管道全景量化檢測機器人在管道修復(fù)設(shè)計中的應(yīng)用

劉志國1，翟樨祚2，于建輝3

（武漢中儀物聯(lián)技術(shù)股份有限公司）

摘要：在CIPP管道修復(fù)設(shè)計中，內(nèi)襯管厚度的設(shè)計需要相關(guān)參數(shù)進行計算，若不對待修復(fù)管道進行全面的量化，則相當(dāng)一部分參數(shù)需要進行估算或者按照傳統(tǒng)方法進行給定，例如在管道變形量無法進行量化時，進行內(nèi)襯管厚度計算時，管道變形量一般取值為2%，但是對于管道變形量大于2%時，則會對內(nèi)襯厚度計算產(chǎn)生偏差，導(dǎo)致修復(fù)失敗，因此在管道修復(fù)設(shè)計中，采用管道量化檢測機器人對管道進行量化處理，獲得管道的幾何參數(shù)，對管道修復(fù)設(shè)計起到關(guān)鍵作用。

關(guān)鍵詞：量化檢測，管道檢測機器人，管道變形量，管道修復(fù)設(shè)計，結(jié)構(gòu)性修復(fù)。

1 引言

  隨著城市現(xiàn)代化進程不斷加快，人們對于城市建設(shè)有了越來越高的要求。其中城市的排水工程就是很重要的一項城市建設(shè)，這關(guān)系著居民的生活和安全。給排水設(shè)計和管道修復(fù)是給排水工程的重點，設(shè)計是施工的重要前提，管道修復(fù)是保障管道正常使用的重要手段。

  關(guān)于非開挖技術(shù)，國際上定義為“利用微開挖或不開挖技術(shù)對地下管線。管道和地下電纜進行鋪設(shè)、修復(fù)或更換的一門科學(xué)"。非開挖管道修復(fù)技術(shù)最初在英國開始應(yīng)用，其中技術(shù)主要包括管道內(nèi)部檢測技術(shù)，管道清洗技術(shù)以及管道修復(fù)技術(shù)。在管道修復(fù)技術(shù)中，原位固化法逐漸成為主流的管道修復(fù)技術(shù)。該工藝將修復(fù)材料在原管道中通過循環(huán)熱水或蒸汽固化，形成管中管結(jié)構(gòu)，增強了原有管道的結(jié)構(gòu)強度。

  紫外光固化法作為原位固化法（Cured-in-place-Pipe，簡稱CIPP）的升級修復(fù)方法，通過將玻璃纖維增強內(nèi)襯材料通過拉入紫外燈光鏈產(chǎn)生的紫外光進行固化，其修復(fù)后的管道質(zhì)量和安全性與通過鋼管進行修復(fù)后的質(zhì)量相當(dāng)，同時由于玻璃纖維增強的軟管具有較高的力學(xué)性能，減少了內(nèi)襯管的設(shè)計厚度，并可以增強固化效果。因此采用玻璃纖維增強復(fù)合材料的紫外光固化法進行地下管道修復(fù)具有廣闊的發(fā)展前景。

2 排水管道結(jié)構(gòu)性修復(fù)設(shè)計思路

2.1 方法及定義

  依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)排水管道非開挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程》，排水管道非開挖修復(fù)分為半結(jié)構(gòu)性修復(fù)與結(jié)構(gòu)性修復(fù)。半結(jié)構(gòu)性修復(fù)(Semi—structural rehabilitation) 定義為新的內(nèi)襯管依賴于原有管道的結(jié)構(gòu)，在設(shè)計壽命之內(nèi)僅需要承受外部的靜水壓力，而外部土壓力和動荷載任然原有管道支撐。結(jié)構(gòu)性修復(fù) (Structural rehabilitation ) 定義為修復(fù)后的新管道結(jié)構(gòu)具有不依賴于舊管道而獨立承受外部靜水壓力、土壓力和動荷載作用的性能。排水管道結(jié)構(gòu)性修復(fù)內(nèi)襯壁厚反映了在安全經(jīng)濟條件下，內(nèi)襯管道與原有管道分擔(dān)水、土荷載以及動荷載的能力。不同修復(fù)工藝其內(nèi)襯管道壁厚的計算方式不同。 

2.2 內(nèi)襯管壁厚度設(shè)計

  根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)，對于管道修復(fù)設(shè)計中分為局部破壞管道和*破壞管道，因此針對不同的破壞情況，需要進行半結(jié)構(gòu)性修復(fù)或結(jié)構(gòu)性修復(fù)。

  在進行內(nèi)襯管壁厚度設(shè)計時，需要考慮很多變量和參數(shù)，以確保設(shè)計的管道能夠承受外部載荷的性能。參數(shù)取值決定了修復(fù)設(shè)計的合理性，如果無法取得精確的參數(shù)值，則采用工程評價的方法進行評價和取值。表1中示出了一些CIPP設(shè)計參數(shù)。

  在半結(jié)構(gòu)修復(fù)中，當(dāng)管道位于地下水位以下時，在水荷載作用下，內(nèi)襯管的厚度計算公式為：

  在結(jié)構(gòu)破壞的情況下，CIPP內(nèi)襯管道設(shè)計時，必須要計算出CIPP管道上承受的總荷載Pt，其中總荷載主要由靜水壓力、土的有效壓力、活荷載以及其他荷載組成。

  在排水管道結(jié)構(gòu)性修復(fù)內(nèi)襯管獨立承受外部總荷載（地下水靜液壓力、土壤靜載荷、活載荷）時，管壁厚度應(yīng)按下列公式計算：

3 管道變形量對結(jié)構(gòu)性修復(fù)影響研究

3.1管道變形量影響

  根據(jù)現(xiàn)行國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)排水管道檢測與評估技術(shù)規(guī)程CJJ181》和《城鎮(zhèn)給水管道非開挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程》可知管道變形量q會有效影響管道橢圓度修正系數(shù)C，進而影響CIPP中管道內(nèi)襯厚度設(shè)計。在現(xiàn)行CIPP修復(fù)設(shè)計過程中，由于原有管道最小內(nèi)徑以及最大內(nèi)徑無法準(zhǔn)確測算，因此通常在管道結(jié)構(gòu)性修復(fù)和半結(jié)構(gòu)性修復(fù)中，將管道的形狀變形率q取值2%來進行計算，進而計算獲得管道內(nèi)襯厚度，并根據(jù)相應(yīng)的厚度來進行管道修復(fù)。

3.2 管道變形量對修復(fù)影響研究實驗

  部分使用年限較長的排水管道，可能變形量會相對較大，此時依舊采用2%的變形率取值易導(dǎo)致計算的管道內(nèi)襯厚度不夠而使得修復(fù)效果不理想或修復(fù)失敗。

  在一次修復(fù)實驗過程中，僅通過管道檢測機器人對管道進行了常規(guī)檢測，并沒有對管道進行量化，當(dāng)實驗人員進行修復(fù)設(shè)計時，按照常規(guī)的變形量2%作為參數(shù)進行內(nèi)襯修復(fù)厚度計算，管頂覆土為2米，管道直徑1000mm，ν=0.3，N=2，地下水位0.5米，內(nèi)襯管短期彈性模量16000Mpa，K=7，經(jīng)過計算得到內(nèi)襯管厚度應(yīng)該在8.02mm。

  實驗中，采用8.02mm厚度的內(nèi)襯管進行管道修復(fù)，最終出現(xiàn)修復(fù)失敗，內(nèi)襯管因為強度原因，發(fā)生屈曲變形，如圖1和圖2所示。

  后通過管道量化檢測機器人進行檢測，測量得到該管道最大直徑為1111mm，如圖3所示，計算變形率為11%。若將變形量參數(shù)修改為11%后，再通過上述方法對內(nèi)襯管壁厚度進行計算，得到的內(nèi)襯管壁厚度為t=13.64mm。

圖1

圖2

圖3

3.3 管道量化機器人對管道變形量測定研究

  通過實驗可得知，管道的變形量對CIPP修復(fù)過程中內(nèi)襯管厚度計算起到至關(guān)重要的影響，因此對管道變形量的量化在管道檢測過程中尤為重要。

  在管道變形率量化方案中，包括基于圓形激光的量化檢測、基于攝影測量的量化檢測和基于激光雷達（LIDAR）的量化測量。

  基于圓形激光的量化測量中如圖4所示，通過將激光投射到管壁，再用魚眼攝像頭觀察成像，采用圖像方法提取輪廓，根據(jù)輪廓分析，并進行多輪廓拼接成三維。

圖4

  由于該方案使用魚眼鏡頭，不能與CCTV同時使用，并且為確保效果，需要在關(guān)燈的情況下進行檢測。

  基于攝影測量的量化檢測則是通過高清CCTV攝像頭對管道內(nèi)部進行拍攝，如圖5示。檢測完成后，通過3D軟件，生成3D管道模型，在三維軟件內(nèi)，進行測量、計算。

圖5

  該方案可以量化各種缺陷以及管道變形量，測量之前要先標(biāo)定，測量效率較低。

  通過激光雷達進行量化測量，在檢測設(shè)備上搭載激光雷達模塊，如圖6所示，在檢測過程中，通過激光雷達獲取管道內(nèi)的橫截面信息，進而對管道進行量化。

  圖6

  在進行管道檢測過程中，實時獲取管道當(dāng)前檢測處的輪廓信息，如圖7所示。

圖7

  最后通過三維管道量化系統(tǒng)，將輪廓信息拼接為管道三維模型，圖8所示。進而對管道變形量進行量化，圖9所示。

  圖8

圖9

  采用激光雷達進行量化中，由于激光雷達的高精確性，能夠?qū)艿肋M行完整的3D還原，獲取的數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，同時管道三維模型，能夠?qū)艿佬迯?fù)設(shè)計進行更為精確的計算。另外，采用激光雷達進行管道量化時，無需提前進行標(biāo)定，隨著常規(guī)CCTV檢查時進行數(shù)據(jù)收集，檢查完畢后即可獲得管道三維量化數(shù)據(jù)，相較于其他量化方式，效率更高。

  基于激光雷達的管道量化計算中，還可以對管道其他參數(shù)進行量化，包括管道尺寸、破裂尺寸、管道沉積量、支管尺寸和排口尺寸等，圖10中可見在進行管道量化后，可對管道的沉積量進行量化，獲得管道的沉積圖，能夠?qū)艿佬迯?fù)設(shè)計提供更為科學(xué)的依據(jù)。

圖10

4 結(jié)語

  在管道修復(fù)設(shè)計中，為了保證修復(fù)的合理性，科學(xué)性，需要對計算參數(shù)進行合理的測算，采用管道量化檢測機器人，對管道進行量化，根據(jù)管道的三維數(shù)據(jù)，可以獲取包括變形量在內(nèi)的多種修復(fù)設(shè)計參數(shù)，無需對相關(guān)參數(shù)進行預(yù)估，使得在管道修復(fù)中，內(nèi)襯厚度設(shè)計能夠更加科學(xué)。進一步的，管道量化機器人可以延伸至新管驗收、管道養(yǎng)護計劃、雨污混接調(diào)查和排口溯源領(lǐng)域，為管道的驗收，養(yǎng)護，排查提供科學(xué)參考。

5 參考文獻

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【2】馬保松. 非開挖管道修復(fù)更新技術(shù)[M]. 人民交通出版社, 2014。

【3】趙雅宏, 曾正, 馬保松. 《給排水管道原位固化法修復(fù)工程技術(shù)規(guī)程》關(guān)鍵技術(shù)[J]. 特種結(jié)構(gòu), 2019, 036(001):108-112。

【4】中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJJT 210-2014 城鎮(zhèn)排水管道非開挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程。

【5】美國 ASTM 標(biāo)準(zhǔn) F1947—04折疊聚氯乙烯內(nèi)襯管修復(fù)污水管道的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

Standard Practice for Installation of Folded Poly(Vinyl Chloride) (PVC)Pipe into Existing Sewer and Conduits。