地下管線周圍環境振動監測及預警技術理論分析

吳朝峰，李科舟，范文峰，宋祎昕，宋孝豐

(1. 中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司，浙江 杭州 310014；2. 浙江省能源集團有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

隨著城鎮化進程加快，在城市建設過程中，既有地下管線設施遭受施工外破開挖的風險越來越高。近年來，地下管線遭到第三方破壞的事故時有發生。據統計，由機械施工及自然災害造成的管線事故占事故總數的70%以上，其中90%以上的事故由施工開挖造成。如何在地下管線設施遭到破壞之前預知外破開挖風險，通過及時預警，給維護人員爭取應急防護時間，從而將危險消除在破壞之前，是國內外地下管線運營方共同關注的課題。

近年來，隨著工程振動測試技術的進步，振動測試與工程應用的結合也越來越緊密。在工程振動理論的基礎上，利用成熟的振動測試儀器、設備和方法，對受施工開挖影響的地下管線進行監測、預警，是值得探索和實踐的，也是將既有理論和技術相結合后形成新型應用技術的探索。

本文介紹了振動的基本知識以及振動測試的基本原理，通過對振動因素及振動參量的分析，提出了通過振動測試技術監測地下管線周圍振動參數，并通過振動參數的指標判斷地下管線周圍環境安全狀態的技術思路。在理論應用層面對技術思路進行了探討，并通過小型現場工況試驗進行了初步驗證，為后續形成具體的新技術和新方法提供了理論支撐。

1 振動原理及振動測試

振動是自然界最普遍的現象之一。振動是指一個物體圍繞它的平衡位置所做的往復運動或一個系統的物理量在其平均值或平衡值附近來回變動的物理現象[1]。對于任一機械或工程結構來說，常常需要工程技術人員準確地計算、分析、測試并預測其振動特性，這也是振動理論的基本任務。

振動問題可以用系統、激勵和響應概括，通常振動問題分為3類：①振動分析或相應預測：已知輸入和系統特性，求輸出或響應；②系統識別：已知輸出和輸入，求系統特征參量；③振動環境預測：已知輸出和系統特性，求輸入。

工程系統經常處在各種激勵的作用下，容易出現響應，產生各種各樣的振動。盡管各應用領域內的振動問題千差萬別，但解決的途徑往往具有共同性：①從具體的工程對象提煉出力學模型；②應用力學知識建立所研究問題的數學模型；③對數學模型進行分析和計算，求出精確或近似的解析解或數值解；④將計算結果與工程問題的實際現象或實驗研究的測試結果進行比較[2]。

為解決振動問題，可以建立與工程問題相對應的振動測試模型，在結構和機械運行的各階段，通過測試傳感器、信號采集與分析設備、計算機等，獲得系統輸入(即激勵)、系統結構動力參數或系統輸出(即響應)等數據，為消減振動帶來的危害提供可靠依據。

利用振動測試技術可以解決的工程問題為實驗驗證、參數識別、荷載識別、建立振動方程、為理論計算提供技術參數、振動控制、故障診斷與監測等。其中故障診斷與監測為本次技術思路提供了方法及理論依據。

2 振動表征物理量及振動因素

2.1 振動表征物理量

振動的3個基本要素分別為振幅、頻率和相位。①振幅是表征物體振動幅度大小和振動強弱的參量，是振動強度和能量水平的標志，是評價振動狀態的主要指標；②頻率是表征物體每秒振動次數的參量，是振動特性的標志，是分析振動原因的主要依據；③相位是表征物體振動在起始瞬間位置狀態的參量。因此，采用位移參數、速度參數和加速度參數作為振幅、頻率和相位的評價量參數。在具體工程中分析振動時，一般應用“有沒有問題看振幅，有什么問題看頻率”的思路[3]。

①振動位移是質量塊運動的總距離，量值為峰峰值，單位為mm；振動位移具體反映了振動距離的大小。②振動速度是質量塊在振動過程中運動快慢的度量，量值為有效值，單位為mm/s；振動速度反映了能量的大小，即振動烈度。③振動加速度是振動速度的變化率，量值為單峰值，單位為m/s2；振動加速度反映了沖擊力的大小。

振動位移、振動速度和振動加速度都是對力的響應，向量表示振動幅值和相位，能清晰反映低頻、中頻、高頻范圍內的振動強度。通過測量位移參數、速度參數和加速度參數，根據振動力學理論和振動測試原理，采用對應的測試方法和測試系統，經過函數關系和數據分析處理后進行振動監測和預警。

2.2 振動因素

地下管線周圍環境振動情況較為復雜，有自然因素也有人類活動因素，產生的振動也分為自然振動和人為振動。自然振動包括風荷載、地震海浪等引起的振動；人為振動包括振動設備運行和道路交通等引起的振動[4]。這些在振動中都屬于隨機振動，引起的問題屬于動態不確定性問題。本次主要分析地下管線周圍環境在人類活動因素影響下引起人為振動的動態不確定性問題，即人行振動、交通振動和建筑施工振動。

1)人行振動主要為：人在行走通過地下管線周圍時引起地面的振動，是一種振動歷時較短的瞬態振動，其具有間歇性、高頻次性、慢速性和長期性的特點。人行振動引起的振動強度相對較小，對地下管線的影響也相對較小，可不作為對地下管線周圍環境振動監測及預警的振動控制。在預警系統中可不作為預警參量。

2)交通振動主要為：各種車輛通行過地下管線周圍時引起地面的振動，是一種振動歷時較短的瞬態振動，其具有間歇性、高頻次性、快速性和長期性的特點。交通振動引起的振動強度根據車輛型號、荷載、速度不同，引起振動強度的大小也不相同，對地下管線的影響也需要根據振動強度大小進行判斷。在預警系統中可作為預警參量。

3)建筑施工振動主要為：各種機械施工開挖、施工爆破、機械沖擊等行為在地下管線周圍發生時引起地面的振動，是一種振動歷時較長的由多次瞬態振動連續實施的穩態振動，其具有有限持續時間、非永久性、低頻次性和偶發性的特點。建筑施工振動引起的振動強度根據施工機械、工藝不同，引起振動強度的大小也不相同，對地下管線的影響也需要根據振動強度大小進行判斷。在預警系統中需要作為預警參量。

2.3 振動評價參數

在定量評價振動對地面的影響時，目前廣泛采用的是地基質點振動的最大速度或加速度，較少采用最大位移、譜烈度和能量比等指標[4]。

對于交通振動，主要是評價車輛運動對地面的振動影響。我國在HJ 453—2008《環境影響評價技術導則 城市軌道交通》、GB/T 50452—2008《古建筑防工業振動技術規范》、GB 10071—1988《城市區域環境振動測量方法》中，對物體振動的評價參數主要采用加速度[4]。

對于建筑施工振動，主要是評價機械施工對地面的破壞和影響。美國礦產部門對爆破振動的評價參數主要采用速度。瑞典、德國等一些國家對施工振動的評價參數主要采用速度。我國在GB 50868—2013《建筑工程容許振動標準》中對物體振動的評價參數主要采用速度[4]。

3 振動監測及預警的理論設想

目前，我國已有較多用于車輛振動監測的傳感器、數據處理系統[5]，在數據仿真與預測模型方面也有大量研究[6-7]。我國做過行駛車輛振動試驗工作[8-9]，積累了較多實測數據[10]，通過施工機械開挖和巖土體破壞振動監測工作取得了實測數據[4]。

筆者根據不同行業學者在此方面做出的研究和積累的基礎數據，結合地下管線遭受外破開挖現狀，通過對振動原理、振動表征物理量及振動因素、振動測試的系統梳理和分析，提出了技術思路理論設想，即通過振動測試技術監測地下管線周圍振動參數，并通過振動參數指標判斷地下管線周圍環境的安全狀態。該設想是在振動理論以及振動測試技術原理基礎上，將地下管線周圍環境振動因素進行區分，采用傳感器對振動評價參數進行測量，對振動表征物理量和振動參數進行分析，通過振動測試儀器及設備對測量參數進行轉換，經過數據分析和系統處理后變為數字信號或模擬信號，從而實時展現在監測系統中。同時，根據人行振動、交通振動及建筑施工振動的振動歷時和振動值的不同，在監測系統中分級設定、分級預警。該設想為技術思路理論設想，后期需進行大量多工況的模擬試驗進行進一步驗證。

4 驗證試驗和分析

4.1 驗證試驗

本次布置不同距離的測點，進行挖掘機不同作業工況下的振動驗證試驗。選擇其中一個測點布置方案，如圖1所示，分別對挖掘機靜止狀態和開挖狀態的振動數值進行測試，即工況1和工況2。通過分析兩種工況下的振動數值，判定挖掘機的工作狀態。每個工況設置5個測點，分別采集挖掘機作業時的距測點距離、加速度有效值、加速度峰值、加速度水平值以及通道振動主頻率，試驗傳感器采用中國地震局研發的力平衡加速度計和配套的數據采集儀進行數據采集。工況1的振動數理統計結果見表1所列，其中，挖掘機靜止狀態為開機靜止，靜止狀態下周圍環境對數據略有影響。工況2的振動數理統計結果見表2所列。

圖1 挖掘機開挖狀態測點布置圖

表1 挖掘機靜止狀態下振動數理統計

表2 挖掘機開挖狀態下振動數理統計

4.2 試驗分析

本次試驗最遠距離為121 m，最近距離為43 m，均能較好采集到振動數據，其中，加速度有效值、加速度峰值和振動主頻率為測試直接采集值。在該測距關系下，以振動主頻率為主要評價參數，對兩種工況下驗證試驗振動參數統計和分析，得到以下結論：

1)工況1：挖掘機在靜止狀態下加速度有效值最大為0.001 707 m/s2，最小為0.000 842 m/s2，平均值為0.001 058 m/s2；加速度峰值最大為0.006 535 m/s2， 最 小 為 0.003 069 m/s2， 平 均值為0.004 297 m/s2；通道振動主頻率最大為38.96 Hz，最小為12.71 Hz，平均值為29.05 Hz。

2)工況2：挖掘機在開挖狀態下加速度有效值最大為0.006 049 m/s2，最小為0.001 268 m/s2，平均值為0.002 843 m/s2；加速度峰值最大為0.097 220 m/s2， 最 小 為 0.008 430 m/s2， 平 均值為0.030 983 m/s2；通道振動主頻率最大為16.66 Hz，最小為5.40 Hz，平均值為8.5 Hz。

3)挖掘機作業過程中，靜止狀態時的加速度有效值、加速度峰值、振動主頻率均與開挖狀態有較大差異。

4)挖掘機開挖作業過程中，其主頻率都集中在7～10 Hz之間，可以直觀判定挖掘機的作業狀態。

5)挖掘機和小型汽車經過測點附近時，其主頻率處于一個相對較高的頻率，一般都在20 Hz以上，因此，較難判定挖掘機經過工況。

5 結語

本文將車輛及機械行駛振動監測技術、土體開挖振動監測技術相結合，提出了基于振動因素的地下管線周圍環境振動監測及預警的技術思路，并進行了模擬試驗驗證，初步驗證了該技術思路的可行性。

在地下管線運行期間，根據系統監測到的振動數據對地下管線周圍活動情況進行分析，并對監測數據進行判定，建立分級預警，運行維護人員可以根據監測數據和分級預警情況及時采取對應的處置措施。該系統可以針對外部機械施工、外破開挖等可能引起振動現象的危險因素進行監測及預警。后續將進一步研究如何應用于既有天然氣管線、石油管線和地下電纜等項目運行的監測工作。