管道機(jī)器人在隧道暗溝清理工作中的應(yīng)用

張昆陽

(重慶中宇工程咨詢監(jiān)理有限責(zé)任公司， 重慶 400067)

根據(jù)《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》(JTG H12—2015)2.2.4條要求,隧道的排水設(shè)施應(yīng)定期進(jìn)行清理和疏通。其中排水設(shè)施的清理不宜少于1次/半年。在雨季，應(yīng)加強(qiáng)對排水設(shè)施的檢查和清理疏通工作，對于縱坡小的隧道或隧道的洞口區(qū)段，應(yīng)加強(qiáng)其清理和疏通工作[1]。隧道暗溝位于拱墻邊，路面以下屬于隱蔽性水溝，運(yùn)營養(yǎng)護(hù)階段，其定期巡查工作是隧道運(yùn)營期的一個(gè)重難點(diǎn)。目前，管道機(jī)器人開始用于隧道排水溝的清理和疏通。

1 管道機(jī)器人的發(fā)展及分類

隧道工程路面兩側(cè)排水溝多為暗溝形式，位于路面下約30 cm，以矩形為主。該暗溝主要收集二襯與初支間的滲水，二襯內(nèi)通過連接縱向排水管(三通管)將水排至縱向暗溝，暗溝在縱向每隔50 m左右設(shè)置一個(gè)檢查井(兼沉砂井)，頂部蓋板可以打開。縱向排水暗溝是隧道內(nèi)排水的主要方式，如果水溝結(jié)構(gòu)破損或泥沙阻塞造成涌水，將會(huì)造成路面起皮或鼓包，也給隧道行車帶來很大的安全陷患[2]。

傳統(tǒng)的水溝清理，只能通過檢查井進(jìn)行觀察和沖洗，由于無法獲知其阻塞位置及暗溝內(nèi)部情況，沖洗效果較差，無法保證設(shè)計(jì)流水?dāng)嗝?，造成相關(guān)隱患無法根治，這個(gè)問題長期存在。

自1978年法國提出了腿足式的管道機(jī)器人以來，管道機(jī)器人開始了迅猛的發(fā)展，其中一部分管道機(jī)器人已進(jìn)入到實(shí)際應(yīng)用階段，在管道的日常檢查、排查、維修中發(fā)揮了重要的作用。管道機(jī)器人在我國的發(fā)展比國外發(fā)展起步晚，哈爾濱工業(yè)大學(xué)最先研究的輪式行走管道機(jī)器人，主要用于大口徑管道的自動(dòng)化檢測；上海大學(xué)最先研制的細(xì)小工業(yè)管道機(jī)器人的移動(dòng)探測器集成系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)20 mm管道內(nèi)探測[2]。

管道機(jī)器人通常采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括爬行器、上位控制單位、檢測單元、輔助裝置、圖像處理軟件等模塊[3-4]。此外，管道機(jī)器人還包括檢測單元、圖像處理軟件、輔助設(shè)備、電纜絞盤等模塊，見表1。

表1 管道機(jī)器人主要模塊與功能Table 1 Main modules and functions of the pipeline robot

2 管道機(jī)器人的應(yīng)用

2.1 管道機(jī)器人工作原理

目前，在隧道暗溝、管廊應(yīng)用最廣泛的是輪式管道機(jī)器人，如圖1所示，由主控制器，電纜盤，爬行器及鏡頭4部分組成。主機(jī)控制爬行器于管道內(nèi)爬行，可360°全方位觀察與檢測管道內(nèi)銹層、結(jié)垢、腐蝕、穿孔、裂紋等情況，并將相關(guān)視頻數(shù)據(jù)通過電纜線回傳至電腦系統(tǒng)，應(yīng)用軟件通過分析視頻，結(jié)合原始坐標(biāo)及抓拍圖像，生成檢測報(bào)告[5-7]、長度及評判總體情況，為后續(xù)管道維修、養(yǎng)護(hù)提供全方位的數(shù)據(jù)資料。

圖1 自行式隧道暗溝輪式機(jī)器人Fig.1 Self-propelled wheel robot in tunnel underdrain

2.2 管道機(jī)器人的工作流程

隧道內(nèi)排水溝為暗溝形式，每50 m一個(gè)檢查井，暗溝流水?dāng)嗝鏋?0 cm×35 cm。施工現(xiàn)場嚴(yán)格按照《公路養(yǎng)護(hù)安全作業(yè)規(guī)程》(JTG H30—2015)相關(guān)要求擺放和設(shè)置各種施工安全設(shè)施，經(jīng)交警、路政部門驗(yàn)收后方可開工。管道機(jī)器人工作主要分為下放、檢測及數(shù)據(jù)分析3個(gè)階段，其工作流程如圖2所示。管道機(jī)器人隧道排水暗溝檢測、疏通作業(yè)如圖3所示。

圖2 管道機(jī)器人工作流程Fig.2 Process of pipeline robot

(a) 機(jī)器人下放

(b) 機(jī)器人檢測

(c) 數(shù)據(jù)分析

(d) 暗溝清理圖3 管道機(jī)器人隧道排水暗溝檢測、疏通作業(yè)Fig.3 Pipeline robot detection, dredging operation in tunnel underdrain

2.3 管道機(jī)器人的應(yīng)用成果

廣東惠清高速公路A1設(shè)計(jì)合同段起訖樁號K56+012.856～K96+738.262，主線路線全長40.725 km，路基較少，以橋隧道為主。全線隧道11座，長13 606 m，其中特長隧道4 222 m/1座、長隧道5 460 m/3座、中隧道2 488 m/3座、短隧道1 436 m/4座。南昆山特長隧道存在富水段及多個(gè)斷裂層，滲水較大。全線隧道排水暗溝共計(jì)總長達(dá)(單條累計(jì))53 140 m。該項(xiàng)目全面采用管道機(jī)器人對隧道暗溝進(jìn)行檢查，通過視頻反饋及后期軟件分析，建立了水溝堵塞數(shù)據(jù)臺(tái)賬，據(jù)此制定了處治方案，明確了處治設(shè)備的選用及施工計(jì)劃。

采用管道機(jī)器人1 d巡檢暗溝可達(dá)到600 m～800 m(視堵塞狀況不同)，相同人工1 d最多200 m左右，一座3 km隧道，14 d可完成全部巡查，并生成報(bào)告，大大節(jié)省了人力成本，提高了工作效率。

通過管道機(jī)器人巡檢查明內(nèi)部堵塞材質(zhì)主要分為2類：生活類垃圾、建筑材料和水泥漿沉積層及水質(zhì)鈣化沉淀物[8-13]。前者采用高壓水槍沖洗至檢查井集中打撈處理，后者采用回旋鉆頭配合高壓水頭進(jìn)行清理，嚴(yán)重堵塞部位采用開窗人工處理，其清理前后效果如圖4所示。清理后斷面滿足設(shè)計(jì)要求，清理效果符合隧道養(yǎng)護(hù)規(guī)范要求，隧道再?zèng)]有發(fā)生暗溝涌水險(xiǎn)情，保證了車輛通行安全。

(a) 機(jī)器人巡查情況(清理前)

(b) 機(jī)器人巡查情況(清理后)圖4 管道機(jī)器人隧道排水暗溝運(yùn)營養(yǎng)護(hù)巡查Fig.4 Operation and maintenance inspection of pipeline robot in tunnel under drain

3 問題與發(fā)展趨勢

3.1 存在問題

管道機(jī)器人在管網(wǎng)檢修巡查方面可替代人工，因此在電力電站、機(jī)房、綜合管廓和煤礦隧道等行業(yè)應(yīng)用廣泛，技術(shù)相對成熟。但用于交通隧道暗溝運(yùn)營養(yǎng)護(hù)巡檢存在以下問題：

1) 需進(jìn)行交通封閉，投入額外成本

管道機(jī)器人只能通過暗溝檢查井下放檢查，由于檢查井位于路面硬路肩位置，在進(jìn)行檢查前，需提前向路政單位申請道路封閉，一般不小于一個(gè)車道寬，并分為警告區(qū)、上游過渡區(qū)、緩沖區(qū)、工作區(qū)、下游過渡區(qū)、終止區(qū)，警界及導(dǎo)向長度不少于2 km。沿線設(shè)置導(dǎo)向牌、指示標(biāo)志、反光錐、水馬等交通設(shè)施。檢查前需由人工將井蓋撬開，并需投入一名專職安全員。

2) 機(jī)器人智能化程度不高

管道機(jī)器人檢測并未全面自動(dòng)化、智能化，控制單元仍須人工配合，不能做到通過視頻數(shù)據(jù)自動(dòng)分析前進(jìn)或后退。電纜絞盤模塊決定了巡檢視頻信號只能通過線纜傳輸且一次巡查的長度也受到限期。

3) 巡檢效率低下

管道機(jī)器人由于體積原因，同時(shí)為了獲得更好的視頻圖像，現(xiàn)場速度宜控制在15 m/min～25 m/min，日巡檢約600 m～800 m，部分堵塞狹窄段落，不能連續(xù)通過，疏通后需二次檢測，大大降低了檢測工作效率。

3.2 發(fā)展趨勢及展望

綜上分析，盡管存在上述問題，但管道機(jī)器人可進(jìn)入養(yǎng)護(hù)人員無法進(jìn)入的特殊環(huán)境，有獨(dú)特的檢測拍照視角，全面替代人工也是發(fā)展的大勢所趨。將來能夠作為交通隧道的核心智能化平臺(tái)，解決交通隧道中各種運(yùn)營問題，成為隧道中的關(guān)鍵智能化終端[14-15]。發(fā)展趨勢展望如下：

1) 管道機(jī)器人智能化程度提高，不需要人工操作前進(jìn)，只需輸入前進(jìn)、后退指令即可[6]。

2) 管道機(jī)器人實(shí)現(xiàn)圖像無線傳輸，電力能源供給瓶頸得到解決，能否參考電動(dòng)車的蓄電池，充一次電可實(shí)現(xiàn)長距離、長時(shí)間工作。

3) 管道機(jī)器人向輕型、微型化發(fā)展，能通過一些狹窄區(qū)域，適應(yīng)更多復(fù)雜地形。

4) 隧道排水暗溝設(shè)計(jì)階段增設(shè)管道機(jī)器人檢查進(jìn)出通道或軌道，為機(jī)器人定期巡檢創(chuàng)造條件。

5) 特別提出，對于在建隧道水溝施工完成后，通車前的清理工作也十分重要，應(yīng)作為交工前的重點(diǎn)檢查項(xiàng)目，從而減少50%的堵塞問題。另一方面，隧道襯砌完成后的二次補(bǔ)注漿及養(yǎng)生水都含有水泥鈣化物，極易沉淀對水溝造成堵塞，所以施工過程中也應(yīng)加強(qiáng)對廢水的收集，避免直接流入水溝，并將機(jī)器人檢查納入隧道排水溝暢通與否的過程檢測中。

4 結(jié)束語

隨著隧道通車后車流量的迅速增加，隧道運(yùn)行安全隱患和風(fēng)險(xiǎn)也相對增加，為有效提高交通運(yùn)行安全性，需要定期對一些管道、暗溝進(jìn)行巡查，但由于這些管網(wǎng)的特殊性，人工巡查的局限性，采用管道機(jī)器人對隧道暗溝進(jìn)行定期巡檢，已成為解決隧道這一運(yùn)營養(yǎng)護(hù)期工作難點(diǎn)的重要手段。

隨著管道機(jī)器人更新?lián)Q代及相關(guān)軟件的豐富，上述問題也會(huì)得到全面解決，管道機(jī)器人在隧道運(yùn)營養(yǎng)護(hù)上中將會(huì)有更廣泛的應(yīng)用。