基于聲波傳播特性的地下管線探測技術研究

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發展的“血管”，是百姓安居樂業的基礎設施，更是城市高質量發展的“生命線”，擔負著為城市輸送能量、調配資源、疏解廢料等重要職責。

南京已建立起完整的地下管線數據庫系統，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、點多、歷史悠久”等特點，地下管線錯綜復雜。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，地下管線會出現彎曲、脫空和走向改變等工況，嚴重情況下會發生泄漏和破壞。地下管線由于埋設隱蔽，無法進行直接觀測。而常規開挖探測不僅破壞道路環境而且影響交通通行，因此采用準確而高效的非開挖探測手段是必要的[1]。該文根據聲學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，提出基于聲學傳播的地下管線探測技術，該技術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。該文結合實際排水管線工程，驗證了該探測方法的準確性和適用性。

1 工程概況

南京市區某地下雨水管線從安裝至投入使用時間約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。測區排水管部位陸續出現多處局部下陷，經初步排查統計，排水管線存在共25 處不同程度的坍塌。部分水管開挖后發現交界處錯位及管線變形較大、特別是Y22-Y54 區域混凝土管出現裂縫現象。

2 探測方案的制定

2.1 管線設計

管線的設計和計算應按照《給水排水工程管道結構設計規范》（GB 50332—2002）和《埋地塑料排水管道施工標準圖集》（04S520）進行[1]，用于地面排水管線的設計。根據現場實際情況，檢查管線尺寸和位置的變化，根據試驗參數檢查管線變形是否符合規范要求。

2.2 現場管線材料取樣

根據以往的工作經驗和專業環形剛度試驗單位的咨詢結果，管線投入運營后的環形剛度測試值不能作為初始值。管線取樣測試包括以下內容：1）雙圓波紋管主要檢查管線的外觀、材料和結構尺寸。2）混凝土管線主要測試管線的外觀、結構尺寸和加固系數[2]。該試驗主要用于檢查管環的剛度是否符合規范要求。檢驗最重要的內容和方法包括界面測量和原材料檢驗。

2.3 開挖驗證

通過現場人工開挖和加壓，必須根據施工規范檢查施工進度，并目測管線保護措施是否符合規范要求。試驗的主要內容和方法包括現場開挖確認、密封試驗和病害位置。

2.4 現場外觀檢查

在現場由工作人員進行開挖檢查，選擇開挖規模小、操作方便的場地。選擇Y22 至Y54 進行開挖檢查。該段平均埋設深度為1.8 m，管線直徑為800 mm。現場密封試驗應采用灌水法[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，經過處理該信號的特征后得到地下管線相關信息。該聲波信號一般由人為進行主動激發，一般有兩種激發方式：一種是地面激發，另一種是管道激發。其中地面激發由于受土壤層干擾大，且準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。通過發射器發出探測聲波，主要分為兩部分：一部分是經過地面的初始波，該波段首先被接收器接收；第二部分為傳遞到埋地管道，并激發管道振動產生的初始波。初始波經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，明確地下管道相關特性[4]，聲波探測原理如圖1 所示。在實際工程中可在埋設管道地面多點進行聲波探測，進而得到管道整體信息。

圖1 聲波探測原理

3.2 工程參數

該研究基于管線在層狀介質中剪切或壓縮傳播的反射系數和透射系數，計算管線位置，獲得并分析理論值。根據管線回填的標準，土層I 的深度，即與管線中心軸的距離設置為0.4 m。第一層為砂，第二層為密實砂。MDPE 管物理參數見表1。

表1 分層土壤性質

根據介質性質以及聲波在土壤中的波速，當壓力波的入射角為54°時，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°。因為初始波相比于表面波傳遞距離更長，所以反射波入射角和反射角均較小且到達接收器的時間更晚。這個特性可用于區分地面產生的表面波對探測結果的干擾。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，且此時反射波的振幅最小。這是因為該頻率探測波段下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。在地面上布設一系列測量點，測量得到每個點的位移幅值和相位信息。探測得到液體的波速為482 m/s，實測結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[6]。

圖2 顯示了200 Hz 徑向位移反應的振幅云圖。圖中顯示，在點源激發下，管線的軸對稱流體波沿管線傳播，同時輻射到地面。輻射聲波到達地面并引起土壤振動。此外，彈性波在地面傳播時會反射，因為地面是自由表面，聲波在到達地面時會反射，以及管線下方地面中的PML 反射。PML 為完美匹配層（Perfect Matched Layer），探測設備中設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 振幅圖上觀察到點源（0.5），振幅輪廓為130 Hz～200 Hz。事實上，管線泄漏也可以被視為軸對稱流體波的點源[7]。因此，該方法可以探測管線的泄漏點。通過觀察130Hz、170Hz 和200Hz，無法找到點源，但管線兩端存在強烈反射。這是因為模型兩端的PML 不吸收反射波引起的反射[8]。當遇到管線的端部時，會發生類似的反射。

圖3 管線漏損成像圖

5 現場開挖與驗證

5.1 開挖驗證內容

5.1.1 密封性試驗

招標檢查主要在現場人工進行，因此選擇了開挖規模小、有操作空間的場地。選擇Y22 至Y54 區域段進行開挖檢查。該段平均填埋深度為1.8m，管線外徑為800mm。對受損區域和正常管線進行密封測試。根據密封性試驗結果，距離管側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。同時該段區域出現了三處脫空病害。

5.1.2 標準貫入試驗

標準貫入試驗在ZK1 孔1.1 m～1.3 m 和3.8 m～4.1 m 處進行。1.1m～1.3 m 處，標準貫擊數為25；3.8 mm～4.1 mm 處，標準貫擊數為23。兩段貫入試驗相差不大，性質較為統一。

5.1.3 取樣鉆孔測試

現場共鉆了4 個孔，最終鉆孔深度在8 m～10 m。在3m以下的鉆臺上得到了一個高度完整的巖芯樣本。根據土方工程的測試結果，土質的壓縮模量為3.14 MPa～5.48 MPa。通過取樣，現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，檢查管線的強度和分布。規范要求波紋管格直徑800mm 的最小壁厚不小于4.1 mm。現場收集了4 根塑料排水管進行測試。

5.2 驗證結果

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

表2 探測結果分析

在聲波探測中位置偏差最大值為0.4m，最小值為0.1m，對滲漏位置探測結果偏差位置最大，這是因為管線運輸物質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范圍值。由于土質沉降，埋深深度發生變化，整根管線埋深的最大值和最小值相差0.8m，不影響管線內流體流動性能。

6 探測結果分析及原因

6.1 測試結果

勘探、現場管線取樣和人工測試的主要結果如下：1）管線Y84-Y23 和Y22-Y54 的變形率超過要求標準的5%；而且Y22-Y54 區域的管線在現場嚴重變形。2）薄壁波紋管壁厚不符合規范要求。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準150 mm（現場檢查350mm 范圍內未發現鋼筋）。管線兩端未對鋼筋加密，管線支撐結構的縱向直徑小于4.00mm（取樣約3.0mm）的標準要求。3）在鉆探探測過程中，現場沒有礫石，管線被沙子填滿。在沒有良好的保護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。當管線頂部加載時，可能會導致管線在倒塌和損壞。

6.2 事故原因初步分析

根據上述研究和試驗，綜合分析表明，管線損壞的直接原因是過度變形和嚴重的接口錯誤。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，不符合規范的密封要求，密封材料不符合規范要求，導致管壁周圍的底側剛度降低。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范要求，剛性不足導致變形較大；鋼筋混凝土管線中缺少鋼筋會導致強度和剛度不足、過度變形和開裂。3）管線連接套管和橡膠圈脫落，并出現許多裂縫，導致泥沙流入管線，管線周圍的土壤進一步破壞，造成管線坍塌和彎曲破壞。

7 結論

該文基于聲波在土壤中的傳播和反射特性，分析了基于聲學方法的地下管線探測技術的理論基礎和探測結果，可以得到以下結論：1）通過分析地震動的幅值和相位信息，計算測點振動與點聲源之間的傳遞函數，繪制成像幅值和相位等值線，以探測管線的方向和漏點。2）對具體管線段落開挖取樣，驗證了聲波探測方法的準確性。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到較高的準確度。