城市管道病害非开挖检测评估与工程应用

王伟楠 刘英 杨丽丽 吴后山

0 引言

城市管道承担着城市供水、排涝、污水排除的任务，是城市安全运行的基础保障。随着城市规模的不断扩大，地下水管线的负荷急剧增加，地下水管线经过多年的运行，容易出现各种缺陷，如管道内壁腐蚀、破裂、管间接口错节、堵塞等诸多病害问题，这些病害如果不及时处理，会引起排水不畅、渗漏淤堵、道路塌陷等严重问题，对国家财产造成巨大损失，甚至有些事故已经危及到人身安全。因此，对管道进行定期“体检”并根据情况针对性地“治疗”，才能做到防患于未然，从而降低灾害事故的发生。

国外如澳大利亚、德国、日本等一些国家已非常重视管道检测，实现了管道检测与评估方法的标准化。地下管道病害具有隐蔽性，我国城市管道往往是出现问题才做应急处理，对国家财产造成损失，甚至危及人身安全。本文在资料调查和现场勘察的基础上，结合北京市昌平区市政管道实际情况，筛选出适合本地区实际情况的常用检测技术，总结管道状况评价方法，并以具体工程为例，论证管道检测与评估方法的合理性和适用性，从而提出针对性的管道非开挖修复方法。

1 常用现代管道检测方法

1.1 管道闭路电视检测（CCTV 检测）

CCTV 检测于20 世纪90 年代中期引进我国使用，是目前用于管道内部状况检测最为先进和有效的手段。该技术是采用内窥电视检测系统，借助管道爬行机器人携带摄像头，在管道内自动爬行的同时对管道内部的腐蚀、破裂、淤堵等状况进行拍照和录像，从而了解管道内病害情况。该技术的特点是操作安全、直观清楚、实用性强、检测效率高，可以明确管道损坏位置，测量长度等。主要适用于管道内水位较低、管道高差起伏不大情况下的检测。

1.2 管道潜望镜检测（QV 检测）

QV 检测是一种利用检查井对管道内进行快速检测的方法。该方法最大的优点是携带方便、成本低，可以长距离清晰地看清并记录管道内的一切状况。能够清晰地显示管道内部的淤积、破损、异物、支管暗接等问题。主要适用于设备安装在管道口位置进行的快速检测，检测纵深最大可达80m。该方法适合对较短管道内部状况进行初步判定，或者靠近检查井段的管道检测，结果可作为管道初步评估的依据。

1.3 声波探测

该技术是利用声学方法对充满液体的管道内部情况进行检测。其优点是无需排干管道即可检测管道内部破损、淤积、管内异物的相关数据，能够进行长距离管道检测。适用于检测水深大于300mm 的管道。声波检测具有效率高、成本低等优点，可以对水中物体进行探测和定位，提供量化数据资料，能够准确检测和鉴定到管道破损情况。该技术并且可与CCTV、QV 检测相结合，全面检查管道情况。

1.4 地质雷达检测

该方法是利用电磁波在不同介质中传播规律与波场特点的不同，从而可分析出地下物体的结构、埋藏深度及空间分布等信息。由于一些老旧地下管线信息不完善，缺乏设计竣工资料，导致管线损坏、淤堵后无法及时处理，施工困难。地质雷达可对一定深度内地下情况进行详细勘察，对地下管线进行无损探测。地质雷达对场地要求不高、适应性强、效率高，可初步探测地下管道走向与埋深。

综上，四种常用的管道检测方法有不同的适用条件和优缺点，在工程实际使用中要结合现场及管道的具体情况，并考虑成本、效率等方面选择适合具体工程的检测技术。

2 管道缺陷评估方法

2.1 管道评估流程

对管道进行检测仅仅有了“检查结果”，如何根据检查情况进行针对性“治疗”中间还需要有一套完善、合理的评估方法。恰当的管道状况评估方法对制定合理的管道修复方案及更好地开展管道修复工作具有极大的指导作用。

世界多个国家例如英国、日本、丹麦等，基于本国国情，制定了管道缺陷的分类、定义和评估体系。国外的管道检测评估标准是根据当地的实际情况制定，不同地区因为水文地质和气候条件的差异导致管道缺陷不同，我国主要依据有《城镇排水管道检测与评估技术规程》（CJJ181-2012），该规程作为技术指导，可规范检测技术、保证检测质量、统一评估标准，加强城镇排水管道设施检测管理。该规程中根据管道常出现的问题，将管道缺陷分为结构性缺陷、功能性缺陷，结构性缺陷是指管道结构本身出现损伤，例如破裂、腐蚀、错口、变形、脱节、起伏、接口材料脱落、支管暗接、异物穿入、渗漏等。功能性缺陷是影响管道过流能力的缺陷，例如沉积、结垢、残墙坝根、障碍物、树根、浮渣等。结构性缺陷需要通过管道修复才能消除，功能性缺陷可以通过管道清淤、疏通来改善。为了量化管道缺陷，从而对缺陷合理评估，该规程中对每种缺陷进行了具体的定义，并根据缺陷严重程度的不同，将管道缺陷分级，每个缺陷的每一等级均有对应的分值。最后通过加权平均的方式计算总分值，确定管道整体缺陷等级。最终根据评价结果制定对应的管道修复或养护对策。管道评估流程图如图1所示。

图1 管道评估流程图

2.2 管道评估参数

根据管道缺陷参数可以判断管道缺陷等级，结构性缺陷采用式（1）功能性缺陷采用式（2），计算管道缺陷总分值S 与Y。

式中：n—结构性缺陷数量；

n—纵向净距大于1.5m 的缺陷数量；

n—纵向净距＞1.0m 且≤1.5m 的缺陷数量；

P—纵向净距＞1.5 m 的缺陷数量分值；

P—纵向净距＞1.0m 且≤1.5m 的缺陷数量分值；

α—结构性缺陷影响系数，与缺陷间距有关。当缺陷的纵向净距 ＞1.0m 且≤1.5m 时，α=1.1。

式中：m—管段的结构性缺陷数量；

m—纵向净距＞1.5m 的缺陷数量；

m—纵向净距＞1.0m 且≤1.5m 的缺陷数量；

P—纵向净距＞1.5 m 的缺陷数量分值；

P—纵向净距＞1.0m 且≤1.5m 的缺陷数量分值；

β—结构性缺陷影响系数，与缺陷间距有关。当缺陷的纵向净距 ＞1.0m 且≤1.5m 时，α=1.1。

管道内如果有一处受阻或损坏，则影响全线管道，因此，管道的损坏状况等级取决于管段中最严重的缺陷。将计算总分值与最严重的单个缺陷分值相比较，取二者的高值即管段缺陷参数的分值，结构性缺陷F 值、功能性缺陷G 值。

最后，采用式（3）计算结构缺陷管段修复指数RI，采用式（4）计算功能缺陷管段养护指数MI。

式中：RI—管段修复指数；

MI—管段养护指数；

K—地区重要性参数，根据管道所在区域重要性由不同取值；

E—管道重要性参数，不同管径大小对应不同取值；

T—土质影响参数，根据管道所在地不同土质由不同取值。

计算出的RI 值、MI 值，分别对应表1、表2 确定管道的修复等级，得到评估结果，结合管道实际情况进行修复、维护或者疏通。

表1 管道修复等级划分

表2 管道养护等级划分

3 工程应用

北京市昌平区近几年已成熟地将管道检测技术应用于老旧管道修复工程中，下面以北京市昌平区城镇雨污水改造工程（西关北路段）为典型案例进行分析。

3.1 项目概况

本项目管段位于昌平老城区内，因运行多年，出现检查井污水外溢、管线不能正常排污的问题，影响周边环境及居民生活，急需查明原因并进行修复。该段管线长度共413m，材质为钢筋混凝土管，管径为DN400～DN500，管道位于城区交通繁忙地带，紧邻雨水、燃气、电信、电力4 条管线，不具备开挖修复条件，因此，首先对管道进行检测，然后根据检测问题进行非开挖修复。

3.2 管道检测方案

检测作业的工作流程见图2。

图2 管道检测工作流程

3.2.1 检测所用设备仪器

本次检测采用CCTV 与QV 相结合的方式，用到的设备有Dolphin-L2管道检测机器人（图3）和Peek 2S管道潜望镜（图4）。Dolphin-L2 管道检测机器人由触控终端、便携式线缆车和机器人爬行器三部分组成，提供手机APP，可通过手机控制机器人，观察管道内部细节。管道检测机器人搭载210 万像素网络数字摄像头，10 倍光学变焦、轴向360°、径向180°，可以获取管网内部1080P 高清图像，管道缺陷细节清晰可见。Peek2S 管道潜望镜采用无线传输技术，主机配备可拆卸大容量电池，可根据需要选添加激光测距装置，具有400 万像素高清摄像机，具备录制、抓拍功能。

图3 Dolphin-L2 管道检测机器人

图4 Peek2S 管道潜望镜

3.2.2 检测结果分析

本项目管道共413m，根据检查井的分布和管道检测方式的不同将管道分为2 部分进行检测，其中W5～W10 段共298m，管内有水且淤堵严重，采用管道潜望镜检测。W21-W24段共115m，采用管道检测机器人检测。本次检测共发现20 处缺陷，具体缺陷分布情况见表3、表4。

表3 管道缺陷统计表（W5～W10 段）

续表3

表4 管道缺陷统计表（W21～W24 段）

根据检测情况统计表，W5～W10 段存在10 处功能性缺陷，其中3 级缺陷4 个，2 级缺陷3 个，1 级缺陷3 个，主要问题为沉积、漂浮物及树根侵入，缺陷分析图见图6（a～d）。

图6 W5～W10 段管道缺陷图像

W21～W24 段存在10 处结构性缺陷，其中3 级缺陷5 个，2 级缺陷5 个，主要问题有腐蚀、脱节、破裂、错口等，缺陷分析图见图7（a～d）。

图7 W21～W24 段管道缺陷图像

3.2.3 管道修复建议

W5～W10 段管道结构状况基本完好，但管道过流受阻严重，计算管道养护指数MI 为4.85，应对其进行清疏、降低水位、切断树根。由于障碍物的覆盖，管道内可能存在其他性缺陷无法凸显，疏通完成后需安排进一步的管道内窥检测，以判断管道是否存在其他隐性缺陷。

W21～W24 段管道结构状况受到影响，计算管道修复指数RI 为4.2，管道内存在多处破裂、错口严重、支管暗接等问题，严重影响了目前排水管道的安全运行，应尽快修复。

4 问题与建议

目前，大部分地区对管道检测的工作主要是在老旧供水管道更新改造、黑臭水体治理等项目中，对管道检测和评估工作能够尚缺乏长效管理机制和系统性。另外，不同地区管道因地质差异会出现不同的缺陷，同样的缺陷对于不同管材、不同接口的影响也不同，国内参考依据较少，需要较为完善的、具有针对性的规范、标准来弥补，同时要建立统一的管网信息管理系统，做到信息更新、成果共享。

管道检测虽然有明确的操作规程和评价指标，但是针对图像数据的评价还是带有一定的主观性。管道经过多年的运行，内部情况非常复杂，而管道检测的图像数据由于条件限制而不够清晰，这就要求操作人员需要有一定的工作经验，对管道情况进行准确判断与评价。这一点需要通过将来足够多的工程实例的积累，使管道检测结果能够更加准确、具体，评价方法能够更加客观、直接。

5 结语

随着城市的发展，科技的进步，对管道检测的需求越来越多，适应现代城市的管道检测技术方式也在越来越多样化。管道检测技术日趋成熟，全面、准确、科学地提供了城市管道现状资料，为城市管道改造、修复提供了最为快速、经济的解决方案。管道检测技术既可避免对管道的“开膛破肚”，节省人力，又为政府节约大量资金，同时减少了对城市人民生活的影响，具有良好的经济、社会、环境效益。实践结果表明，管道检测方法操作性强，结果可靠。相信未来管道检测技术在我国将发挥更加重要的作用。