呂 猛

（南京千府工程有限公司，江蘇 南京 210024）

0 引言

地下管線是城市建設(shè)發(fā)展的“血管”，是百姓安居樂業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施，更是城市高質(zhì)量發(fā)展的“生命線”，擔(dān)負(fù)著為城市輸送能量、調(diào)配資源、疏解廢料等重要職責(zé)。

南京已建立起完整的地下管線數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，截至2022年底，入庫管線長度約20 萬公里，管線種類囊括9 大類35小類，南京市地下管線存在“面廣、量大、點(diǎn)多、歷史悠久”等特點(diǎn)，地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜。其中排水管線入庫長度約5.6萬公里，占入庫管線總長度的28%。

由于滑坡、地下空洞、交通荷載、人為因素和地下水影響，地下管線會出現(xiàn)彎曲、脫空和走向改變等工況，嚴(yán)重情況下會發(fā)生泄漏和破壞。地下管線由于埋設(shè)隱蔽，無法進(jìn)行直接觀測。而常規(guī)開挖探測不僅破壞道路環(huán)境而且影響交通通行，因此采用準(zhǔn)確而高效的非開挖探測手段是必要的[1]。該文根據(jù)聲學(xué)傳播特性以及聲波在土壤和管線位置處傳播特性的差異性，提出基于聲學(xué)傳播的地下管線探測技術(shù)，該技術(shù)可以提高地下排水管線探測效率，為管線探測工程提供參考。該文結(jié)合實(shí)際排水管線工程，驗(yàn)證了該探測方法的準(zhǔn)確性和適用性。

1 工程概況

南京市區(qū)某地下雨水管線從安裝至投入使用時(shí)間約4年，由于地層沉降、水流沖刷和車輛碾壓等影響，管線出現(xiàn)走向改變或者變形病害，需要探測明確的變形及病害位置及深度。測區(qū)排水管部位陸續(xù)出現(xiàn)多處局部下陷，經(jīng)初步排查統(tǒng)計(jì)，排水管線存在共25 處不同程度的坍塌。部分水管開挖后發(fā)現(xiàn)交界處錯(cuò)位及管線變形較大、特別是Y22-Y54 區(qū)域混凝土管出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象。

2 探測方案的制定

2.1 管線設(shè)計(jì)

管線的設(shè)計(jì)和計(jì)算應(yīng)按照《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50332—2002）和《埋地塑料排水管道施工標(biāo)準(zhǔn)圖集》（04S520）進(jìn)行[1]，用于地面排水管線的設(shè)計(jì)。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，檢查管線尺寸和位置的變化，根據(jù)試驗(yàn)參數(shù)檢查管線變形是否符合規(guī)范要求。

2.2 現(xiàn)場管線材料取樣

根據(jù)以往的工作經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)環(huán)形剛度試驗(yàn)單位的咨詢結(jié)果，管線投入運(yùn)營后的環(huán)形剛度測試值不能作為初始值。管線取樣測試包括以下內(nèi)容：1）雙圓波紋管主要檢查管線的外觀、材料和結(jié)構(gòu)尺寸。2）混凝土管線主要測試管線的外觀、結(jié)構(gòu)尺寸和加固系數(shù)[2]。該試驗(yàn)主要用于檢查管環(huán)的剛度是否符合規(guī)范要求。檢驗(yàn)最重要的內(nèi)容和方法包括界面測量和原材料檢驗(yàn)。

2.3 開挖驗(yàn)證

通過現(xiàn)場人工開挖和加壓，必須根據(jù)施工規(guī)范檢查施工進(jìn)度，并目測管線保護(hù)措施是否符合規(guī)范要求。試驗(yàn)的主要內(nèi)容和方法包括現(xiàn)場開挖確認(rèn)、密封試驗(yàn)和病害位置。

2.4 現(xiàn)場外觀檢查

在現(xiàn)場由工作人員進(jìn)行開挖檢查，選擇開挖規(guī)模小、操作方便的場地。選擇Y22 至Y54 進(jìn)行開挖檢查。該段平均埋設(shè)深度為1.8 m，管線直徑為800 mm?，F(xiàn)場密封試驗(yàn)應(yīng)采用灌水法[3]。

3 基于聲波地下管線非開挖探測

3.1 探測設(shè)備和探測原理

基于聲波的地下管線探測方式的核心思想是通過搜集地下管道傳出的聲波信號，經(jīng)過處理該信號的特征后得到地下管線相關(guān)信息。該聲波信號一般由人為進(jìn)行主動激發(fā)，一般有兩種激發(fā)方式：一種是地面激發(fā)，另一種是管道激發(fā)。其中地面激發(fā)由于受土壤層干擾大，且準(zhǔn)確傳遞給管道存在一定的困難，因此該文選擇管道自身激發(fā)的方式。

該研究采用聲波振動式地下管道探測器，基于充液通道的自由振動特性，通過激發(fā)流體波和管線上方的地震動信號來探測地下管線的位置和病害。通過發(fā)射器發(fā)出探測聲波，主要分為兩部分：一部分是經(jīng)過地面的初始波，該波段首先被接收器接收；第二部分為傳遞到埋地管道，并激發(fā)管道振動產(chǎn)生的初始波。初始波經(jīng)過埋地管道振動反射后形成反射波，反射波被接收器接收。接觸受通過對反射波的處理和分析，明確地下管道相關(guān)特性[4]，聲波探測原理如圖1 所示。在實(shí)際工程中可在埋設(shè)管道地面多點(diǎn)進(jìn)行聲波探測，進(jìn)而得到管道整體信息。

圖1 聲波探測原理

3.2 工程參數(shù)

該研究基于管線在層狀介質(zhì)中剪切或壓縮傳播的反射系數(shù)和透射系數(shù)，計(jì)算管線位置，獲得并分析理論值。根據(jù)管線回填的標(biāo)準(zhǔn)，土層I 的深度，即與管線中心軸的距離設(shè)置為0.4 m。第一層為砂，第二層為密實(shí)砂。MDPE 管物理參數(shù)見表1。

表1 分層土壤性質(zhì)

根據(jù)介質(zhì)性質(zhì)以及聲波在土壤中的波速，當(dāng)壓力波的入射角為54°時(shí)，表面波的反射角為73°。投入土壤中的初始波的入射角為32°，反射波的反射角為21°。因?yàn)槌跏疾ㄏ啾扔诒砻娌▊鬟f距離更長，所以反射波入射角和反射角均較小且到達(dá)接收器的時(shí)間更晚。這個(gè)特性可用于區(qū)分地面產(chǎn)生的表面波對探測結(jié)果的干擾。對于不同頻率的探測聲波來說，200Hz 工況下表面波和反射波的信號最清晰，且此時(shí)反射波的振幅最小。這是因?yàn)樵擃l率探測波段下I 層土體和II 型層土體干擾最小，因此該案例采用200Hz 作為探測聲波頻率。

4 探測結(jié)果

4.1 管線方向探測

土壤振動在一定程度上反映了軸對稱流體波在地下管線中的傳播情況。在地面上布設(shè)一系列測量點(diǎn)，測量得到每個(gè)點(diǎn)的位移幅值和相位信息。探測得到液體的波速為482 m/s，實(shí)測結(jié)果通常與理論值一致，在110 Hz 的低頻率下觀察到反射引起的波動，表明管線液體波被激發(fā)[6]。

圖2 顯示了200 Hz 徑向位移反應(yīng)的振幅云圖。圖中顯示，在點(diǎn)源激發(fā)下，管線的軸對稱流體波沿管線傳播，同時(shí)輻射到地面。輻射聲波到達(dá)地面并引起土壤振動。此外，彈性波在地面?zhèn)鞑r(shí)會反射，因?yàn)榈孛媸亲杂杀砻?，聲波在到達(dá)地面時(shí)會反射，以及管線下方地面中的PML 反射。PML 為完美匹配層（Perfect Matched Layer），探測設(shè)備中設(shè)置完美匹配層的作用在于吸收入射波，模擬無限長的管道埋在無限大的土壤中。

圖2 200Hz 聲波下土壤垂直位移云圖

4.2 管線漏損成像

信號幅值表示振動的幅值。模擬模型地面測量點(diǎn)的路徑幅度輪廓如圖3 所示。由于低頻反射的重要影響，此處不考慮。可以在180 Hz 和190 Hz 振幅圖上觀察到點(diǎn)源（0.5），振幅輪廓為130 Hz～200 Hz。事實(shí)上，管線泄漏也可以被視為軸對稱流體波的點(diǎn)源[7]。因此，該方法可以探測管線的泄漏點(diǎn)。通過觀察130Hz、170Hz 和200Hz，無法找到點(diǎn)源，但管線兩端存在強(qiáng)烈反射。這是因?yàn)槟Ｐ蛢啥说腜ML 不吸收反射波引起的反射[8]。當(dāng)遇到管線的端部時(shí)，會發(fā)生類似的反射。

圖3 管線漏損成像圖

5 現(xiàn)場開挖與驗(yàn)證

5.1 開挖驗(yàn)證內(nèi)容

5.1.1 密封性試驗(yàn)

招標(biāo)檢查主要在現(xiàn)場人工進(jìn)行，因此選擇了開挖規(guī)模小、有操作空間的場地。選擇Y22 至Y54 區(qū)域段進(jìn)行開挖檢查。該段平均填埋深度為1.8m，管線外徑為800mm。對受損區(qū)域和正常管線進(jìn)行密封測試。根據(jù)密封性試驗(yàn)結(jié)果，距離管側(cè)20cm 的密封度為0.75～0.80，管頂正上方0.5m 處密封度在0.77～0.79，底部墊層密封度為0.85。同時(shí)該段區(qū)域出現(xiàn)了三處脫空病害。

5.1.2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)在ZK1 孔1.1 m～1.3 m 和3.8 m～4.1 m 處進(jìn)行。1.1m～1.3 m 處，標(biāo)準(zhǔn)貫擊數(shù)為25；3.8 mm～4.1 mm 處，標(biāo)準(zhǔn)貫擊數(shù)為23。兩段貫入試驗(yàn)相差不大，性質(zhì)較為統(tǒng)一。

5.1.3 取樣鉆孔測試

現(xiàn)場共鉆了4 個(gè)孔，最終鉆孔深度在8 m～10 m。在3m以下的鉆臺上得到了一個(gè)高度完整的巖芯樣本。根據(jù)土方工程的測試結(jié)果，土質(zhì)的壓縮模量為3.14 MPa～5.48 MPa。通過取樣，現(xiàn)場測試了土壤的腐蝕性。土壤的pH 值為5.09，腐蝕程度中等[9]。

5.1.4 場管材取樣測試

對雙壁波紋管，檢查管線的外部尺寸；對混凝土管線，檢查管線的強(qiáng)度和分布。規(guī)范要求波紋管格直徑800mm 的最小壁厚不小于4.1 mm?，F(xiàn)場收集了4 根塑料排水管進(jìn)行測試。

5.2 驗(yàn)證結(jié)果

Y22～Y54 段的開挖和聲波探測結(jié)果見表2，從表2 中可以看出聲波探測結(jié)果與開挖結(jié)果基本相同，脫空數(shù)量和管線走向探測值與真實(shí)值一致，脫空位置和滲漏位置相差較小。平均埋深預(yù)測一致，因此該開挖結(jié)果驗(yàn)證了該文提出的基于聲波管線探測方法的準(zhǔn)確性。

表2 探測結(jié)果分析

在聲波探測中位置偏差最大值為0.4m，最小值為0.1m，對滲漏位置探測結(jié)果偏差位置最大，這是因?yàn)楣芫€運(yùn)輸物質(zhì)被滲漏后影響了局部土體信號反射和傳播，因此聲波探測得到的是一個(gè)范圍值。由于土質(zhì)沉降，埋深深度發(fā)生變化，整根管線埋深的最大值和最小值相差0.8m，不影響管線內(nèi)流體流動性能。

6 探測結(jié)果分析及原因

6.1 測試結(jié)果

勘探、現(xiàn)場管線取樣和人工測試的主要結(jié)果如下：1）管線Y84-Y23 和Y22-Y54 的變形率超過要求標(biāo)準(zhǔn)的5%；而且Y22-Y54 區(qū)域的管線在現(xiàn)場嚴(yán)重變形。2）薄壁波紋管壁厚不符合規(guī)范要求。直徑800mm 管線的壁厚為2.34mm～3.61mm，不滿足直徑800mm 管線最小厚度為4.1mm。從鋼筋混凝土管線到鋼筋混凝土的距離明顯高于標(biāo)準(zhǔn)150 mm（現(xiàn)場檢查350mm 范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)鋼筋）。管線兩端未對鋼筋加密，管線支撐結(jié)構(gòu)的縱向直徑小于4.00mm（取樣約3.0mm）的標(biāo)準(zhǔn)要求。3）在鉆探探測過程中，現(xiàn)場沒有礫石，管線被沙子填滿。在沒有良好的保護(hù)層和水平管線剛度極限的情況下，雙壁波紋管的垂直荷載壓縮承載力較低。當(dāng)管線頂部加載時(shí)，可能會導(dǎo)致管線在倒塌和損壞。

6.2 事故原因初步分析

根據(jù)上述研究和試驗(yàn)，綜合分析表明，管線損壞的直接原因是過度變形和嚴(yán)重的接口錯(cuò)誤。排水管過度變形甚至倒塌的主要原因如下：1）管線周圍的底部脫空，不符合規(guī)范的密封要求，密封材料不符合規(guī)范要求，導(dǎo)致管壁周圍的底側(cè)剛度降低。管線的不均勻張力加劇了管線的垂直變形。2）雙壁波紋管壁厚不符合規(guī)范要求，剛性不足導(dǎo)致變形較大；鋼筋混凝土管線中缺少鋼筋會導(dǎo)致強(qiáng)度和剛度不足、過度變形和開裂。3）管線連接套管和橡膠圈脫落，并出現(xiàn)許多裂縫，導(dǎo)致泥沙流入管線，管線周圍的土壤進(jìn)一步破壞，造成管線坍塌和彎曲破壞。

7 結(jié)論

該文基于聲波在土壤中的傳播和反射特性，分析了基于聲學(xué)方法的地下管線探測技術(shù)的理論基礎(chǔ)和探測結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：1）通過分析地震動的幅值和相位信息，計(jì)算測點(diǎn)振動與點(diǎn)聲源之間的傳遞函數(shù)，繪制成像幅值和相位等值線，以探測管線的方向和漏點(diǎn)。2）對具體管線段落開挖取樣，驗(yàn)證了聲波探測方法的準(zhǔn)確性。聲波探測方法在管線埋深、脫空病害、滲漏位置和管線走向方面都能達(dá)到較高的準(zhǔn)確度。