陆-海水平定向钢管漂浮回拖下放S型施工技术研究

摘要

本文结合申能海南CZ2海上风电示范项目对其S型管道铺设过程建立力学模型，并采用有限元分析软件模拟管道在不同下放方案、悬浮段长度情况下的变形及应力情况，针对陆-海水平定向钢管漂浮回拖下放S型施工技术进行深入研究，旨在为海洋工程中海底管道或缆线敷设的发展提供有力的技术支撑。

01工程概况

申能海南CZ2海上风电示范项目位于海南省儋州市，如图1所示，水深在15米～25米之间，中心离岸距离约27公里，220千瓦海缆登陆段单回穿越总长度约1650米左右，共2回路，间距4.5米。入土点位于二级林地，高程约7.3米，出土点距离海岸线1400米左右。入土点附近表面为2.3米厚杂填土，其下为强风化玄武岩、中风化玄武岩以及强风化凝灰岩，岩层总厚度为26米左右，岩层下为黏土层。出土点处表面为厚度淤泥层，其下黏土层未揭穿。

图1项目概况图

02施工工况

项目受陆地道路交通管制因素，根据登陆段工程现场踏勘情况，选择陆地为入土点，出土点场地驳船设置在海上。在定向钻扩孔期间，回拖管道在陆上进行分段预制，预制完成后进行拍片、防腐，待扩孔即将完成时，同步采用拖船沿穿越轴线将预制管道拉至驳船附近段置于海床底部等待回拖。回拖示意图如图2所示。

图2 管道回拖示意图

定向钻穿越钻具与穿越管道连接时，需使用拖船将管道头和钻具头吊装到船上进行连接，避免水下连接延误时间过长，造成孔洞内局部塌方回拖力增大。一旦出现回拖力异常增大时，采用夯管锤助力回拖，进一步减小回拖风险。

由上述施工工艺分析可知，海缆托运至海面进行回拖施工期间，其下放线型控制极为重要，尤其是该背景工程海缆具有电压等级高，重量大，允许弯曲半径大，施工长度长等特点，基于对海缆结构保护的考虑，海缆下放线型是施工控制的关键所在。因此，本文开展对管道下放过程建模分析。

03海缆下放S型建模分析

钢管下放回拖阶段主要承受荷载为钢管自重、空管浮力、充水水自重荷载及洋流作用水平荷载。管道漂浮沉管区域，海水深度约20米，海流速度1.4米/秒，海水容重1.03g/cm3，土壤的地基系数3.06x104KN/m3，土壤的内摩擦角φ=15°。

为减小管道下放S型态产生较大应力及变形，结合项目经验拟提出两种回拖下放施工方案。方案一为管道内放置PE套空管，以减小充水率、净向下荷载，由于内部放置的PE套管连续，因此荷载分布也是在轴向均匀连续。方案二为在钢管上间断布置泡沫浮球，以增大钢管向上的浮力，浮球直径0.5米，长度1米，延钢管纵向间断布置。

3.1 模型建立

（1）匀质浮力模型

结合钢管内放置PE套空管，该方案符合匀质浮力模型，模型简化机理如图3所示。

图3 匀质浮力模型示意图

其中，L为悬浮段长度；a为悬浮段中充水部分长度；q1为悬浮段中充水部分单位长度所受力；q2为悬浮段中未充水部分单位长度所受浮力，H为水深。

（2）间断浮球抗浮模型

结合吊放浮球方案，该方案模拟简化模型如图4所示，此方案需在钢管着床拖拉进入管道之前需及时一个个割除临近洞口的浮球。

图4 间断浮球模型示意图

由上述匀质浮力、间断浮球抗浮模型可知，悬浮段中充水部分单位长度所受力和充水率相关为分析合理管道线形及受力状态，故在不同悬浮段长度下，分别考虑管道满水及相应充盈度充水进行多组工况分析。

3.2 内置PE管道充水匀质浮力模型分析

钢管下放回拖阶段主要承受荷载为：钢管自重、空管浮力、充水水自重荷载及洋流作用水平荷载。采用大型桥梁专业有限元分析软件midas civil建立三维杆系单元模型，φ813×20采用梁单元，考虑自重（程序自动计算）、浮力，充水荷载。由于下放过程，钢管已产生初始弯曲，同时后续连续灌水下沉，故采用叠加法考虑初始弯曲产生的初始应力，结合后续灌水时程工况产生应力及变形叠加，整体模型建立如图5所示。

（1）满管充水工况分析

考虑钢管初始弯曲，下放过程，考虑自重（程序自动计算）、浮力，充水荷载及洋流荷载组合作用，不同悬浮段长度情况下，三维建模计算钢管下放至接触河床应力不利时程应力及变形（图表省略）。

（2）70%充水率工况分析

应力及变形建模，有限元分析结果（图表省略）。

通过模型分析可知，考虑L水平长度增大后，长细比增大，钢管变形更加敏感，转角变形曲率更加平缓，自身弯曲变形产生应力相对较小，然而L跨度增大，充水荷载作用下对钢管跨中产生内力及变形也更加敏感。通过内置PE管后，控制钢管充水率70%，在悬浮段长度为200米时，钢管应力状态相对满管充水状态减小，满足要求。

3.3 间断浮球抗浮模型分析

为减少钢管充水后过大荷载造成的变形和应力，当在钢管上间断布置泡沫浮球，以增大钢管向上的浮力时，采用直径0.5米，长度1米浮球。结合以往实际工程经验及经济效益，采用延钢管纵向2米间断布置。由3.1节中所述，悬浮段长度作为影响施工关键参数，分别对L=55m、200m 两种不同工况进行对比分析（图表省略）。

通过设置浮球后，在悬浮段长度为200米时，钢管应力状态相对满管充水状态减小，结合浮球向上浮力，钢管变形呈S型，向上S段位移较大，应力满足要求。

04海-陆定向穿越施工技术研究

由于在海上条件受限，海对陆定向钻穿越作业无法实施，将浮运至海上的缆线与定向钻连接进行回拖穿越施工难度较大，因此研究相应的施工关键技术极为必要。

为此搭建了海对陆定向钻作业中托架系统，包括钻杆支撑及约束机构，且能够提供大回拖力，钻杆姿态能够适应海洋环境中的潮汐变化。具体工艺为首先将托架系统托架一端与出土驳船连接，调整托架与相对于海床面的角度并抛锚定位；其次利用托架回收从出土端出土的钻杆至出土驳船；撤离出土驳船和托架，将出土端的钻杆与海底管道连接，钻杆带动海底管道进入至钻孔内进行管道回拖。

最终根据理论计算结合工程实际，推荐项目采用了间断浮球的方式进行海底缆线S型回拖下放敷设的方式，如图6所示，以助力保障工程的顺利实施。

图6 间断浮球式海底缆线敷设施工图

文本研究成果为项目的实际施工提供了理论建议和施工工艺选型指导，背景工程目前处理前期施工准备阶段，暂未施工实施，接下来将进一步跟进，以项目实施实测情况反馈、验证理论计算成果的合理性，并结合应用实施情况修正理论计算结果。

05结论

01 针对漂浮钢管回拖下放，综合考虑自重、浮力、充水荷载、洋流力等组合作用，故模型考虑悬浮段长度为55米和200米的情况下，分别进行有限元分析。结果显示，在满管充水状态下，钢管下沉段呈S型，钢管变形弯曲处应力最大，最大应力303.9兆帕，已大于290兆帕。

02 为减小钢管应力，在采用内置PE套管在充水率为70%的情况下，钢管变形及弯曲应力最大应力270兆帕，小于290兆帕，满足要求。采用间断布置泡沫浮球方案时，浮球采用直径0.5米，长度1米，延钢管纵向2米间断布置。通过设置浮球后，钢管应力状态相对满管充水状态减小，结合浮球向上浮力，钢管变形呈S型，向上S段位移较大，钢管最大应力267.07兆帕，小于290兆帕，满足要求。

03 结合模型分析可知，考虑L水平长度增大后，长细比增大，钢管变形更加敏感，转角变形曲率更加平缓，自身弯曲变形产生应力相对较小，然而L跨度增大，充水荷载作用下对钢管跨中产生内力及变形也更加敏感。

04 本文的理论分析研究成果可为项目的实际施工工艺选型提供指导，所研究和阐述的海对陆定向穿越施工关键技术及海上定向回拖支撑及约束系统，具有满足高效率、低风险的陆-海定向穿越施工作业的能力。

作者简介

罗云峰，男，中共党员，硕士研究生学历，正高级工程师职称，国家一级注册建造师执业资格。现任上海市基础工程集团有限公司设计研究院总工程师，2023年度上海土木英才奖获得者。长期从事地基基础工程、地下工程施工技术研究开发工作，参建重大工程10余项，主持和参与完成科研项目近30项，其中省部级科研项目10多项，在一系列重大工程与重点科研攻关项目上取得创新成果。