背景

海底管缆埋设机器人是一种专门用于在海床上进行“开沟+管缆埋敷”作业的高端海工智能装备，它们有一个英文学名叫做Seabed Trencher，因此直译过来为：海底挖沟机。随着海底通信、海上油气开发和海上风电等行业的发展，对海底开沟和管缆埋设作业的需求日益增长，海底挖沟机也发挥不可替代的作用，使用挖沟机进行开沟作业将海底电缆、光缆、管道等埋入海床以下，既可以避免洋流冲刷导致管缆移位和磨损，又可以避免船锚等的人为活动的刮蹭等，还可以建立足够的保密性，从而提高设施的安全性和生存能力。

本文将通过专业视角告诉大家，海底挖沟机都有哪些主要类型，特别是不同作业场景、工况该如何选用最合适的机型。选择合适的机型并不容易，特别是在路由调查工作不充分的情况下，选择错误会给施工带来极大不便，往往有时候不一定是设备或人的问题。本文会教会大家一些基础的方法，避免掉坑。

一、海底管缆埋设机器人的分类

过去几十年，欧洲公司根据作业环境、作业方式、作业对象的不同，将海底挖沟机整机设计为履带行进式挖沟机、拖曳式挖沟机、可悬浮式挖沟机三大平台。           

此外，挖沟机的开沟工具有高压水射流开沟模式、犁刀拖曳式开沟模式，也有链锯、轮锯等开沟模式，其中，犁刀开沟和链锯（链式）、轮锯（盘状旋削式）、凿头（柱状铣削式）开沟为了区别于高压射流开沟，统称为机械式开沟。射流式开沟适用于软质底质，比如砂质、砂混泥质海床等；犁式开沟器适合砂质、软黏土质海床；链锯轮锯开沟更适合砾石、硬质黏土、岩石等海床底质。

冲射开沟模式是指挖沟机搭载有高压水射流冲射机构，可借助自行进机构如履带行驶（履带行进式挖沟机），亦可经改装后加装拖曳滑靴由水面船舶拖曳被动行进（拖曳冲射式挖沟机），甚至可以在开沟过程中由挖沟机自配的螺旋桨推进行驶（可悬浮式挖沟机），可见高压冲设开沟可适应几乎所有的挖沟机平台。在运动过程中挖沟组件持续喷出高压水射流冲刷下方的海床，使埋缆路线上的土壤流化，电缆就会在自身重力作用下下沉到沟渠底部，随后沟渠两侧流态化的泥土会缓慢回淤并掩盖在电缆上方，实现一定深度的掩埋，也可加装压缆组件迫使缆线在开沟过程中保持在沟渠底部。高压射流开沟，常规开沟深度可达3米至5米，依据机构和功率的不同，针对某些特种工况作业，通过更换冲射组件，多次开沟深度甚至可达8-10米。

一台完整的挖沟机主要由搭载开沟作业工具的整机平台组成，因此，以上三大平台可以同不同的开沟组件相组合。但要注意的是，它们并非可以完全自由组合，为什么呢，相信大家读完全篇文章后会有一定理解，我们先说结果，下面是不同类型挖沟机的最佳能力范围:

图 不同类型挖沟机的最佳能力范围（版权：深海智人）

1. 履带行进式挖沟机

履带行进式挖沟机完全依赖履带在海床上行驶，可采用冲射式或链锯、轮锯开沟模式。

履带行进式挖沟机，由于整机采用全开架式结构，不安装或安装极有限的浮力设施，因此即使在水下也具有比较大的自身重量，可以有效抵御外部环境如洋流、开沟反作用力的干扰，确保能够平稳着陆、施工。一般适合用于洋流较大的近海海域，由于其较大的水下重量，则不太适合太深的水域，因为吊放如此重量的设备需要钢丝缆绳，机器本身加上深水缆绳的重量，会使水面吊机不堪负重。此外，考虑到整机水下重量比较重，为了避免大深度开沟作业时可能导致的塌方下陷，履带式挖沟机的开沟作业部通常安装在尾部，便可以实现较好的作业效果。因此，履带行进式挖沟机，最适合的作业场景是近海浅海大深度管缆埋设作业，比如海上风电行业的铺缆作业，近海大陆架油气海底管缆的埋设等。其中，特别欧洲国家，海上风电几乎全部采用履带行进式挖沟机进行海底电缆施工。

深海智人自主研制，具有自主知识产权的“金牛座”海底挖沟机，配备有履带自行走机构和高压水射流冲射机构、强劲的动力系统和稳定的液压系统，最大可以抵抗5级洋流，整机功率超过1600马力，设计最大适应水深500米，最大单次冲射开沟能力达5米。且整机采用模块化设计，可根据实际工况需要适应不同海床地质和不同埋敷深度的需求更换、加装机械开沟组件满足硬质黏土质、岩石质海床；适度加装浮力材料，更换滑靴模式满足软质或极软质海床。结合国内沿海风电场海底情况来看，金牛座适用于绝大部分的电缆埋敷场景。并且，金牛座机器人配备了精准稳定的伺服控制系统和液控系统，能够精确控制埋缆深度、自适应缆线轨迹、履带防打滑自动调节、作业安全策略等，这些都是在海上抵御外部复杂环境干扰、稳定实现作业目标的有力保障。

图  “深海智人”研制的亚洲最大的履带行进式海底挖沟机

2. 可悬浮式挖沟机

以上讲到，履带行进式挖沟机因为水下自重很重，不适合深水作业，那如何解决这一瓶颈呢？直接加装浮力设施吗？恐怕没那么简单。试想一下，履带式挖沟机的开沟作业部通常置于尾部，如果简单地给机体上面加装浮力材料，会造成机器尾重脚轻，无法在水中保持平衡；另外如果机器在水中的重量过轻，也会导致履带和海床地面的摩擦力不够，无法正常行驶。

因此，要设计一台深水挖沟机，除了降低水下重量以外，我们还需要解决整机重量中心平衡的问题，行进驱动力的问题！想清楚以后，我们将履带式挖沟机的作业部安装于挖沟机的正下方使重心前移，在挖沟机的正上方集成浮力材料使重量减轻，安装几台螺旋桨让挖沟机重新获得驱动力，一台深水可悬浮式挖沟机便成功实现！

可悬浮式挖沟机水中重量轻，运动灵活，可以采用飞行模式，越过海沟，海山等障碍物，但是在水下的重量轻也导致了机器稳性容易受到作业环境的干扰，造成开沟深度相对较浅，面对较为坚硬的海床，施工效率和效果通常一般。因此多用于复杂海床构造且水深在500至2000多米的海底光缆、或几百米水深的油气脐带缆、软管的铺设工作（深水光缆的埋深要求一般不会太高）。不建议在洋流较大的近浅海海域使用可悬浮式挖沟机。

图   可悬浮式海底管缆埋设机器人                         

3. 拖曳犁式挖沟机

海底拖曳犁式挖沟机分为采用犁刀破土开沟的形式，以及将高压射流开沟组件集成在拖曳式机架上进行开沟两种模式。工作原理类似于陆地上的犁耕操作，是利用自身犁刀在拖船的带动下开出沟槽的方式进行作业的。按照开出的沟槽形状可以将犁式挖沟机分为V型犁式挖沟机和矩形犁式挖沟机两种。V型犁式挖沟机开沟截面面积较大，沟槽形状为V型，开口较大，常见于钢管埋设作业；矩形开沟犁开沟面积较小，截面狭长且为矩形，常见于缆线埋设作业。

图 大型海底硬管埋设拖曳式挖沟机

拖曳式挖沟机根据常用工作水深的不同，又可以分为简易拖曳式水喷犁和深海拖曳式埋设犁。两种机器人作业时均由母船拖曳前进，本体活动能力有限，浅水拖曳式水喷犁常适用于水深500米以内的管缆敷设作业，深海拖曳式埋设犁则可以在深度等级1500-2000米的海底施展拳脚，完成数百公里长距离内的光缆铺设作业。

 图   轻型光电缆拖曳式挖沟机

拖曳犁式挖沟机由于在开挖之前需要犁刀刺入海床,因此在开沟前和结束开沟后都需要提前布放开沟犁,并调节犁刀和滑靴角度,确保挖沟深度达标。挖沟犁挖沟过程中，要求沿着海管路由保持一定的挖沟深度行进，在行进过程中通常遇到高低起伏海床、不同类型土壤等情况，挖沟犁姿态极为关键。拖曳犁式挖沟机目前主要的技术难点主要有以下几个方面：

(1)方向控制。通过GPS水面导航和动力定位系统等控制施工母船沿海管路由行进，施工母船拖曳挖沟犁沿路由行进。由于拖曳缆长度较长，且海管铺设路由非规整的直线，因而还需对挖沟犁进行方向微调，保持海管始终位于挖沟犁中心位置。通过高清相机和导向架力传感器，判断海管在导向架内位置和受力，通过转向机构向导向架受力一侧移动，直至海管位于导向架中心，受力在允许值之内。

(2) 沟深控制。滑靴在挖沟中起到支撑和调节挖沟深度作用，增大挖沟机和海床的接触面积防止挖沟犁下陷。遇到海管两侧海床不平整时，海床较低侧滑靴高度不变，提升海床较高侧滑靴高度，从而保持挖沟犁水平和挖沟深度不变。如挖沟犁前海床高度增大时，则同时提升左右两侧滑靴，保证海床高度变化前后挖沟深度不变，减少海管因沟深变化产生弯曲应力。

(3) 浮力调整。挖沟过程土壤类型变化，土壤剪切力和承载力不同。在松软土质中，挖沟犁自重较大将下陷深度过大，或挖沟速度不易控制，进而损伤海管。在硬质土质中，所需挖沟拖曳力较大，施工母船动力及拖曳缆强度受到挑战，并影响挖沟效率。根据实际土壤环境，调整浮箱浮力，改善挖沟犁挖沟姿态和作业效率。

事实上，要精确实现以上3项功能，需要一套较为复杂的动力学、土壤力学仿真及实验过程，国内目前自产的拖曳式水喷犁都只能用于浅水简易开沟，基本上不具备上述3项复杂控制功能。导致拖曳作业过程的开沟埋缆质量无法保证，甚至损伤电缆管道。相反的，具备以上3项功能的拖曳式挖沟机，特别是深水管道或者深水光缆埋设拖曳式挖沟机造价也比较昂贵。

二、典型应用工况和影响作业的因素  

挖沟机作业深度可以分为：500米及以下的近海和浅海海域，此深度海域洋流较大，且复杂多变，地质情况变化较多，可能遇到砂岩，珊瑚礁底质，但地形情况较为平坦，常处于大陆架上；1000米至1500米的中等深度海域，常处于大陆坡上，往往会遇到坚硬的花岗岩；2000米至3000米或更深的海域，此深度海域洋流相对较小，但地形情况较为复杂，位于大洋底部。

中国沿海风电场区域的海底底质以软质砂土、黏土居多，从南到北约70%为砂质土壤，土壤强度多在20~25kPa；浙江、上海部分风场、渤海湾大部分风场以及广西钦州外海为软质稀泥，占比约28%，土壤强度小于10kPa；福建和广东揭阳局部风场底质为坚硬的黏土，约占2%，土壤强度超过150kPa。目前中国沿海风场建设以潮间带风场和近海风场居多，潮间带水深一般小于10米，近海（最远距海岸线20公里）区域水深在10~50米之间，少数深远海项目在距离海岸线超过20公里的区域，水深超过50米。

三、挖沟机的选型建议

履带行进式挖沟机因其具备优异的改装能力，在欧美近海施工作业中广泛应用。标配冲射工作模块，常用于水深在10-500米范围内的海域及一般黏土及砂土属性的、土壤剪切力在10-200kPa的海床。其显著优点是埋缆速度快，埋缆深度大，水射流液化土壤让电缆自沉降或采用力反馈的压缆器，可以将电缆损伤的风险降到最低，其次是可以用于线缆的修补和多次开挖。面对较硬的海床，可更换或增加机械式开沟作业撬，尤其是岩石质海床，面对过软的海床，需要增加一些浮力措施减少机器的水中重量。履带行进式挖沟机可同时满足边铺边埋和现铺后埋两种作业模式。

 图   履带行进式挖沟机开启传感器寻找电缆

拖曳式挖沟机一般用于海底底质强度适中的场合，若土壤抗剪切强度过低，则挖沟机在自重和拖曳力双重合力作用下也容易下陷或侧倾，需要反复调整滑靴高度和浮力大小，影响施工效率；若土壤抗剪切强度较高，则容易损伤海缆，且有更加适合的机械式挖沟机针对硬土层，所以拖曳式挖沟机在较软质海床（如沙质、泥质）上表现良好，但在较坚硬的碎石质海床上效率将大打折扣。数据指出，V型开沟犁能够在10-600 kPa及以下的黏土、砂土条件下进行破土开沟, 矩形开沟犁能够在10-350 kPa及以下的黏土、砂土条件下进行破土开沟。因此拖曳式挖沟机总体上算是一种适用土壤强度较广的设备类型，囿于拖曳式挖沟机的结构特点，理想的施工场景是土壤承载力适中、长距离连续埋设且全程工况较稳定，管缆路径较少拐弯，当以上条件均确定时，拖曳式挖沟机可极为高效的完成施工任务，绝大多数拖曳式挖沟机只能满足边铺边埋作业。

可悬浮式挖沟机由于安装了浮力材料，具有更轻盈的水下重量，并配置各向推进器，具有更为灵活的水下机动性，可弥补履带行进式挖沟机不能跨悬作业、不能开展深水作业的不足。其更适合在深度超过1000米的深海海域适用，开沟组件类型的选择上既有冲射开沟工作撬也有机械开沟工作撬，工作埋深一般最大不超过3米。同时可悬浮式挖沟机造价更高，操作更为复杂，部署维护较麻烦，需要在水面母船上配备具备波浪升沉补偿功能的特殊收放系统。可悬浮式挖沟机可同时满足边铺边埋和现铺后埋两种作业模式。

综合来讲，海底管缆埋设施工作业主要受到海底地质条件、作业水深、埋设目标、水文特征等因素影响，同时需要考虑施工效率和经济性等，再选用合适的机型。实际上没有一种机型能够适用所有环境、作业工况，需要考虑多方面的因素。如果遇到选择困难症，不妨同深海智人交流一下，会给到你最专业的建议。

关于深海智人

深海智人（广州）技术有限公司是一家专业从事深海机器人技术研发制造的高新技术企业。2021 年 6 月成立于中国广州，是粤港澳大湾区新质生产力百强企业。目前已申请 120 多项知识产权，形成 300 余项技术标准和管理标准，核心技术自主可控。

公司创始团队均来自欧洲一家全球知名的深海机器人公司，具有专业的海外研发背景，涵盖机械、液压、电气、软件控制四大核心领域。主导并参与过多个全球领先的高端深海机器人项目，掌握国际领先技术，并建立了硕士、博士为主的高层次研发团队，具备该领域世界级的研发能力，代表了国内最高水平。

公司围绕深海机器人关键技术开发，以整机系统级解决方案为载体，以建立模块单元化的核心部件及子系统为发展路径，逐步形成世界上谱系最完整的海洋机器人产品线，包括新一代深海工作级机器人（Work Class ROV）、海底管缆埋设机器人（海底挖沟机）、海洋通用机器人三大产品线；形成了整机研制及交付，核心部件及子系统配套，租赁与工程支持，再制造管理四大业务主线。建立了国内该领域最专业、严谨、科学的研发、制造、管理规范体系，并积极参与国家及行业层面的标准制定。

公司 2024 年自主研制的“金牛座”，是国内首台、亚洲最大最先进的海底管缆埋设机器人，为央企大客户圆满完成了多项海缆施工作业，充分验证了机器人的各项指标性能，大幅提升了中国海上风电施工技术水平。

此外，公司目前正在落地国内最大功率，首台集成 AI 自主控制的第五代深海工作级机器人、首台浅水深水两用超大功率可悬浮式海底管缆埋设机器人、首台可实施深度学习和 AI 技术开发的“海洋环境——机器人综合仿真平台”等全球领先产品和解决方案。

“深海智人”是海洋科技领域极具影响力的力量，是专业化和世界先进技术的代名词。我们正在建立革命性的深海技术，并提供世界上最完整的海洋通用型机器人解决方案，朝着国际知名的综合性海洋科技公司迈进！