海底电缆的敷设和保护

海底电缆敷设保护的措施主要有埋设保护、沟槽保护、穿管保护、覆盖保护等。

5.3.4.1 埋设保护

经过多年实践，通常认为最经济、最有效的海底电缆保护方式是进行埋设保护，即使用专业设计的电缆埋设机械（各类型号的埋设犁或水下机器人ROV）将海底电缆埋设至海床表面以下常见渔具、锚具无法触及的深度，最大限度地保护海底电缆免受外部风险的威胁。20世纪80年代之前，大多数海底电缆都是直接铺设在海底，时常遭到损坏。直到80年代海底掩埋设备开始应用后，海底电缆的埋设保护变得越来越普遍。1986年CIGRE研究表明，在受损的海底电缆中，只有少数是采用埋设保护。图5-31为1960—2000年间拖网及其他渔业活动造成的海底通信电缆事故统计，由图可见，自采用埋设后，事故率显著降低。以丹麦和瑞典间Kontiskan海底电缆线路为例，第一条电缆于1964年直接铺设在海底，到70年代初，这条海底电缆已经多次遭受拖网损坏，最终不得不用一条较强铠装的新电缆替代了其中的一段，新敷设海底电缆采用埋设的保护方式。直到现在新缆没有出现一次故障，而保留的原电缆同期却出现了14次故障。现在几乎所有的海底电缆都采用埋设的保护方式。

图5-31　拖网及其他渔业活动造成的海底通信电缆事故统计

海底电缆埋设施工方式大致可以分为以下几种：

（1）边敷边埋，即埋设机械一边敷设电缆，一边埋深电缆，敷埋同步进行。此种方式一般要求海底电缆在电缆船上被预先装载在埋设器内。埋设器被放置在海床上，开始拖曳开沟的同时，电缆被自动安放至形成的沟槽内。一般来说，边敷边埋的埋设效果比较好，海底电缆张力易控制，不易在沟槽内产生悬空，也不易打圈。其缺点是由于海底电缆需在电缆船甲板上预置在埋设器内，会造成初始段无法埋设或深度不够，故常用于长距离连续施工，而不适宜短距离施工。

（2）先敷后埋，即先将电缆敷设于海底表面，然后埋设机械跟踪、将海底电缆埋设至设计深度。先敷后埋具有灵活机动的特点，一般在海底电缆修理及边敷边埋不易进行的地方使用。其缺点是埋设效果及效率低。

ROV和埋设犁是进行海底电缆埋设施工最常用的水下设备。ROV是被广泛运用在各种海洋工程中的重要设备，能替代 “饱和潜水” 在危及人身安全的深海环境工作。ROV主要应用于海底电缆的后冲埋，其配备的海底电缆探测声呐和潜水高压水泵，能轻易找到已敷设在海床上的海底电缆，根据海底电缆不同的缆径，控制冲枪沿海底电缆进行来回多遍冲埋形成一定宽度的沟槽，以达到理想的埋设效果。埋设犁是一种自动化程度及埋设效率都很高的专业海底电缆埋设器具，被普遍应用于长距离的海底电缆埋设作业。不同于ROV，它仅能进行单纯的边敷边埋工作。埋设犁上安装有控制姿态的动力装置及很多传感器，通过脐带（信号电缆）与母船相连，经母船上的数据采集中心处理信号并三维模拟，埋设犁的姿态能够直观地显示在显示屏上，由操控者根据实际情况调节其姿态，从而很好地实现预期的挖沟工作。现代新型的埋设犁将高压水喷射技术与被动的机械切割接合起来，可以增加埋设深度并大大提高埋设效率，能在200m以下水深以较快的速度达到3m以上埋设深度，能够适应各种土质更有效地实现挖沟工作。中英海底系统有限公司与国际海底电缆界权威的海底电缆埋设设备制造商英国SMD公司共同研制开发的3m埋设犁Hi-Plough，采用水力切割原理，可配备不同规格的切割臂，适应于海床坡度不大于15°的不同类型土质条件，埋设深度可达2～3.25m，可埋设不同直径的通信光缆或电力电缆，最大直径为380mm。Hi-Plough的不同规格的切割臂，既可以完全以高压水喷射模式进行开沟，也可将高压水喷射技术与被动的机械切割接合起来，较之传统工艺施工效率大大提高。Hi-Plough埋设犁如图5-32所示。

图5-32　Hi-Plough埋设犁

埋设保护是最经济、最有效的海底电缆保护方式，可适用于除登陆段、近海浅滩区、礁岩区外的绝大部分海域。对于登陆段、近海浅滩区，敷设船只吃水较深难以靠近，埋设机械无法施工；对于礁石区，采用埋设往往达不到设计埋设深度的要求，且施工速度慢。

5.3.4.2 沟槽保护

由于登陆段和浅滩区水深较浅，敷设船只无法靠近，埋设机械难以施工，此时常常在电缆敷设船敷设电缆前将电缆沟槽开挖好。切割抽吸挖泥船能对从土壤到软岩土的不同底质进行开沟作业，该挖泥船甚至能在浅海或泥土滩涂上为其自身开沟进入，安装在小型驳船上的挖掘机也可完成该项工作。

若海底是岩石层或是因为太硬而无法用犁或水力喷射机械进行挖沟，则可在电缆敷设前用切割轮、切割链或其他机械粉碎机进行开岩作业，开岩机械及其开挖的水下沟槽如图5-33所示。但是，开岩作业投资高昂且速度慢，只适用于长度较短的局部路由段。在条件允许的情况下，也可采用水下爆破的施工方式开挖出满足设计要求的深槽。

图5-33　开岩机械及其开挖的水下沟槽

5.3.4.3 穿管保护

海底电缆路由近海浅滩段的渔业活动频繁，是渔船作业抛锚的频发点，当海底电缆埋设深度达不到要求时，可采用铁护套保护和预埋钢管或钢筋混凝土管保护。

铁护套保护是近海浅滩段常用的保护方式，以南方主网与海南电网联网跨越琼州海峡500kV海底电缆工程为例，海底电缆保护套管为黑口生铸铁非标产品铸件，套管长650mm，两端各有内径150mm和外径150mm的圆形对接套，由两个半片对称连接组装，而后螺栓紧固，组成500mm长成品套管，成套质量21kg。施工中水下潜水员首先在已被流沙掩埋的海底电缆路由地带寻找到海底电缆位置，而后使海底电缆暴露在海床上，撬起海底电缆下部，先安放下半片套管，而后对接上半部，同时将4个螺栓孔紧固。延伸时大口套小口，套口呈圆形，可防止脱落，以此类推，如图5-34所示。

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图5-34　穿管保护

预埋钢管或钢筋混凝土管保护也是近海浅滩段常用的保护方式，一般在近海浅滩段预先挖好沟槽，并在沟槽中布置好钢管或钢筋混凝土管，然后回填，敷设海底电缆时使其从保护管中穿过。坚硬的钢管或钢筋混凝土管对捕捞渔具和渔船船锚具有较强的抵御能力。

5.3.4.4 覆盖保护

当海床为礁岩而难以埋设、埋深不满足设计要求或者因海底电缆与其他管线交叉而无法埋设时，可采取覆盖保护的方式，即采用岩石、混凝土块、沙袋等将海底电缆覆盖起来，从而起到保护的作用。常用的方法有抛石保护、混凝土垫保护和混凝土袋 （沙袋）保护。

（1）抛石保护。专用的船舶装载岩石至敷设的电缆上，并抛下岩石。岩石可以从驳船的单侧推出（侧向抛石），也可以从船舱底部抛出，这些方法简单、快速，但非常浪费，海水较深时抛石还会对海底电缆产生较大的冲击力。采用柔性的抛石导管进行抛石是目前较好控制和较先进的作业方法。Nexans公司用于抛石的船只最大装载量为1.2万t，可以通过在抛石船上加装托架固定抛石导管的方法，将导管延伸到海底电缆上方1～2m处抛石。抛石全过程采用ROV监控，如发现悬空部分则补充抛石。由于抛石管道延伸到电缆上方1～2m处才开始抛石，对电缆的冲击力很小，并且能够比较准确地定位。另外，电缆能够承受抛石掩埋对电缆侧压力的增加，对安全运行没有影响。抛石示意图如图5-35所示，抛石形状如图5-36所示。堆石坡度根据抛石大小和保护要求，大致为1∶3～1∶5。抛石保护需要使用特殊施工机械，且施工速度慢、费用高昂，不宜大范围使用。

（2）混凝土垫保护。近百块大小相同的混凝土块通过钢筋连接在一起，构成一个保护垫，通过吊装设备将保护垫整体吊放在海底电缆上部，从而起到保护的作用，如图5-37所示。混凝土垫需要特殊加工，且需要吊装设备进行安装，施工有所不便，一般适用于管线交叉等局部区域。

图5-35　抛石保护方式

图5-36　典型抛石形状示意图

h—抛石高度；d—海底电缆覆盖抛石高度；a—抛石顶部宽度；x—系数

图5-37　混凝土垫保护

（3）混凝土袋（沙袋）保护将混凝土或沙制成的袋子堆放在海底电缆的上部，以起到固定和保护海底电缆的作用。如图5-38所示。该保护方式需要潜水员将混凝土袋 （沙袋）人工搬运至准确的位置，工作量巨大，一般作为埋设保护或沟槽保护埋设深度不够时的辅助措施。

图5-38　混凝土袋 （沙袋）保护

5.3.4.5 常见海底电缆敷设保护方式的对比

常见海底电缆敷设保护方式的对比见表5-15。由表可见，埋设保护可用于除登陆段、近海浅滩区、礁岩区外的绝大部分海域，施工技术成熟，费用相对较低，通常认为是最经济、最有效的海底电缆保护方式；登陆段沟槽保护施工难度最小、费用最低，但仅适用于登陆段及浅滩区；在水下基岩区开挖沟槽则施工难度最大、费用最高；登陆段采用穿管保护比沟槽保护费用相对较高，水下穿管保护还需潜水员将套管套在海底电缆上，施工相对难度更大、费用更高；覆盖保护采用岩石、混凝土块、沙袋等将海底电缆覆盖起来，从而起到保护的作用，需潜水员人工覆盖、专用机械抛石、机械吊装等，施工难度大、费用高。

表5-15　常见敷设保护方式的对比