满足完全落入管廊的要求。

2、关于海底的保护性挖沟，现有的主要可归为以下三类：铺管前挖沟(预挖沟)、铺管中挖沟(边铺边挖沟)、铺管后挖沟。铺管前挖沟(预挖沟)，是在海底管道铺设前，在预计海底管道铺设位置左右5米之间的海底进行挖沟。根据原始的调查照片可见，原始的海床面多呈现凹凸不平、高低起伏甚至存在较大高差的样貌，若海底岩土较为坚实，为了防止海底管道铺设到海底后产生较大的悬跨，会提前对海底进行一定的预处理。保护铺设后海底管道的安全，在预处理的基础上，还要进一步拓深管廊，以保证海底管道可以埋入海底一定的深度，由海底的岩土或后期铺设的保护垫、抛入的块石砂土，为海底管道提供多一层保护。航道区域由于经常有船舶活动，会出现抛锚、意外落锚、意外移锚、船舶翻沉及坐底的情况，会导致海底面管道受到外力凹陷弯曲或破坏，所以必须预先计算分析海底管道覆土及保护层的厚度，从而确定挖沟方案。铺管前挖沟(预挖沟)的优点是在铺管船铺设海底管道之前进行施工作业，可以在作业工程中不用考虑已铺设管道的安全问题，施工方法较铺管中挖沟和铺管后挖沟都要相对容易，目前已知的预挖沟机可以采用喷射式雪橇挖沟机，管廊深度要求较大时可以采用耙吸船，水深较浅的可以采用驳船及挖掘机组合进行挖沟作业，极大程度的提高了挖沟的效率。铺管前挖沟(预挖沟)的缺点是挖沟后要尽快进行铺管作业，防止管廊受到海水流动及地质活动影响发生塌陷复埋，达不到保护性作用；同时预挖沟的缺点还存在预先定位和实际铺管位置不准确的问题，导致海底管道铺不进沟里。

3、预备沟施工从某种角度来讲与铺管前挖沟(预挖沟)有相同之处。预备沟的施工时间也是在海底管道未铺设之前进行，所以存在与铺管前挖沟(预挖沟)一样的优缺点。同样以保护铺设后海底管道安全为目标，但其施工目的不完全是为了进行保护性挖沟，更多是为了超大深度后挖沟做准备。在施工前，确定为超大深度后挖沟需预留的海底管道的长度，为预留该长度，设计备用沟的长度、宽度及沟型，进而确定施工方案及施工方法。

4、现有的方法无法解决在海底航道区域进行超深后挖沟的预备沟施工。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种海底航道区域超深后挖沟的预备沟施工方法。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种海底航道区域超深后挖沟的预备沟施工方法，包括如下步骤：

4、s1，依据超深埋设计划，以及海底管道承受弯曲、有效轴向力，计算确定预留海底管道总长度；

5、s2，依据预留海底管道的长度、航道分区以及海底地质状况的情况，同时方便超深后挖沟和起始挖沟，设计预先挖沟管廊长度及形状；

6、s3，依据计算预留海底管道的长度，以及设计预先挖沟管廊长度及形状，进行海底航道区域超深后挖沟的预备沟施工作业，同时对挖沟作业过程进行监控，得到作业过程中的检测数据；

7、s4，依据挖沟作业过程中的检测数据进行分析，判断海底管道管道悬跨数据、垂直梯度数据、局部应力、允许偏心率和疲劳信息是否超出预设值，从而确定修正挖沟或补挖方案；

8、s5，对预留海底管道及管廊状况进行最后一次调查，并将数据整理作为超深后挖沟和起始挖沟调查数据进行保存。

9、在本发明中，优选的，在步骤s1中，依据预埋计划，计算在目标位置之间的海底管道总长度，总长度为平行海底管道与斜坡连接管道之和，同时计算在海底管道铺设前预挖深度及过渡长度。

10、在本发明中，优选的，在步骤s2中，预先挖沟管廊长度及形状的设计，如下：

11、s21，承受弯曲、有效轴向力和外部过压的管道构件的设计公式：

12、

13、其中，

14、

15、s22，设计载荷公式：

16、msd＝mf·γf·γc+me·γe+mi·γf·γc+ma·γa·γc

17、εsd＝εf·γf·γc+εe·γe+εi·γf·γc+εa·γa·γc

18、ssd＝sf·γf·γc+se·γe+si·γf·γc+sa·γa·γc

19、式中，d为管道直径，t2为钢管壁厚，m为弯矩，p为外部压力，ε为应变，s为应力，γ及α为各种工况荷载等相关影响下的影响因数。

20、在本发明中，优选的，校核以海管长度25米长度，每次挖沟深度为1-1.5米为单位，分别进行校核，具体步骤如下：

21、s31，以海底管道每25米的管底标高数据，综合3d声纳实时成像系统对海底管道的位置监测，获取管道悬跨数据及垂直梯度数据；

22、s32，计算海底管道局部应力：

23、σlocal＝scfσnominal

24、其中，

25、

26、

27、s33，计算允许偏心率：

28、

29、s34，计算疲劳信息：

30、海底管道的设计s-n曲线为：

31、

32、式中，σ为管道应力，scf为应力集中系数，d为管道外径，t为管道壁厚，l为管道长度，δ为壁厚及椭圆度导致偏差，n为疲劳极限次数。

33、由此计算施工海底管道的疲劳极限次数n，并与实际施工的深埋挖沟遍数进行对比，挖沟施工次数小于n，则海底管道处于安全状态。

34、在本发明中，优选的，在挖沟深埋作业下放海底管道的过程中，使用3d声纳实时成像系统和船舶定位系统进行挖沟机定位和施工过程的实时监控作业。

35、在本发明中，优选的，本挖沟深埋作业采用水力喷射型挖沟机进行。

36、在本发明中，优选的，在下次挖沟机开始挖沟作业前，采用多波束调查法获取海底管道的管底标高数据，挖沟机依据管底、标高数据确定下次挖沟作业目标高度。

37、在本发明中，优选的，在步骤s1中，在铺设海底管道后，对海底管道内进行注水，以增加海底管道重量。

38、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

39、1、本发明的方法通过提取计算预留海底管道的长度以及挖沟管廊的长度和形状，保证在超大深度后挖沟前，海底管道落入管沟的长度满足超大深度后挖沟的要求，同时保证海底管道预留的长度在超大深度后挖沟后可以完全没入管廊内并能完成一定深度的自降；

40、2、采用3d声纳实时成像监控系统，免去了使用潜水员进行辅助作业的工序，减少了费用，节省了时间，降低了风险；

41、3、每一遍挖沟后都进行海管管底位置数据分析，及时的发现并修正悬跨问题，避免了继续挖沟可能产生的海管损坏风险，提高了深挖施工的质量。