市政排水管道數字探測免開挖機器臂修復技術*

薛 峰，呂 峰，李 婷，劉霽嬌，秦慶戊，王 海

(1.中國中建設計研究院有限公司，北京 100037；2.四川美術學院，重慶 401331；3.五行科技股份有限公司，江蘇 泰州 225500；4.同濟大學機械與能源工程學院，上海 200092)

0 引言

市政排水管道由于長時間使用，其混凝土管壁容易出現裂縫或裂痕等破損，從而影響排水管道整體排水效果，同時市政管網開挖檢修和維護嚴重影響居民的日常生活。針對上述問題，開發了市政管道數字化探測技術，研制了市政管道免開挖機器臂“無創”修復技術，以避免對原管道的開挖，在大幅縮短工期的同時，有效降低管道修復成本，減少市政管道開挖維修對社區環境的影響。

1 現存問題

我國在20世紀80年代城市化初期，建造了大量市政排水管道。經過近40年的運行，管道在滲漏、承壓方面，已不能滿足當前的城市需求。隨著地上建筑規模日益擴大，舊有的管道位置被覆蓋，管道圖紙也因年久而缺失，導致管道埋設位置通常不可探查，管線錯綜復雜也給開挖修復帶來了巨大困難。針對以上問題，多采用開挖修復技術或內部整管修補技術。前者檢修時需將其整根取出，開挖修復的施工成本遠高于管材本身，導致大量人力、物力和財力的浪費。后者免開挖，免更換整管，但工藝繁雜，只能進行整管修補，且需要動用鋼帶傳送壓型設備，來回至少3次穿管，費時費工。

2 非開挖修復技術思路

為解決上述問題，提出了一種市政管道更新“無創”修復的作業車。該作業車主要分為車體、驅動件、支撐結構和工作件四部分,如圖1所示。

圖1 工作車結構分解Fig.1 The structure decomposed of work vehicle

1)為了讓作業車能夠在濕滑的管道內平穩行駛，在車體兩側設計了大葉片的驅動輪，以增加車輪與管道接觸時的摩擦力，并在車體底部前端設置用于支撐的定向輪，防止作業車在管道內打滑。

2)為了配合施工前期對淤堵處和破損處的精準定位，使其更加準確，在可旋轉的連接件上還設置了超聲波裝置，用于探知管道內淤堵處和破損處的具體情況。

3)為解決市政排水管道出現的淤積和破損問題，設計了兩種不同的作業形態，如圖2所示。在管道清理時，作業車前端為可折疊、收縮至車身內部的4個機械臂，保證作業車在直徑0.8m的洞口直上直下，大大減少維修時洞口開挖面積，有效節省人力和工期，減少路面損失。進入管道后，為了讓機械臂有效地對淤堵部分進行疏通，將其設計為爪形以增強機械臂的抓取力度，并將控制底板前端與機械臂連接的部分設置為可旋轉的連接件，協助機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，為機械臂設計了可調節張開角度的功能，使其最大能適應1.5m直徑的排水管道。

圖2 管道清理時作業車的工作狀態Fig.2 The working state of work vehicle during pipeline cleaning

在管壁修補時，采用多層復合結構的柔性管狀材料，基于“功能分層”的設計理念，設計了內外異質涂層結構，同時滿足外層防機械損傷、耐受嚴酷環境，內層抗水解、耐腐蝕、耐霉菌等性能要求，內襯材料的中間則采用高強度纖維編織而成，能夠承受較大的膨脹壓力，從而對原管道形成保護。由于作業車在進入管道時需將壓縮后的軟管套在機械臂上，因此作業車處于無法折疊的狀態，為了使其順利進入，設計將作業車豎向放置進管道的轉角處，通過對車體的控制將其面對修復目標方向進行90°旋轉，使其停放在橫向的排水管道中。在修復破損處時，為了使軟管更好地貼合管道，設計采用隱藏在車體內的升降架將控制底板和機械臂移動至管道的中心位置。針對不同尺寸的排水管道，在可旋轉的連接件上設置了與機械臂相連接的伸展臂，可根據管道直徑將軟管展開至合適大小，如圖3所示。為了使機械臂上的軟管固定在管壁內，在機械臂的外側設計了紫外光燈帶條，結合可旋轉的連接件，使軟管通過照射更加全面地在管道內部固化，形成高強度內襯樹脂新管。

圖3 管壁修復時作業車的工作狀態Fig.3 The working state of the work vehicle when the pipe wall is repaired

3 實施方法

3.1 精確定位

為使作業車能夠精準地找到淤堵或破損處，節約檢修時間，檢修先通過既有住區市政管道數字化探測，以現有的管網信息化系統、GIS系統、數據采集設備等系統的數據與信息為基礎，建立管網數字孿生模型，如圖4所示。通過新一代高智能算法，對管網的漏點在不同位置及漏量情況下的工況進行模擬仿真，系統總體架構如圖5所示。采用大規模并行計算的方式在短時間內生成大量的仿真樣本，然后根據實測的管網運行工況數據與樣本庫內的樣本數據進行比對，采用機器學習、人工智能和神經網絡等技術提升樣本比對的速度和辨識的精準性，從而實現逆向的管網健康狀況判斷與檢測，準確計算出管道泄漏點、積淤點、堵塞點，管道內水流量分析負面如圖6所示。

圖4 排水管網建模與仿真系統主頁面Fig.4 Main page of drainage network modeling and simulation system

圖5 系統總體架構Fig.5 System architecture

圖6 管道內水流量分析頁面Fig.6 Analysis page of water flow in the pipeline

3.2 管道清理

確定問題點后，檢修人員從距離問題點最近的檢查井放入作業車，作業車直徑0.6m，保證最小直徑的洞口可輕松進入。作業車進入檢查井后車體兩側的驅動輪帶動車輛前行，在行進過程中大葉片的驅動輪對管道內部淤堵部分進行松解。對于淤堵較嚴重區域可通過作業車前端機械臂的旋轉、抓取等動作對淤堵部分進行疏通，如圖7所示。

圖7 管道疏通時作業車工作狀態Fig.7 The working state of the working vehicle when the pipeline is dredged

3.3 管壁修補

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

圖8 復合軟管結構Fig.8 Composite hose structure

圖9 作業車進入管道修補示意Fig.9 Schematic diagram of work vehicle entering pipeline repair

4 技術優勢及應用效果

4.1 技術優勢

1)免開挖 相比傳統的排水管道修復方式，本技術基本可以做到“無創”修復，不必更換混凝土管，只需通過平臺計算堵點、漏點，并借助管道兩端的管井對管道實施精準檢修，避免對原管道的開挖。

2)低成本 由于本技術采用局部“無創”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，作業車還具有多用途、可反復使用的特點，為管道施工單位大大節約了設備成本。

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

4)高效率 由于前期的精準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工作。

6)節約材料 本技術通過對管道的精準定位，只需要采用多層復合結構的柔性管進行小面積修補，避免對整個水泥管道進行替換，不僅節省了管道材料還減少了建筑垃圾的產生。

7)易操作 本技術只需要操控作業車進入管道進行清淤補漏，操作簡單，只需2人便可在地面完成整套修補工作。如圖10所示。

圖10 作業車在管道內的工作狀態Fig.10 The working state of the work vehicle in the pipeline

4.2 應用效果

本研究中提出的一種市政排水管道檢修用的作業車作為十三五國家重點研發計劃《既有居住建筑公共設施功能提升關鍵技術研究》的課題成果，由同濟大學作為課題共同研究單位提供了既有住區市政管道數字化探測及計算技術；由五行科技股份有限公司作為該課題項目示范單位在修復工程中轉化實施，在遼寧葫蘆島市打漁山排水管道(鋁業段)漏點修復工程中，采用該技術對17處管道漏點進行內襯修補，整個修復工程快速有效，全程借助原有檢查井進行施工，未對周邊環境造成影響，目前管線整體運行效果良好。推動了我國非開挖內襯修復技術在城市排水管網中的應用，同時也為成果轉化單位帶來了良好的經濟效益。

5 效益分析

5.1 經濟效益

據統計，我國現有排水管道總長125萬km，2013年至今國家在排水管道方面的投入達1 900多億元，該產品的推出，為這些老化管道的更新提供更優的解決方案，具有廣闊的市場空間。

本文提出一種市政管道更新“無創”修復的作業車，避免了對原管道的開挖，相較于開挖后更換新管道，降低了25%～30%的施工成本，同時大幅縮短了施工工期。根據以上數據估算，該作業車投入生產后，如果可以廣泛推廣，做到技術全覆蓋，僅施工成本每年能節省57億元，對國家和企業都具有較大意義和較高價值。

5.2 社會效益

1)提高人民生活水平

針對老舊小區管道爆裂事故頻發、管道更新嚴重影響居民生活、現有技術成本較高等問題，研發了既有住區市政管道數字化探測和免開挖機器作業臂修復關鍵技術。該技術可實現精準維護施工，維修成本僅為開挖式維修的25%～30%，作業車在地下、管道內作業，地面幾乎沒有聲音，有效減少了對居民日常生活的干擾和事故的發生。

2)改善施工人員勞動條件

現有技術在挖掘時產生的大量塵土以及搬運更換下來的混凝土管道對作業人員健康具有不良影響，本研究具有免開挖、少污染、高效率的優勢，1～2個工人即可在地面輕松完成查找堵、漏點、清淤、修補工作，極大改善了作業人員的勞動條件。

3)推動城市建設可持續發展

管道數字探測免開挖機器臂修復技術有效轉變了住區公用設施和管線傳統粗放式改造方式。可全面、科學地推動既有居住建筑改造，實現既有居住建筑綜合性能的提升，進一步增強我國既有建筑改造產業的核心競爭力，為我國城市建設可持續、宜居發展提供科技引領和技術支撐。

6 結語

管道數字探測免開挖機器臂修復技術有效地解決了現有技術工序復雜、成本過大、施工耗時等問題，為市政排水管道的更新提供更高效、安全的解決方案，具有廣闊的市場空間和社會價值。對于改善老舊小區居民住宅環境、保障人民生活、提高人民物質文化生活水平也有很大的幫助。