智慧管道技術(shù)在保護重點地下設(shè)施中的應(yīng)用

張達石 邱超 樊雪蓮 郭宇航 李新兵

1.上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院（集團）有限公司 200125

2.上海城投水務(wù)（集團）有限公司 201103

3.上海萬朗水務(wù)科技集團有限公司 200434

引言

隨著城市水環(huán)境治理項目的大力開展，在城市密集區(qū)內(nèi)修建了大量的地下輸水管道，不可避免地會同地下設(shè)施發(fā)生關(guān)系，如何將管道運行過程中對鄰近既有地下設(shè)施的影響降到最低，在出現(xiàn)問題前能及時進行處理，確保地下設(shè)施、管道本體及環(huán)境的安全，是一個越來越被關(guān)注的課題。本文依托虹橋污水處理廠廠外管網(wǎng)工程中所做的智慧管道技術(shù)應(yīng)用，介紹了智慧管道技術(shù)的實施情況，并根據(jù)應(yīng)用效果，提出了今后管道建設(shè)過程中應(yīng)用智慧管道理念和技術(shù)的重要性及建議。

智慧管道系統(tǒng)［1-3］是通過24h 連續(xù)在線監(jiān)測，對管道及周邊環(huán)境的全生命周期數(shù)據(jù)變化進行管理，使管理人員能夠及時準(zhǔn)確掌握管線中關(guān)鍵節(jié)點的水位（重力流）、壓力（壓力流）、流速、流量、沉降變形等數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)排水管線的滲漏、溢流、淤堵等問題，以便采取有效的應(yīng)對措施，保障城市排水安全，確保管道安全平穩(wěn)運行。

智慧管道的應(yīng)用價值主要包括以下方面：（1）實時監(jiān)測土體沉降變形和管節(jié)接縫狀況，方便及時排查因土體沉降和不均勻變形造成的隱患，有力地保護了管道自身和地面道路、排水管道上方的其他市政管道、排水管道下方的地鐵盾構(gòu)等周邊基礎(chǔ)設(shè)施；（2）提供了一種城市排水管網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對城市排水管網(wǎng)運行情況的實時在線監(jiān)測與評估，并以直觀的用戶界面展示監(jiān)測狀態(tài)，對實時數(shù)據(jù)定期存儲并提供對歷史數(shù)據(jù)的查詢分析服務(wù)，為城市排水管網(wǎng)的管理提供了依據(jù)；（3）提出了一種基于大數(shù)據(jù)的排水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，將眾多排水管網(wǎng)監(jiān)測點采集的數(shù)據(jù)進行匯總并統(tǒng)一分析處理，提高對排水管網(wǎng)的監(jiān)測能力。利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)采集、反饋的時效性好，便于及時發(fā)現(xiàn)并解決問題。

1 工程概況

虹橋污水處理廠東部污水干管自天山污水處理廠→雙流路→新漁路→協(xié)和路→金鐘路→廣順北路→綏寧路，全線采用頂管施工。干管采用的鋼筋混凝土管選用JCCP管材，設(shè)計內(nèi)徑1200mm，管外徑1540mm，管長約4185m，管接口為柔性接口。采用壓力流與重力流相結(jié)合的輸送方式，壓力流管道工作內(nèi)壓0.15MPa，設(shè)計內(nèi)壓0.50MPa。

東部污水輸送干管跨越軌道交通2 號線出入場段，根據(jù)基本資料顯示，該段隧道外側(cè)頂高程為-3.574m ～-5.064m。軌道交通2 號線隧道外側(cè)頂高程北翟路南側(cè)低于北翟路北側(cè)，污水管道位于北翟路南側(cè)。由于污水管道跨越軌道交通隧道的垂直凈距不宜小于3m，因此在污水干管跨越軌道交通2 號線的區(qū)段設(shè)置一對工作井，抬高污水干管。污水管道跨越軌道交通2 號線后，采用下倒虹方式穿越外環(huán)西河，見圖1，頂管和隧道高程見表1。

圖1 頂管跨越軌道交通2 號線、 外環(huán)西河位置示意Fig.1 Location plan of pipe jacking crossing the rail transit line 2 and Outer ring west river

表1 頂管、隧道高程（北翟路-外環(huán)西河）Tab.1 Pipe jacking，tunnel elevation（Beidi road-Outer ring west river）

東部污水輸送干管在協(xié)和路、天山西路交叉口跨越軌道交通2號線隧道區(qū)間，采用頂管施工方案跨越隧道上方，見圖2，頂管和隧道高程見表2。

表2 頂管、隧道高程（協(xié)和路、天山西路交叉口）Tab.2 Pipe jacking，tunnel elevation（Intersection of Xiehe road and Tianshan west road）

圖2 頂管跨越軌道交通2 號線（協(xié)和路、 天山西路交叉口）位置示意Fig.2 Location plan of pipe jacking crossing the rail transit line 2（Intersection of Xiehe road and Tianshan west road）

2 智慧管道應(yīng)用

2.1 應(yīng)用目的

虹橋污水廠智慧管道應(yīng)用是針對穿越地鐵兩段下方有隧道的斷面開展監(jiān)測，目的是確保管道下方地鐵區(qū)間的運營安全，工作重點是對管道沉降和管節(jié)接縫狀況進行實時監(jiān)測。此項應(yīng)用屬于排水管網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，需要解決的技術(shù)問題包括：

1.對土體沉降實現(xiàn)在線監(jiān)測。東部污水干管在軌道交通2 號線上方跨越，若發(fā)生整體和不均勻沉降造成管道滲漏，將會對地鐵、管道安全運行和環(huán)境保護產(chǎn)生影響。

2.對管節(jié)接口狀況實現(xiàn)在線監(jiān)測。東部污水干管在軌道交通2 號線上方跨越，跨越段相鄰管節(jié)接縫拉伸、壓縮變形以及因不均勻沉降引起的張角變化需滿足污水管安全運行標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 監(jiān)測方案

系統(tǒng)共設(shè)置兩個監(jiān)測點，即北翟路-外環(huán)西河沉降監(jiān)測點和天山西路-協(xié)和路測縫監(jiān)測點。

1.管道沉降監(jiān)測

虹橋污水廠東部干管穿越軌道交通2 號線北翟路-外環(huán)西河管段（W71、W72 井之間）地鐵盾構(gòu)上方，在地鐵盾構(gòu)與污水干管之間選擇水平安裝陣列式位移計［4］，正交穿過軌道交通2 號線隧道，一端位于頂管W72 接收井，另一端位于W71 出發(fā)井內(nèi)，陣列式位移計距離頂管底部大約50cm，陣列式位移計總長約30m，由30 個位移監(jiān)測單元連成一串，主要觀測地鐵盾構(gòu)隧道上方土體沉降變形。陣列式位移計監(jiān)測點位布置見圖3。

圖3 陣列式位移計監(jiān)測點位布置（單位： mm）Fig.3 Array displacement measurement meter monitoring point layout（unit：millimeter）

2.管節(jié)接縫狀況監(jiān)測

對虹橋污水廠東部干管跨越軌道交通2 號線天山西路、協(xié)和路管段（W77、W79 井之間）地鐵隧道上方部分管節(jié)進行拉伸、壓縮度監(jiān)測。位于地鐵2 號線隧道上方共4 處交叉部位，每個交叉部位設(shè)置2 個監(jiān)測斷面，共8 個監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面在管道內(nèi)壁呈夾角120°布置3 個光纖光柵測縫計［5］，對管節(jié)接口間的間隙變化進行動態(tài)監(jiān)測，當(dāng)間隙接近限值時自動預(yù)警，提示管線管理單位及時采取應(yīng)對措施。測縫計監(jiān)測點位布置見圖4。

圖4 測縫計監(jiān)測點位布置（單位： mm）Fig.4 Seam measuring meter monitoring point layout（unit：millimeter）

測縫計安裝在管內(nèi)側(cè)，可以通過線性計算得到管頂和管底的接縫拉伸、壓縮量，另外通過陣列位移計各測點差異沉降量和管節(jié)長度，可得到相鄰管節(jié)夾角變化，從而利用管節(jié)接縫拉伸、壓縮和張角評價管節(jié)接縫狀況。

2.3 監(jiān)測設(shè)備

管線接口變形監(jiān)測采用光纖光柵拉桿式測縫計，通過光纖光柵分的波長測量建筑物表面接縫的開合度。測縫計由光纖光柵、彈簧、連接桿、傳動機構(gòu)、萬向節(jié)等組成，采用不銹鋼外殼封裝，可達到IP68 級防水，適用于-30℃～80℃，能保證測量數(shù)據(jù)的精度和穩(wěn)定性。

土體沉降變形采用陣列式位移計，通過檢測各部分的重力場，得到各段軸之間的彎曲角度，利用彎曲角度和已知各段軸長度，可以確定位移計變形情況。陣列式位移計由三段連續(xù)軸、微電子機械系統(tǒng)加速度計組成，可適應(yīng)2000kPa 水壓和-40℃～60℃環(huán)境溫度，施工時安裝在聚氯乙烯管道中。

虹橋污水處理廠智慧管道項目的數(shù)據(jù)采集分為模擬量采集、MODBUS485 采集和光纖光柵解調(diào)儀的光信號采集。其中光柵測縫計的數(shù)據(jù)采集是通過骨干光纜，接入光纖光柵解調(diào)儀，由光纖光柵解調(diào)儀采集。光纖光柵解調(diào)儀是光學(xué)探測的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部件，在本系統(tǒng)中光纖光柵解調(diào)儀可以顯示每個測點的工作情況，也可以將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心的主機上進行數(shù)據(jù)分析、查詢、保存等。光纖光柵解調(diào)軟件—分布式組態(tài)監(jiān)控平臺WIS可實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速接入與綜合監(jiān)控，集數(shù)據(jù)存儲、對象監(jiān)視、智能控制、報警提醒等眾多功能為一體，是一體化綜合監(jiān)控的有力工具。

光纖光柵測縫計信號光纜沿管道內(nèi)壁敷設(shè)到W79 井。W79 井內(nèi)需增設(shè)光纜走線預(yù)埋管，光纜通過預(yù)埋管敷設(shè)到W79 井地面。W79 井的井口附近綠化帶內(nèi)布置設(shè)備箱，設(shè)備箱內(nèi)布置光纖光柵解調(diào)儀、無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備和電源供電等設(shè)備。電源供電采用太陽能板加蓄電池供電方案。

2.4 監(jiān)測結(jié)果

1.北翟路-外環(huán)西河沉降監(jiān)測點

軌道交通2 號線北翟路-外環(huán)西河段W71 ～W72 井范圍內(nèi)，污水管下方列陣式位移計監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，監(jiān)測期內(nèi)管段的最大沉降變化量為-19.2mm，發(fā)生部位在最靠近W72 井一側(cè)的1＃測點。截止2019 年8 月31 日，監(jiān)測管段范圍內(nèi)，最高點與最低點的差異沉降量為19.1mm，相鄰測點最大差異沉降量為3.9mm（表3）。管節(jié)之間的差異沉降對管道接縫的影響很小，管道接縫正常。

表3 沉降監(jiān)測結(jié)果Tab.3 Settlement monitoring results

根據(jù)規(guī)范［6］要求，頂管造成的地面沉降量應(yīng)控制在＋10mm ～-20mm，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)達到沉降值的70%時，應(yīng)及時報警并啟動應(yīng)急事故處理預(yù)案。由于陣列位移計兩端分別與W71 井和W72井的井壁緊密連接，在開始測量時未考慮工作井沉降對管道造成影響，致使靠近W72 井的位移計數(shù)據(jù)偏大，后經(jīng)測量確認(rèn)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集正常，已經(jīng)趨于穩(wěn)定。

2.天山西路-協(xié)和路測縫監(jiān)測點

軌道交通2 號線天山路-協(xié)和路段W77 ～W79井范圍內(nèi)，光纖光柵測縫計對污水管管節(jié)之間管縫的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，監(jiān)測期內(nèi)管段范圍內(nèi)管節(jié)接縫的最大拉伸量為0.28mm，最大壓縮量為0.66mm（表4）。JCCP 管的管接口為柔性接口，當(dāng)管道因差異沉降等原因發(fā)生變形后，為確保管節(jié)間接口的密閉性，管節(jié)間的最大拉伸量為60mm。如果考慮更大的安全余量，確保兩道O形膠圈均能起作用，則管節(jié)間的最大拉伸量為35mm。再綜合考慮管節(jié)制作和施工過程可能造成的接口內(nèi)壁標(biāo)準(zhǔn)間隙偏差，取安全拉伸量為30mm。監(jiān)測管道拉伸與壓縮量遠(yuǎn)小于安全拉伸量，滿足要求。

表4 測縫監(jiān)測結(jié)果Tab.4 Seam monitoring results

根據(jù)各監(jiān)測點差異沉降量與管節(jié)長度，可計算得到相鄰管節(jié)之間夾角變化，規(guī)范［7］要求相鄰管節(jié)間接頭控制允許轉(zhuǎn)角不應(yīng)大于0.5°，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)變化，各個監(jiān)測斷面處管節(jié)接縫穩(wěn)定，管節(jié)間張角變化滿足要求。

運行期污水管管縫的拉伸、壓縮量和管節(jié)間張角均在污水管產(chǎn)品的安全限值內(nèi)，管道接縫處于安全狀態(tài)。

3 技術(shù)建議

1.根據(jù)項目應(yīng)用需求，陣列式位移計也可以在管道內(nèi)安裝，直接監(jiān)測管道的差異沉降變形，在設(shè)備安裝完畢進行初始數(shù)據(jù)采集時，還應(yīng)及時測量管段兩端檢查井的沉降量。

2.在虹橋污水廠智慧管道項目中，陣列式位移計沿頂管路線在管道下方的土體中水平布設(shè)，由于頂管施工井與接收井的鋼筋混凝土墻壁、防水層強度和厚度都較大，造成基建施工完成后頂管安裝陣列式位移計難度系數(shù)與工期都會增加。建議后續(xù)應(yīng)用時可在施工前或頂管井施工的同時進行陣列式位移計的安裝，這樣既可以加快施工進度，減少施工難度與費用，又可以在隨后的管道頂進過程中監(jiān)測土體的受壓情況，方便頂管施工人員安全作業(yè)。

3.本項目共采用了兩種監(jiān)測設(shè)備，其中陣列式位移計主要適用于對各種長度范圍內(nèi)連續(xù)管段各管節(jié)的沉降量監(jiān)測，得到各測點的累計沉降量和相鄰測點之間的差異沉降量，也可以推算出管道接縫的變化，從而對管道進行安全評估。測縫計則主要適用于對重點部位的管道接縫實現(xiàn)精確監(jiān)測，可以直觀掌握管道接縫的變化情況，如果對管段范圍內(nèi)所有管節(jié)間接縫進行監(jiān)測，也可以分析管段的沉降變形情況。綜上，在后續(xù)的實際應(yīng)用中，可以根據(jù)需求單獨采用一種監(jiān)測設(shè)備，也可以同時采用兩種監(jiān)測設(shè)備，實現(xiàn)對重點管段更加全面的監(jiān)測。

4 結(jié)語

本文通過陣列式位移計和光纖光柵拉桿式測縫計分別對土體沉降變形和管節(jié)接縫狀況進行實時監(jiān)測，運行期內(nèi)各監(jiān)測點最終沉降量、相鄰管節(jié)接縫兩側(cè)差異沉降量、污水管管縫拉伸、壓縮量、相鄰管節(jié)張角變化均滿足規(guī)定要求。對于監(jiān)測方案，應(yīng)根據(jù)項目應(yīng)用需求，可單獨采用一種監(jiān)測設(shè)備，也可以同時采用兩種監(jiān)測設(shè)備。其中，陣列式位移計也可以在管道內(nèi)安裝，其安裝可與頂管施工井和接收井基建施工同步進行。