城市管道病害非開挖檢測評估與工程應(yīng)用

王偉楠 劉英 楊麗麗 吳后山

0 引言

城市管道承擔(dān)著城市供水、排澇、污水排除的任務(wù)，是城市安全運行的基礎(chǔ)保障。隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，地下水管線的負(fù)荷急劇增加，地下水管線經(jīng)過多年的運行，容易出現(xiàn)各種缺陷，如管道內(nèi)壁腐蝕、破裂、管間接口錯節(jié)、堵塞等諸多病害問題，這些病害如果不及時處理，會引起排水不暢、滲漏淤堵、道路塌陷等嚴(yán)重問題，對國家財產(chǎn)造成巨大損失，甚至有些事故已經(jīng)危及到人身安全。因此，對管道進(jìn)行定期“體檢”并根據(jù)情況針對性地“治療”，才能做到防患于未然，從而降低災(zāi)害事故的發(fā)生。

國外如澳大利亞、德國、日本等一些國家已非常重視管道檢測，實現(xiàn)了管道檢測與評估方法的標(biāo)準(zhǔn)化。地下管道病害具有隱蔽性，我國城市管道往往是出現(xiàn)問題才做應(yīng)急處理，對國家財產(chǎn)造成損失，甚至危及人身安全。本文在資料調(diào)查和現(xiàn)場勘察的基礎(chǔ)上，結(jié)合北京市昌平區(qū)市政管道實際情況，篩選出適合本地區(qū)實際情況的常用檢測技術(shù)，總結(jié)管道狀況評價方法，并以具體工程為例，論證管道檢測與評估方法的合理性和適用性，從而提出針對性的管道非開挖修復(fù)方法。

1 常用現(xiàn)代管道檢測方法

1.1 管道閉路電視檢測（CCTV 檢測）

CCTV 檢測于20 世紀(jì)90 年代中期引進(jìn)我國使用，是目前用于管道內(nèi)部狀況檢測最為先進(jìn)和有效的手段。該技術(shù)是采用內(nèi)窺電視檢測系統(tǒng)，借助管道爬行機(jī)器人攜帶攝像頭，在管道內(nèi)自動爬行的同時對管道內(nèi)部的腐蝕、破裂、淤堵等狀況進(jìn)行拍照和錄像，從而了解管道內(nèi)病害情況。該技術(shù)的特點是操作安全、直觀清楚、實用性強(qiáng)、檢測效率高，可以明確管道損壞位置，測量長度等。主要適用于管道內(nèi)水位較低、管道高差起伏不大情況下的檢測。

1.2 管道潛望鏡檢測（QV 檢測）

QV 檢測是一種利用檢查井對管道內(nèi)進(jìn)行快速檢測的方法。該方法最大的優(yōu)點是攜帶方便、成本低，可以長距離清晰地看清并記錄管道內(nèi)的一切狀況。能夠清晰地顯示管道內(nèi)部的淤積、破損、異物、支管暗接等問題。主要適用于設(shè)備安裝在管道口位置進(jìn)行的快速檢測，檢測縱深最大可達(dá)80m。該方法適合對較短管道內(nèi)部狀況進(jìn)行初步判定，或者靠近檢查井段的管道檢測，結(jié)果可作為管道初步評估的依據(jù)。

1.3 聲波探測

該技術(shù)是利用聲學(xué)方法對充滿液體的管道內(nèi)部情況進(jìn)行檢測。其優(yōu)點是無需排干管道即可檢測管道內(nèi)部破損、淤積、管內(nèi)異物的相關(guān)數(shù)據(jù)，能夠進(jìn)行長距離管道檢測。適用于檢測水深大于300mm 的管道。聲波檢測具有效率高、成本低等優(yōu)點，可以對水中物體進(jìn)行探測和定位，提供量化數(shù)據(jù)資料，能夠準(zhǔn)確檢測和鑒定到管道破損情況。該技術(shù)并且可與CCTV、QV 檢測相結(jié)合，全面檢查管道情況。

1.4 地質(zhì)雷達(dá)檢測

該方法是利用電磁波在不同介質(zhì)中傳播規(guī)律與波場特點的不同，從而可分析出地下物體的結(jié)構(gòu)、埋藏深度及空間分布等信息。由于一些老舊地下管線信息不完善，缺乏設(shè)計竣工資料，導(dǎo)致管線損壞、淤堵后無法及時處理，施工困難。地質(zhì)雷達(dá)可對一定深度內(nèi)地下情況進(jìn)行詳細(xì)勘察，對地下管線進(jìn)行無損探測。地質(zhì)雷達(dá)對場地要求不高、適應(yīng)性強(qiáng)、效率高，可初步探測地下管道走向與埋深。

綜上，四種常用的管道檢測方法有不同的適用條件和優(yōu)缺點，在工程實際使用中要結(jié)合現(xiàn)場及管道的具體情況，并考慮成本、效率等方面選擇適合具體工程的檢測技術(shù)。

2 管道缺陷評估方法

2.1 管道評估流程

對管道進(jìn)行檢測僅僅有了“檢查結(jié)果”，如何根據(jù)檢查情況進(jìn)行針對性“治療”中間還需要有一套完善、合理的評估方法。恰當(dāng)?shù)墓艿罓顩r評估方法對制定合理的管道修復(fù)方案及更好地開展管道修復(fù)工作具有極大的指導(dǎo)作用。

世界多個國家例如英國、日本、丹麥等，基于本國國情，制定了管道缺陷的分類、定義和評估體系。國外的管道檢測評估標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況制定，不同地區(qū)因為水文地質(zhì)和氣候條件的差異導(dǎo)致管道缺陷不同，我國主要依據(jù)有《城鎮(zhèn)排水管道檢測與評估技術(shù)規(guī)程》（CJJ181-2012），該規(guī)程作為技術(shù)指導(dǎo)，可規(guī)范檢測技術(shù)、保證檢測質(zhì)量、統(tǒng)一評估標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)城鎮(zhèn)排水管道設(shè)施檢測管理。該規(guī)程中根據(jù)管道常出現(xiàn)的問題，將管道缺陷分為結(jié)構(gòu)性缺陷、功能性缺陷，結(jié)構(gòu)性缺陷是指管道結(jié)構(gòu)本身出現(xiàn)損傷，例如破裂、腐蝕、錯口、變形、脫節(jié)、起伏、接口材料脫落、支管暗接、異物穿入、滲漏等。功能性缺陷是影響管道過流能力的缺陷，例如沉積、結(jié)垢、殘墻壩根、障礙物、樹根、浮渣等。結(jié)構(gòu)性缺陷需要通過管道修復(fù)才能消除，功能性缺陷可以通過管道清淤、疏通來改善。為了量化管道缺陷，從而對缺陷合理評估，該規(guī)程中對每種缺陷進(jìn)行了具體的定義，并根據(jù)缺陷嚴(yán)重程度的不同，將管道缺陷分級，每個缺陷的每一等級均有對應(yīng)的分值。最后通過加權(quán)平均的方式計算總分值，確定管道整體缺陷等級。最終根據(jù)評價結(jié)果制定對應(yīng)的管道修復(fù)或養(yǎng)護(hù)對策。管道評估流程圖如圖1所示。

圖1 管道評估流程圖

2.2 管道評估參數(shù)

根據(jù)管道缺陷參數(shù)可以判斷管道缺陷等級，結(jié)構(gòu)性缺陷采用式（1）功能性缺陷采用式（2），計算管道缺陷總分值S 與Y。

式中：n—結(jié)構(gòu)性缺陷數(shù)量；

n—縱向凈距大于1.5m 的缺陷數(shù)量；

n—縱向凈距＞1.0m 且≤1.5m 的缺陷數(shù)量；

P—縱向凈距＞1.5 m 的缺陷數(shù)量分值；

P—縱向凈距＞1.0m 且≤1.5m 的缺陷數(shù)量分值；

α—結(jié)構(gòu)性缺陷影響系數(shù)，與缺陷間距有關(guān)。當(dāng)缺陷的縱向凈距 ＞1.0m 且≤1.5m 時，α=1.1。

式中：m—管段的結(jié)構(gòu)性缺陷數(shù)量；

m—縱向凈距＞1.5m 的缺陷數(shù)量；

m—縱向凈距＞1.0m 且≤1.5m 的缺陷數(shù)量；

P—縱向凈距＞1.5 m 的缺陷數(shù)量分值；

P—縱向凈距＞1.0m 且≤1.5m 的缺陷數(shù)量分值；

β—結(jié)構(gòu)性缺陷影響系數(shù)，與缺陷間距有關(guān)。當(dāng)缺陷的縱向凈距 ＞1.0m 且≤1.5m 時，α=1.1。

管道內(nèi)如果有一處受阻或損壞，則影響全線管道，因此，管道的損壞狀況等級取決于管段中最嚴(yán)重的缺陷。將計算總分值與最嚴(yán)重的單個缺陷分值相比較，取二者的高值即管段缺陷參數(shù)的分值，結(jié)構(gòu)性缺陷F 值、功能性缺陷G 值。

最后，采用式（3）計算結(jié)構(gòu)缺陷管段修復(fù)指數(shù)RI，采用式（4）計算功能缺陷管段養(yǎng)護(hù)指數(shù)MI。

式中：RI—管段修復(fù)指數(shù)；

MI—管段養(yǎng)護(hù)指數(shù)；

K—地區(qū)重要性參數(shù)，根據(jù)管道所在區(qū)域重要性由不同取值；

E—管道重要性參數(shù)，不同管徑大小對應(yīng)不同取值；

T—土質(zhì)影響參數(shù)，根據(jù)管道所在地不同土質(zhì)由不同取值。

計算出的RI 值、MI 值，分別對應(yīng)表1、表2 確定管道的修復(fù)等級，得到評估結(jié)果，結(jié)合管道實際情況進(jìn)行修復(fù)、維護(hù)或者疏通。

表1 管道修復(fù)等級劃分

表2 管道養(yǎng)護(hù)等級劃分

3 工程應(yīng)用

北京市昌平區(qū)近幾年已成熟地將管道檢測技術(shù)應(yīng)用于老舊管道修復(fù)工程中，下面以北京市昌平區(qū)城鎮(zhèn)雨污水改造工程（西關(guān)北路段）為典型案例進(jìn)行分析。

3.1 項目概況

本項目管段位于昌平老城區(qū)內(nèi)，因運行多年，出現(xiàn)檢查井污水外溢、管線不能正常排污的問題，影響周邊環(huán)境及居民生活，急需查明原因并進(jìn)行修復(fù)。該段管線長度共413m，材質(zhì)為鋼筋混凝土管，管徑為DN400～DN500，管道位于城區(qū)交通繁忙地帶，緊鄰雨水、燃?xì)?、電信、電? 條管線，不具備開挖修復(fù)條件，因此，首先對管道進(jìn)行檢測，然后根據(jù)檢測問題進(jìn)行非開挖修復(fù)。

3.2 管道檢測方案

檢測作業(yè)的工作流程見圖2。

圖2 管道檢測工作流程

3.2.1 檢測所用設(shè)備儀器

本次檢測采用CCTV 與QV 相結(jié)合的方式，用到的設(shè)備有Dolphin-L2管道檢測機(jī)器人（圖3）和Peek 2S管道潛望鏡（圖4）。Dolphin-L2 管道檢測機(jī)器人由觸控終端、便攜式線纜車和機(jī)器人爬行器三部分組成，提供手機(jī)APP，可通過手機(jī)控制機(jī)器人，觀察管道內(nèi)部細(xì)節(jié)。管道檢測機(jī)器人搭載210 萬像素網(wǎng)絡(luò)數(shù)字?jǐn)z像頭，10 倍光學(xué)變焦、軸向360°、徑向180°，可以獲取管網(wǎng)內(nèi)部1080P 高清圖像，管道缺陷細(xì)節(jié)清晰可見。Peek2S 管道潛望鏡采用無線傳輸技術(shù)，主機(jī)配備可拆卸大容量電池，可根據(jù)需要選添加激光測距裝置，具有400 萬像素高清攝像機(jī)，具備錄制、抓拍功能。

圖3 Dolphin-L2 管道檢測機(jī)器人

圖4 Peek2S 管道潛望鏡

3.2.2 檢測結(jié)果分析

本項目管道共413m，根據(jù)檢查井的分布和管道檢測方式的不同將管道分為2 部分進(jìn)行檢測，其中W5～W10 段共298m，管內(nèi)有水且淤堵嚴(yán)重，采用管道潛望鏡檢測。W21-W24段共115m，采用管道檢測機(jī)器人檢測。本次檢測共發(fā)現(xiàn)20 處缺陷，具體缺陷分布情況見表3、表4。

表3 管道缺陷統(tǒng)計表（W5～W10 段）

續(xù)表3

表4 管道缺陷統(tǒng)計表（W21～W24 段）

根據(jù)檢測情況統(tǒng)計表，W5～W10 段存在10 處功能性缺陷，其中3 級缺陷4 個，2 級缺陷3 個，1 級缺陷3 個，主要問題為沉積、漂浮物及樹根侵入，缺陷分析圖見圖6（a～d）。

圖6 W5～W10 段管道缺陷圖像

W21～W24 段存在10 處結(jié)構(gòu)性缺陷，其中3 級缺陷5 個，2 級缺陷5 個，主要問題有腐蝕、脫節(jié)、破裂、錯口等，缺陷分析圖見圖7（a～d）。

圖7 W21～W24 段管道缺陷圖像

3.2.3 管道修復(fù)建議

W5～W10 段管道結(jié)構(gòu)狀況基本完好，但管道過流受阻嚴(yán)重，計算管道養(yǎng)護(hù)指數(shù)MI 為4.85，應(yīng)對其進(jìn)行清疏、降低水位、切斷樹根。由于障礙物的覆蓋，管道內(nèi)可能存在其他性缺陷無法凸顯，疏通完成后需安排進(jìn)一步的管道內(nèi)窺檢測，以判斷管道是否存在其他隱性缺陷。

W21～W24 段管道結(jié)構(gòu)狀況受到影響，計算管道修復(fù)指數(shù)RI 為4.2，管道內(nèi)存在多處破裂、錯口嚴(yán)重、支管暗接等問題，嚴(yán)重影響了目前排水管道的安全運行，應(yīng)盡快修復(fù)。

4 問題與建議

目前，大部分地區(qū)對管道檢測的工作主要是在老舊供水管道更新改造、黑臭水體治理等項目中，對管道檢測和評估工作能夠尚缺乏長效管理機(jī)制和系統(tǒng)性。另外，不同地區(qū)管道因地質(zhì)差異會出現(xiàn)不同的缺陷，同樣的缺陷對于不同管材、不同接口的影響也不同，國內(nèi)參考依據(jù)較少，需要較為完善的、具有針對性的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)來彌補，同時要建立統(tǒng)一的管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)，做到信息更新、成果共享。

管道檢測雖然有明確的操作規(guī)程和評價指標(biāo)，但是針對圖像數(shù)據(jù)的評價還是帶有一定的主觀性。管道經(jīng)過多年的運行，內(nèi)部情況非常復(fù)雜，而管道檢測的圖像數(shù)據(jù)由于條件限制而不夠清晰，這就要求操作人員需要有一定的工作經(jīng)驗，對管道情況進(jìn)行準(zhǔn)確判斷與評價。這一點需要通過將來足夠多的工程實例的積累，使管道檢測結(jié)果能夠更加準(zhǔn)確、具體，評價方法能夠更加客觀、直接。

5 結(jié)語

隨著城市的發(fā)展，科技的進(jìn)步，對管道檢測的需求越來越多，適應(yīng)現(xiàn)代城市的管道檢測技術(shù)方式也在越來越多樣化。管道檢測技術(shù)日趨成熟，全面、準(zhǔn)確、科學(xué)地提供了城市管道現(xiàn)狀資料，為城市管道改造、修復(fù)提供了最為快速、經(jīng)濟(jì)的解決方案。管道檢測技術(shù)既可避免對管道的“開膛破肚”，節(jié)省人力，又為政府節(jié)約大量資金，同時減少了對城市人民生活的影響，具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境效益。實踐結(jié)果表明，管道檢測方法操作性強(qiáng)，結(jié)果可靠。相信未來管道檢測技術(shù)在我國將發(fā)揮更加重要的作用。