薛 峰，呂 峰，李 婷，劉霽嬌，秦慶戊，王 海

(1.中國(guó)中建設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100037；2.四川美術(shù)學(xué)院，重慶 401331；3.五行科技股份有限公司，江蘇 泰州 225500；4.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 200092)

0 引言

市政排水管道由于長(zhǎng)時(shí)間使用，其混凝土管壁容易出現(xiàn)裂縫或裂痕等破損，從而影響排水管道整體排水效果，同時(shí)市政管網(wǎng)開挖檢修和維護(hù)嚴(yán)重影響居民的日常生活。針對(duì)上述問題，開發(fā)了市政管道數(shù)字化探測(cè)技術(shù)，研制了市政管道免開挖機(jī)器臂“無創(chuàng)”修復(fù)技術(shù)，以避免對(duì)原管道的開挖，在大幅縮短工期的同時(shí)，有效降低管道修復(fù)成本，減少市政管道開挖維修對(duì)社區(qū)環(huán)境的影響。

1 現(xiàn)存問題

我國(guó)在20世紀(jì)80年代城市化初期，建造了大量市政排水管道。經(jīng)過近40年的運(yùn)行，管道在滲漏、承壓方面，已不能滿足當(dāng)前的城市需求。隨著地上建筑規(guī)模日益擴(kuò)大，舊有的管道位置被覆蓋，管道圖紙也因年久而缺失，導(dǎo)致管道埋設(shè)位置通常不可探查，管線錯(cuò)綜復(fù)雜也給開挖修復(fù)帶來了巨大困難。針對(duì)以上問題，多采用開挖修復(fù)技術(shù)或內(nèi)部整管修補(bǔ)技術(shù)。前者檢修時(shí)需將其整根取出，開挖修復(fù)的施工成本遠(yuǎn)高于管材本身，導(dǎo)致大量人力、物力和財(cái)力的浪費(fèi)。后者免開挖，免更換整管，但工藝繁雜，只能進(jìn)行整管修補(bǔ)，且需要?jiǎng)佑娩搸魉蛪盒驮O(shè)備，來回至少3次穿管，費(fèi)時(shí)費(fèi)工。

2 非開挖修復(fù)技術(shù)思路

為解決上述問題，提出了一種市政管道更新“無創(chuàng)”修復(fù)的作業(yè)車。該作業(yè)車主要分為車體、驅(qū)動(dòng)件、支撐結(jié)構(gòu)和工作件四部分,如圖1所示。

圖1 工作車結(jié)構(gòu)分解Fig.1 The structure decomposed of work vehicle

1)為了讓作業(yè)車能夠在濕滑的管道內(nèi)平穩(wěn)行駛，在車體兩側(cè)設(shè)計(jì)了大葉片的驅(qū)動(dòng)輪，以增加車輪與管道接觸時(shí)的摩擦力，并在車體底部前端設(shè)置用于支撐的定向輪，防止作業(yè)車在管道內(nèi)打滑。

2)為了配合施工前期對(duì)淤堵處和破損處的精準(zhǔn)定位，使其更加準(zhǔn)確，在可旋轉(zhuǎn)的連接件上還設(shè)置了超聲波裝置，用于探知管道內(nèi)淤堵處和破損處的具體情況。

3)為解決市政排水管道出現(xiàn)的淤積和破損問題，設(shè)計(jì)了兩種不同的作業(yè)形態(tài)，如圖2所示。在管道清理時(shí)，作業(yè)車前端為可折疊、收縮至車身內(nèi)部的4個(gè)機(jī)械臂，保證作業(yè)車在直徑0.8m的洞口直上直下，大大減少維修時(shí)洞口開挖面積，有效節(jié)省人力和工期，減少路面損失。進(jìn)入管道后，為了讓機(jī)械臂有效地對(duì)淤堵部分進(jìn)行疏通，將其設(shè)計(jì)為爪形以增強(qiáng)機(jī)械臂的抓取力度，并將控制底板前端與機(jī)械臂連接的部分設(shè)置為可旋轉(zhuǎn)的連接件，協(xié)助機(jī)械臂疏松較為頑固的淤積。除此之外，考慮到排水管道具有不同的尺寸，為機(jī)械臂設(shè)計(jì)了可調(diào)節(jié)張開角度的功能，使其最大能適應(yīng)1.5m直徑的排水管道。

圖2 管道清理時(shí)作業(yè)車的工作狀態(tài)Fig.2 The working state of work vehicle during pipeline cleaning

在管壁修補(bǔ)時(shí)，采用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的柔性管狀材料，基于“功能分層”的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)了內(nèi)外異質(zhì)涂層結(jié)構(gòu)，同時(shí)滿足外層防機(jī)械損傷、耐受嚴(yán)酷環(huán)境，內(nèi)層抗水解、耐腐蝕、耐霉菌等性能要求，內(nèi)襯材料的中間則采用高強(qiáng)度纖維編織而成，能夠承受較大的膨脹壓力，從而對(duì)原管道形成保護(hù)。由于作業(yè)車在進(jìn)入管道時(shí)需將壓縮后的軟管套在機(jī)械臂上，因此作業(yè)車處于無法折疊的狀態(tài)，為了使其順利進(jìn)入，設(shè)計(jì)將作業(yè)車豎向放置進(jìn)管道的轉(zhuǎn)角處，通過對(duì)車體的控制將其面對(duì)修復(fù)目標(biāo)方向進(jìn)行90°旋轉(zhuǎn)，使其停放在橫向的排水管道中。在修復(fù)破損處時(shí)，為了使軟管更好地貼合管道，設(shè)計(jì)采用隱藏在車體內(nèi)的升降架將控制底板和機(jī)械臂移動(dòng)至管道的中心位置。針對(duì)不同尺寸的排水管道，在可旋轉(zhuǎn)的連接件上設(shè)置了與機(jī)械臂相連接的伸展臂，可根據(jù)管道直徑將軟管展開至合適大小，如圖3所示。為了使機(jī)械臂上的軟管固定在管壁內(nèi)，在機(jī)械臂的外側(cè)設(shè)計(jì)了紫外光燈帶條，結(jié)合可旋轉(zhuǎn)的連接件，使軟管通過照射更加全面地在管道內(nèi)部固化，形成高強(qiáng)度內(nèi)襯樹脂新管。

圖3 管壁修復(fù)時(shí)作業(yè)車的工作狀態(tài)Fig.3 The working state of the work vehicle when the pipe wall is repaired

3 實(shí)施方法

3.1 精確定位

為使作業(yè)車能夠精準(zhǔn)地找到淤堵或破損處，節(jié)約檢修時(shí)間，檢修先通過既有住區(qū)市政管道數(shù)字化探測(cè)，以現(xiàn)有的管網(wǎng)信息化系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集設(shè)備等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與信息為基礎(chǔ)，建立管網(wǎng)數(shù)字孿生模型，如圖4所示。通過新一代高智能算法，對(duì)管網(wǎng)的漏點(diǎn)在不同位置及漏量情況下的工況進(jìn)行模擬仿真，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖5所示。采用大規(guī)模并行計(jì)算的方式在短時(shí)間內(nèi)生成大量的仿真樣本，然后根據(jù)實(shí)測(cè)的管網(wǎng)運(yùn)行工況數(shù)據(jù)與樣本庫(kù)內(nèi)的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，采用機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)提升樣本比對(duì)的速度和辨識(shí)的精準(zhǔn)性，從而實(shí)現(xiàn)逆向的管網(wǎng)健康狀況判斷與檢測(cè)，準(zhǔn)確計(jì)算出管道泄漏點(diǎn)、積淤點(diǎn)、堵塞點(diǎn)，管道內(nèi)水流量分析負(fù)面如圖6所示。

圖4 排水管網(wǎng)建模與仿真系統(tǒng)主頁(yè)面Fig.4 Main page of drainage network modeling and simulation system

圖5 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.5 System architecture

圖6 管道內(nèi)水流量分析頁(yè)面Fig.6 Analysis page of water flow in the pipeline

3.2 管道清理

確定問題點(diǎn)后，檢修人員從距離問題點(diǎn)最近的檢查井放入作業(yè)車，作業(yè)車直徑0.6m，保證最小直徑的洞口可輕松進(jìn)入。作業(yè)車進(jìn)入檢查井后車體兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)車輛前行，在行進(jìn)過程中大葉片的驅(qū)動(dòng)輪對(duì)管道內(nèi)部淤堵部分進(jìn)行松解。對(duì)于淤堵較嚴(yán)重區(qū)域可通過作業(yè)車前端機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)、抓取等動(dòng)作對(duì)淤堵部分進(jìn)行疏通，如圖7所示。

圖7 管道疏通時(shí)作業(yè)車工作狀態(tài)Fig.7 The working state of the working vehicle when the pipeline is dredged

3.3 管壁修補(bǔ)

管道疏通工作完成后，通過作業(yè)車的機(jī)械臂將內(nèi)襯軟管帶入存在裂痕或裂縫的管道中，如圖8所示。然后根據(jù)作業(yè)車上超聲波裝置反饋的具體情況，操控作業(yè)車將浸漬感光性樹脂材料的復(fù)合軟管精準(zhǔn)帶到管道破損處，形成具有特定剛度的襯里，獨(dú)立于主管道，再由作業(yè)車前端機(jī)械臂將其撐開，使其緊貼需修復(fù)的管道內(nèi)壁，形成“管中管”復(fù)合結(jié)構(gòu)，隨后通過紫外光燈照射使樹脂在管道內(nèi)部固化，形成高強(qiáng)度內(nèi)襯樹脂新管，如圖9所示。修補(bǔ)完成后，機(jī)械臂收回并退出井口，完成全部修復(fù)工作。

圖8 復(fù)合軟管結(jié)構(gòu)Fig.8 Composite hose structure

圖9 作業(yè)車進(jìn)入管道修補(bǔ)示意Fig.9 Schematic diagram of work vehicle entering pipeline repair

4 技術(shù)優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用效果

4.1 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1)免開挖 相比傳統(tǒng)的排水管道修復(fù)方式，本技術(shù)基本可以做到“無創(chuàng)”修復(fù)，不必更換混凝土管，只需通過平臺(tái)計(jì)算堵點(diǎn)、漏點(diǎn)，并借助管道兩端的管井對(duì)管道實(shí)施精準(zhǔn)檢修，避免對(duì)原管道的開挖。

2)低成本 由于本技術(shù)采用局部“無創(chuàng)”維修，相比整管開挖更換可以減少25%～30%的施工成本。除此之外，作業(yè)車還具有多用途、可反復(fù)使用的特點(diǎn)，為管道施工單位大大節(jié)約了設(shè)備成本。

3)少污染 直接通過對(duì)作業(yè)車的操控進(jìn)行地下作業(yè)，無需人工開挖，避免開挖過程中產(chǎn)生噪聲、灰塵等。除此之外，整管更換的減少還有效保護(hù)了環(huán)境，減少了管道制作過程中產(chǎn)生的碳排放。

4)高效率 由于前期的精準(zhǔn)定位和后期的免開挖檢修，大幅縮短了施工工期。

5)提高工作效率 僅需兩位檢修人員在地面配合即可完成管道清理和修復(fù)工作。

6)節(jié)約材料 本技術(shù)通過對(duì)管道的精準(zhǔn)定位，只需要采用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的柔性管進(jìn)行小面積修補(bǔ)，避免對(duì)整個(gè)水泥管道進(jìn)行替換，不僅節(jié)省了管道材料還減少了建筑垃圾的產(chǎn)生。

7)易操作 本技術(shù)只需要操控作業(yè)車進(jìn)入管道進(jìn)行清淤補(bǔ)漏，操作簡(jiǎn)單，只需2人便可在地面完成整套修補(bǔ)工作。如圖10所示。

圖10 作業(yè)車在管道內(nèi)的工作狀態(tài)Fig.10 The working state of the work vehicle in the pipeline

4.2 應(yīng)用效果

本研究中提出的一種市政排水管道檢修用的作業(yè)車作為十三五國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃《既有居住建筑公共設(shè)施功能提升關(guān)鍵技術(shù)研究》的課題成果，由同濟(jì)大學(xué)作為課題共同研究單位提供了既有住區(qū)市政管道數(shù)字化探測(cè)及計(jì)算技術(shù)；由五行科技股份有限公司作為該課題項(xiàng)目示范單位在修復(fù)工程中轉(zhuǎn)化實(shí)施，在遼寧葫蘆島市打漁山排水管道(鋁業(yè)段)漏點(diǎn)修復(fù)工程中，采用該技術(shù)對(duì)17處管道漏點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)襯修補(bǔ)，整個(gè)修復(fù)工程快速有效，全程借助原有檢查井進(jìn)行施工，未對(duì)周邊環(huán)境造成影響，目前管線整體運(yùn)行效果良好。推動(dòng)了我國(guó)非開挖內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)在城市排水管網(wǎng)中的應(yīng)用，同時(shí)也為成果轉(zhuǎn)化單位帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 效益分析

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)有排水管道總長(zhǎng)125萬km，2013年至今國(guó)家在排水管道方面的投入達(dá)1 900多億元，該產(chǎn)品的推出，為這些老化管道的更新提供更優(yōu)的解決方案，具有廣闊的市場(chǎng)空間。

本文提出一種市政管道更新“無創(chuàng)”修復(fù)的作業(yè)車，避免了對(duì)原管道的開挖，相較于開挖后更換新管道，降低了25%～30%的施工成本，同時(shí)大幅縮短了施工工期。根據(jù)以上數(shù)據(jù)估算，該作業(yè)車投入生產(chǎn)后，如果可以廣泛推廣，做到技術(shù)全覆蓋，僅施工成本每年能節(jié)省57億元，對(duì)國(guó)家和企業(yè)都具有較大意義和較高價(jià)值。

5.2 社會(huì)效益

1)提高人民生活水平

針對(duì)老舊小區(qū)管道爆裂事故頻發(fā)、管道更新嚴(yán)重影響居民生活、現(xiàn)有技術(shù)成本較高等問題，研發(fā)了既有住區(qū)市政管道數(shù)字化探測(cè)和免開挖機(jī)器作業(yè)臂修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)維護(hù)施工，維修成本僅為開挖式維修的25%～30%，作業(yè)車在地下、管道內(nèi)作業(yè)，地面幾乎沒有聲音，有效減少了對(duì)居民日常生活的干擾和事故的發(fā)生。

2)改善施工人員勞動(dòng)條件

現(xiàn)有技術(shù)在挖掘時(shí)產(chǎn)生的大量塵土以及搬運(yùn)更換下來的混凝土管道對(duì)作業(yè)人員健康具有不良影響，本研究具有免開挖、少污染、高效率的優(yōu)勢(shì)，1～2個(gè)工人即可在地面輕松完成查找堵、漏點(diǎn)、清淤、修補(bǔ)工作，極大改善了作業(yè)人員的勞動(dòng)條件。

3)推動(dòng)城市建設(shè)可持續(xù)發(fā)展

管道數(shù)字探測(cè)免開挖機(jī)器臂修復(fù)技術(shù)有效轉(zhuǎn)變了住區(qū)公用設(shè)施和管線傳統(tǒng)粗放式改造方式?？扇?、科學(xué)地推動(dòng)既有居住建筑改造，實(shí)現(xiàn)既有居住建筑綜合性能的提升，進(jìn)一步增強(qiáng)我國(guó)既有建筑改造產(chǎn)業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，為我國(guó)城市建設(shè)可持續(xù)、宜居發(fā)展提供科技引領(lǐng)和技術(shù)支撐。

6 結(jié)語(yǔ)

管道數(shù)字探測(cè)免開挖機(jī)器臂修復(fù)技術(shù)有效地解決了現(xiàn)有技術(shù)工序復(fù)雜、成本過大、施工耗時(shí)等問題，為市政排水管道的更新提供更高效、安全的解決方案，具有廣闊的市場(chǎng)空間和社會(huì)價(jià)值。對(duì)于改善老舊小區(qū)居民住宅環(huán)境、保障人民生活、提高人民物質(zhì)文化生活水平也有很大的幫助。