海底数据中心示范项目海缆登陆施工技术研究

胡绍峰 蒲 定 李均波 陈希恰 苏 洋

（深圳海兰云数据中心科技有限公司，广东 深圳 518052）

0 概述

海底数据中心示范项目是深圳海兰云科技有限公司在陵水清水湾海域投资建设的项目，其中海底数据中心的电力及光信号传输主要通过海底光电复合缆将电力和信号从岸上传递至水下的数据舱。项目登陆沙滩为旅游沙滩，且在近海区域有珊瑚栖息区，传统明挖法会破坏生态及海域、沙滩及防护林的施工污染，对环境的影响比较大[1]。综合考虑，这次项目选择采用非开挖水平定向穿越的施工方法进行海缆登陆施工作业。

非开挖水平定向穿越施工是20 世纪70 年代逐渐开始在给排水、电力、燃气等不宜采用开挖施工领域的管道敷设中应用的[2]，在海洋工程的陆海施工中也多有应用[3]。该文以海底数据中心示范项目海缆登陆段施工所采用的陆海定向穿越技术为例，对陆海定向钻穿越的施工设计与施工工艺进行介绍。

1 陆海穿越定向钻施工设计

1.1 地质岩层特征

该工程对穿越路由上的地层进行钻孔取样，得到的场地岩土层特征如下所述。

第①层中砂：松散，局部稍密状，标贯实测击数为8~13击，平均击数为9.4 击，fak=130 kPa，该层含黏粒较低。

第②层黏性土：可塑状，标贯实测击数为9~18 击，平均击数为13.3 击，fak=160 kPa。该层局部含有风化完成的花岗岩石块及孤石。

第③层强风化花岗岩：岩体基本质量等级属Ⅴ类，重型动力触探实测击数为10~19 击，平均击数为14.2 击，fak=350kPa。水平钻施工时须更换钻头或其他有效方法进行施工。

第④层中风化花岗岩：岩体基本质量等级属Ⅱ类，fak=4000 kPa。

1.2 穿越曲线设计

该工程定向钻施工入土点设在岸边，考虑到定向穿越的路径有防护林及沙滩等多种类环境条件，尤其是防护林与沙滩之间的高差有近10 m，所以这次穿越曲线的设计将入土角度控制在13°以内，出土点位于海上水深4 m~5 m 处的位置，出土角为6°左右。穿越长度为800 m 左右，穿越地层为中风化岩层。

1.3 海缆保护管选型及回拖力计算

该工程中定向穿越的地质条件为中风化岩层，如果后续海缆直接回拖可能会造成海缆的外护套损伤，所以需要在定向钻穿越施工完成后，在穿越路由安装1 根管材，保障海缆回拖安全。在工程中常见的定向穿越的海缆保护管分为2种，一种为无缝钢管，一种为高密度聚乙烯管材（简称PE管）。考虑到钢管回拖施工，须将钢管分段运输到船上，然后在船上对两段钢管进行焊接后，才可以进行回拖，其施工较为复杂且对焊接工艺的要求较高，因此选择更具性价比的PE 管作为该工程的海缆保护管。PE 管具有密闭性能好、使用寿命长、耐腐蚀、质量轻以及断裂延长率较高等优点[4]，对该项目来说，PE 管施工也较为方便，只需要通过热熔胶进行连接，性能较为稳定，同时由于定向穿越的岩层为中风化岩层，地质情况较为稳定，可以弥补PE 管抗压性能较差的缺点[5]。

该工程选用的PE 管相关参数见表1，相关参数检验标准参考GB/T 13663.2—2018 给水用聚乙烯（PE）管道系统（第2 部分）：管材[6]。

表1 PE 管性能表

该工程穿越PE 管型号为ø355×13.6 mm，根据GB 50423—2013《油气输送管道穿越工程设计规范》[7]的相关规定，最大回拖力计算如公式（1）所示。

式中：L为穿越长度，这次穿越段长度取800 m；f为PE 管与岩层摩擦系数，取0.6；D为PE 管外径，取355 mm；γm为泥浆重度，取10.5 kN/m3~12.0 kN/m3；γs为PE 管重度，取9.1 kN/m3；δ为PE 管壁厚，取13.6 mm；Wf为PE 管的单位长度质量，取0.9 kN/m，K为黏滞系数，取0.18 kN/m2；经过计算，PE 管最大回拖力FL=232.04 kN，根据《油气输送管道穿越工程设计规范》GB 50423—2013[7]，最大回拖力按照取计算值的1.5~3 倍考虑，经计算，该穿越管段定向钻最大回拖力不宜小于510 kN。该项目选用的钻机为徐州工程机械制造的XZ5060，其最大推拉力可达5300 kN，大于该工程PE 管的最大回拖力，满足施工需求。

1.4 海缆回拖计算校核

定向钻施工完成后，海缆敷设船将在定向钻的出口进行等待，通过定向钻预留管道的内部钢丝与船上的海缆端头拖拉头进行连接，然后由出土点侧的绞车将海缆回拖至岸上。考虑到海缆回拖过程中，由于海缆以及拖拉头的距离过长，因此拖拉载荷过大，海缆被拉坏，现对海缆回拖的载荷进行计算以满足定向钻回拖距离的校核计算。

1.4.1 海缆相关参数

本次选用的海缆形式为海底光电复合缆，其用于回拖校核的相关参数见表2。

表2 海缆回拖校核相关参数

1.4.2 海缆回拖计算校核

本次海缆回拖拉力计算如公式（2）所示。

式中：T为回拖载荷，T≤min{Fq，Fl}/γ0，其中，γ0取1.25；T1为初始拉力，由于海缆提前会随钢丝一起进入定向钻出土点位置，其载荷可忽略不计。

经计算：海缆牵引的安全距离L为911.2 m，其大于设计的定向穿越距离800 m，因此海缆抽拉校核结果满足回拖要求。

2 定向钻重点施工方案

2.1 施工流程

本次定向穿越的施工流程如下：施工现场准备→测量放线定位→入土点夯管施工→定向钻设备安装调试→泥浆配置→导向孔钻进→扩孔→洗孔→PE 管回拖→海缆回拖→海缆陆上锚固施工。

2.2 钻机场地布置及钻具组合

定向钻岸上入土侧布置如图1 所示，其中钻机布置位置位于定向钻施工入土点位置，其他相关设备及设施的布置根据钻机位置进行布置，布置场地的尺寸为15m×40m。

图1 定向钻岸上入土侧布置图

海上出土侧作业区域布置采用驳船进行PE 管回拖。驳船将固定在出土侧，主要用于PE 管预制、钻杆打捞、PE 管回拖及相关辅助支持。

2.3 导向及定位系统

为了保证该工程的定向穿越作业，使用MGS 型有线地磁导向系统进行导向作业，有线导向系统的基本原理如下：在每钻进1 根钻杆后，导向探测器测量出每根钻杆所改变的水平角度和纵向角度（精度达到0.01°），根据每根钻杆钻进的长度（即单根钻杆长度，可以在船上测出），计算（通过地表计算机内的控向软件）每钻进1 根钻杆钻进后钻头的三维坐标值（即钻进1 根钻杆后，在长度、深度、左右偏差的改变值）。采用MGS 导向系统能够在钻进过程中实时显示钻进将要调整的方向，并实时生成导向孔曲线，且具有较强的抗磁场干扰能力，满足该工程穿越长度和深度的控向精度要求。在开钻前，将设计穿越曲线输入系统中，就可以实时显示导向孔实际曲线与设计曲线在深度、左右方向上的差值，直接指导控向和操钻人员的下一步曲线调整操作。

除了使用地磁导向外，还将使用海上定位磁靶对导向探测器进行海上辅助定位。辅助定位间距为100 m/次~200 m/次。根据出、入土点标定的GPS 坐标，建立穿越中心线的GPS 坐标系，GPS 钻头跟踪测量仪发射磁信号，钻头探测器接收到信号后，计算钻头相对穿越中心线的位置。

2.4 导向孔钻进

定向钻钻进前，首先进行钻具设置，结合该工程的项目特点，设计的钻具组合如下：钻机→5-5/8"钻杆→230 mm无磁钻铤→311 mm 斜板钻头，具体钻具设置如图2 所示。

图2 导向孔施工示意图

根据设计图纸提供的入土点、出土点坐标，严格按控向系统调校程序进行调校；在钻进过程中控向人员及监测人员随时监视和控制穿越曲线情况，避免钻进过程中的急剧调向，以防卡钻；这次磁方位角测量将在钻头穿越出套管后使用地面辅助定位系统测量磁方位角，将在钻头钻出50m~100m 后设定穿越磁方位角。并在之后的钻进过程中进行复测和纠偏，保证穿越精度；在钻进过程中，根据设计的每根钻杆的全角变化率，确定控向基本参数；钻孔施工同时采用人工校验法，探测器对信号强度进行采集，从而计算探头的位置；当钻头接近地方设施时，使用钻头辅助定位系统的测深功能，保证这次穿越与第三方设施的安全距离。

2.5 扩孔、洗孔施工

钻头从海底出土后，由潜水员将钻头从海底经过出土侧钻杆龙门支架打捞至驳船上，卸掉导向钻头，连接扩孔器，开始进行扩孔工作。当扩孔时，海上驳船的抛锚位置与导向孔阶段的船舶位置相同，拆除入土侧钻杆支撑导向套管，由支撑桩支撑海水中的钻杆。

扩孔计划见表3。

表3 导向孔、扩孔、洗孔计划表

扩孔钻具组合如下：钻机→8-5/8"钻杆→（扶正器）→扩孔器→8-5/8"钻杆；具体钻具组合如图3 所示。

图3 扩孔施工示意图

在扩孔过程中，按照设计要求适当地增加泥浆排量，控制回拖速度。一级扩孔完成后，分析成孔情况，再用同级别扩孔器进行清孔。

当扩孔和清孔时，要保持足够的排量，入土点配备2 台大功率泥浆泵，单泵额定排量为2 m/min。在扩孔中时刻注意泥浆压力及返浆的情况，发现返浆量减少及时停工，处理妥当后才可以继续扩孔。

2.6 管道与海缆回拖

导向孔扩孔完成后，开始进行PE 管回拖，PE 管回拖的方向是从出土点向入土点进行回拖，PE 管会提前放在驳船上进行摆放并进行熔接，首段PE 管需要与钻头进行套管安装，安装后的PE 管如图4 所示。安装完成后，岸上钻机开始回收钻杆，同时开始PE 管的回拖，在PE 管回拖期间，需要在驳船上观察PE 管下放速度，并与入土点的司钻保持密切联系，确保PE 管不会在回拖过程中被破坏，回拖完成后，需要对回拖的PE 管进行岸侧固定，并对施工过程中产生的泥浆进行回收处理。

图4 出土点套管安装示意图

PE 管回拖完成后，驳船收锚并撤离施工现场，海缆敷设船舶进场后进行抛锚布场，然后开始海缆的回拖，海缆回拖方向从铺缆船上向陆地进行回拖。

回拖时钻具连接方式如下：钻机→钻杆→旋转接头→“U”形环→海缆。

在海缆回拖的整个过程中要根据钻机显示回拖力的大小控制回拖的速度；确保回拖过程中海缆所受拉力处于许用拉力范围内。海缆回拖完成后需要对海缆进行绝缘及光纤的测试，测试结果满足要求后再对已回拖的海缆进行锚固固定，保证登陆海缆满足在位要求。

3 结语

海底数据中心示范项目作为国内首次将数据中心布放在海底的海洋新基建项目，其中海缆登陆施工作为该项目电力与通信输送的重要通道施工，对整个项目具有重要的意义，该项目采用陆海定向穿越施工，工期为40 天（含设备自动复原），与明挖施工方案相比，节省工期约20 天。在环境要求较高的海南陵水清水湾进行该项目定向穿越施工过程中，没有对海洋环境及穿越路径上的沙滩和防护林造成影响，为国内类似的海底数据中心海缆登陆设计与施工提供参考。