城市管道病害非開挖檢測評估與工程應用

王偉楠 劉英 楊麗麗 吳后山

0 引言

城市管道承擔著城市供水、排澇、污水排除的任務，是城市安全運行的基礎保障。隨著城市規模的不斷擴大，地下水管線的負荷急劇增加，地下水管線經過多年的運行，容易出現各種缺陷，如管道內壁腐蝕、破裂、管間接口錯節、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、道路塌陷等嚴重問題，對國家財產造成巨大損失，甚至有些事故已經危及到人身安全。因此，對管道進行定期“體檢”并根據情況針對性地“治療”，才能做到防患于未然，從而降低災害事故的發生。

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，實現了管道檢測與評估方法的標準化。地下管道病害具有隱蔽性，我國城市管道往往是出現問題才做應急處理，對國家財產造成損失，甚至危及人身安全。本文在資料調查和現場勘察的基礎上，結合北京市昌平區市政管道實際情況，篩選出適合本地區實際情況的常用檢測技術，總結管道狀況評價方法，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方法。

1 常用現代管道檢測方法

1.1 管道閉路電視檢測（CCTV 檢測）

CCTV 檢測于20 世紀90 年代中期引進我國使用，是目前用于管道內部狀況檢測最為先進和有效的手段。該技術是采用內窺電視檢測系統，借助管道爬行機器人攜帶攝像頭，在管道內自動爬行的同時對管道內部的腐蝕、破裂、淤堵等狀況進行拍照和錄像，從而了解管道內病害情況。該技術的特點是操作安全、直觀清楚、實用性強、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進行快速檢測的方法。該方法最大的優點是攜帶方便、成本低，可以長距離清晰地看清并記錄管道內的一切狀況。能夠清晰地顯示管道內部的淤積、破損、異物、支管暗接等問題。主要適用于設備安裝在管道口位置進行的快速檢測，檢測縱深最大可達80m。該方法適合對較短管道內部狀況進行初步判定，或者靠近檢查井段的管道檢測，結果可作為管道初步評估的依據。

1.3 聲波探測

該技術是利用聲學方法對充滿液體的管道內部情況進行檢測。其優點是無需排干管道即可檢測管道內部破損、淤積、管內異物的相關數據，能夠進行長距離管道檢測。適用于檢測水深大于300mm 的管道。聲波檢測具有效率高、成本低等優點，可以對水中物體進行探測和定位，提供量化數據資料，能夠準確檢測和鑒定到管道破損情況。該技術并且可與CCTV、QV 檢測相結合，全面檢查管道情況。

1.4 地質雷達檢測

該方法是利用電磁波在不同介質中傳播規律與波場特點的不同，從而可分析出地下物體的結構、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，缺乏設計竣工資料，導致管線損壞、淤堵后無法及時處理，施工困難。地質雷達可對一定深度內地下情況進行詳細勘察，對地下管線進行無損探測。地質雷達對場地要求不高、適應性強、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缺點，在工程實際使用中要結合現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。

2 管道缺陷評估方法

2.1 管道評估流程

對管道進行檢測僅僅有了“檢查結果”，如何根據檢查情況進行針對性“治療”中間還需要有一套完善、合理的評估方法。恰當的管道狀況評估方法對制定合理的管道修復方案及更好地開展管道修復工作具有極大的指導作用。

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準是根據當地的實際情況制定，不同地區因為水文地質和氣候條件的差異導致管道缺陷不同，我國主要依據有《城鎮排水管道檢測與評估技術規程》（CJJ181-2012），該規程作為技術指導，可規范檢測技術、保證檢測質量、統一評估標準，加強城鎮排水管道設施檢測管理。該規程中根據管道常出現的問題，將管道缺陷分為結構性缺陷、功能性缺陷，結構性缺陷是指管道結構本身出現損傷，例如破裂、腐蝕、錯口、變形、脫節、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、結垢、殘墻壩根、障礙物、樹根、浮渣等。結構性缺陷需要通過管道修復才能消除，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，該規程中對每種缺陷進行了具體的定義，并根據缺陷嚴重程度的不同，將管道缺陷分級，每個缺陷的每一等級均有對應的分值。最后通過加權平均的方式計算總分值，確定管道整體缺陷等級。最終根據評價結果制定對應的管道修復或養護對策。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

根據管道缺陷參數可以判斷管道缺陷等級，結構性缺陷采用式（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—結構性缺陷數量；

n—縱向凈距大于1.5m 的缺陷數量；

n—縱向凈距＞1.0m 且≤1.5m 的缺陷數量；

P—縱向凈距＞1.5 m 的缺陷數量分值；

P—縱向凈距＞1.0m 且≤1.5m 的缺陷數量分值；

α—結構性缺陷影響系數，與缺陷間距有關。當缺陷的縱向凈距 ＞1.0m 且≤1.5m 時，α=1.1。

式中：m—管段的結構性缺陷數量；

m—縱向凈距＞1.5m 的缺陷數量；

m—縱向凈距＞1.0m 且≤1.5m 的缺陷數量；

P—縱向凈距＞1.5 m 的缺陷數量分值；

P—縱向凈距＞1.0m 且≤1.5m 的缺陷數量分值；

β—結構性缺陷影響系數，與缺陷間距有關。當缺陷的縱向凈距 ＞1.0m 且≤1.5m 時，α=1.1。

管道內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重的缺陷。將計算總分值與最嚴重的單個缺陷分值相比較，取二者的高值即管段缺陷參數的分值，結構性缺陷F 值、功能性缺陷G 值。

最后，采用式（3）計算結構缺陷管段修復指數RI，采用式（4）計算功能缺陷管段養護指數MI。

式中：RI—管段修復指數；

MI—管段養護指數；

K—地區重要性參數，根據管道所在區域重要性由不同取值；

E—管道重要性參數，不同管徑大小對應不同取值；

T—土質影響參數，根據管道所在地不同土質由不同取值。

計算出的RI 值、MI 值，分別對應表1、表2 確定管道的修復等級，得到評估結果，結合管道實際情況進行修復、維護或者疏通。

表1 管道修復等級劃分

表2 管道養護等級劃分

3 工程應用

北京市昌平區近幾年已成熟地將管道檢測技術應用于老舊管道修復工程中，下面以北京市昌平區城鎮雨污水改造工程（西關北路段）為典型案例進行分析。

3.1 項目概況

本項目管段位于昌平老城區內，因運行多年，出現檢查井污水外溢、管線不能正常排污的問題，影響周邊環境及居民生活，急需查明原因并進行修復。該段管線長度共413m，材質為鋼筋混凝土管，管徑為DN400～DN500，管道位于城區交通繁忙地帶，緊鄰雨水、燃氣、電信、電力4 條管線，不具備開挖修復條件，因此，首先對管道進行檢測，然后根據檢測問題進行非開挖修復。

3.2 管道檢測方案

檢測作業的工作流程見圖2。

圖2 管道檢測工作流程

3.2.1 檢測所用設備儀器

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

圖3 Dolphin-L2 管道檢測機器人

圖4 Peek2S 管道潛望鏡

3.2.2 檢測結果分析

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

表3 管道缺陷統計表（W5～W10 段）

續表3

表4 管道缺陷統計表（W21～W24 段）

根據檢測情況統計表，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 處結構性缺陷，其中3 級缺陷5 個，2 級缺陷5 個，主要問題有腐蝕、脫節、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 管道修復建議

W5～W10 段管道結構狀況基本完好，但管道過流受阻嚴重，計算管道養護指數MI 為4.85，應對其進行清疏、降低水位、切斷樹根。由于障礙物的覆蓋，管道內可能存在其他性缺陷無法凸顯，疏通完成后需安排進一步的管道內窺檢測，以判斷管道是否存在其他隱性缺陷。

W21～W24 段管道結構狀況受到影響，計算管道修復指數RI 為4.2，管道內存在多處破裂、錯口嚴重、支管暗接等問題，嚴重影響了目前排水管道的安全運行，應盡快修復。

4 問題與建議

目前，大部分地區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制和系統性。另外，不同地區管道因地質差異會出現不同的缺陷，同樣的缺陷對于不同管材、不同接口的影響也不同，國內參考依據較少，需要較為完善的、具有針對性的規范、標準來彌補，同時要建立統一的管網信息管理系統，做到信息更新、成果共享。

管道檢測雖然有明確的操作規程和評價指標，但是針對圖像數據的評價還是帶有一定的主觀性。管道經過多年的運行，內部情況非常復雜，而管道檢測的圖像數據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驗，對管道情況進行準確判斷與評價。這一點需要通過將來足夠多的工程實例的積累，使管道檢測結果能夠更加準確、具體，評價方法能夠更加客觀、直接。

5 結語

隨著城市的發展，科技的進步，對管道檢測的需求越來越多，適應現代城市的管道檢測技術方式也在越來越多樣化。管道檢測技術日趨成熟，全面、準確、科學地提供了城市管道現狀資料，為城市管道改造、修復提供了最為快速、經濟的解決方案。管道檢測技術既可避免對管道的“開膛破肚”，節省人力，又為政府節約大量資金，同時減少了對城市人民生活的影響，具有良好的經濟、社會、環境效益。實踐結果表明，管道檢測方法操作性強，結果可靠。相信未來管道檢測技術在我國將發揮更加重要的作用。