管道全景量化檢測(cè)機(jī)器人在管道修復(fù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

劉志國(guó)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(jì)中，內(nèi)襯管厚度的設(shè)計(jì)需要相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，若不對(duì)待修復(fù)管道進(jìn)行全面的量化，則相當(dāng)一部分參數(shù)需要進(jìn)行估算或者按照傳統(tǒng)方法進(jìn)行給定，例如在管道變形量無(wú)法進(jìn)行量化時(shí)，進(jìn)行內(nèi)襯管厚度計(jì)算時(shí)，管道變形量一般取值為2%，但是對(duì)于管道變形量大于2%時(shí)，則會(huì)對(duì)內(nèi)襯厚度計(jì)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(jì)中，采用管道量化檢測(cè)機(jī)器人對(duì)管道進(jìn)行量化處理，獲得管道的幾何參數(shù)，對(duì)管道修復(fù)設(shè)計(jì)起到關(guān)鍵作用。

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

1 引言

  隨著城市現(xiàn)代化進(jìn)程不斷加快，人們對(duì)于城市建設(shè)有了越來(lái)越高的要求。其中城市的排水工程就是很重要的一項(xiàng)城市建設(shè)，這關(guān)系著居民的生活和安全。給排水設(shè)計(jì)和管道修復(fù)是給排水工程的重點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(kāi)挖技術(shù)，國(guó)際上定義為“利用微開(kāi)挖或不開(kāi)挖技術(shù)對(duì)地下管線。管道和地下電纜進(jìn)行鋪設(shè)、修復(fù)或更換的一門科學(xué)"。非開(kāi)挖管道修復(fù)技術(shù)最初在英國(guó)開(kāi)始應(yīng)用，其中技術(shù)主要包括管道內(nèi)部檢測(cè)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(guò)循環(huán)熱水或蒸汽固化，形成管中管結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了原有管道的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

  紫外光固化法作為原位固化法（Cured-in-place-Pipe，簡(jiǎn)稱CIPP）的升級(jí)修復(fù)方法，通過(guò)將玻璃纖維增強(qiáng)內(nèi)襯材料通過(guò)拉入紫外燈光鏈產(chǎn)生的紫外光進(jìn)行固化，其修復(fù)后的管道質(zhì)量和安全性與通過(guò)鋼管進(jìn)行修復(fù)后的質(zhì)量相當(dāng)，同時(shí)由于玻璃纖維增強(qiáng)的軟管具有較高的力學(xué)性能，減少了內(nèi)襯管的設(shè)計(jì)厚度，并可以增強(qiáng)固化效果。因此采用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的紫外光固化法進(jìn)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(jì)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(kāi)挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程》，排水管道非開(kāi)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(jì)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(dòng)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(dú)立承受外部靜水壓力、土壓力和動(dòng)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(jì)條件下，內(nèi)襯管道與原有管道分擔(dān)水、土荷載以及動(dòng)荷載的能力。不同修復(fù)工藝其內(nèi)襯管道壁厚的計(jì)算方式不同。 

2.2 內(nèi)襯管壁厚度設(shè)計(jì)

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

  在進(jìn)行內(nèi)襯管壁厚度設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮很多變量和參數(shù)，以確保設(shè)計(jì)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(jì)的合理性，如果無(wú)法取得精確的參數(shù)值，則采用工程評(píng)價(jià)的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)和取值。表1中示出了一些CIPP設(shè)計(jì)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(shí)，在水荷載作用下，內(nèi)襯管的厚度計(jì)算公式為：

  在結(jié)構(gòu)破壞的情況下，CIPP內(nèi)襯管道設(shè)計(jì)時(shí)，必須要計(jì)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(dú)立承受外部總荷載（地下水靜液壓力、土壤靜載荷、活載荷）時(shí)，管壁厚度應(yīng)按下列公式計(jì)算：

3 管道變形量對(duì)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(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)排水管道檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)程CJJ181》和《城鎮(zhèn)給水管道非開(kāi)挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程》可知管道變形量q會(huì)有效影響管道橢圓度修正系數(shù)C，進(jìn)而影響CIPP中管道內(nèi)襯厚度設(shè)計(jì)。在現(xiàn)行CIPP修復(fù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于原有管道最小內(nèi)徑以及最大內(nèi)徑無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)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(lái)進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而計(jì)算獲得管道內(nèi)襯厚度，并根據(jù)相應(yīng)的厚度來(lái)進(jìn)行管道修復(fù)。

3.2 管道變形量對(duì)修復(fù)影響研究實(shí)驗(yàn)

  部分使用年限較長(zhǎng)的排水管道，可能變形量會(huì)相對(duì)較大，此時(shí)依舊采用2%的變形率取值易導(dǎo)致計(jì)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中，僅通過(guò)管道檢測(cè)機(jī)器人對(duì)管道進(jìn)行了常規(guī)檢測(cè)，并沒(méi)有對(duì)管道進(jìn)行量化，當(dāng)實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行修復(fù)設(shè)計(jì)時(shí)，按照常規(guī)的變形量2%作為參數(shù)進(jìn)行內(nèi)襯修復(fù)厚度計(jì)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(guò)計(jì)算得到內(nèi)襯管厚度應(yīng)該在8.02mm。

  實(shí)驗(yàn)中，采用8.02mm厚度的內(nèi)襯管進(jìn)行管道修復(fù)，最終出現(xiàn)修復(fù)失敗，內(nèi)襯管因?yàn)閺?qiáng)度原因，發(fā)生屈曲變形，如圖1和圖2所示。

  后通過(guò)管道量化檢測(cè)機(jī)器人進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量得到該管道最大直徑為1111mm，如圖3所示，計(jì)算變形率為11%。若將變形量參數(shù)修改為11%后，再通過(guò)上述方法對(duì)內(nèi)襯管壁厚度進(jìn)行計(jì)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(jī)器人對(duì)管道變形量測(cè)定研究

  通過(guò)實(shí)驗(yàn)可得知，管道的變形量對(duì)CIPP修復(fù)過(guò)程中內(nèi)襯管厚度計(jì)算起到至關(guān)重要的影響，因此對(duì)管道變形量的量化在管道檢測(cè)過(guò)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(cè)、基于攝影測(cè)量的量化檢測(cè)和基于激光雷達(dá)（LIDAR）的量化測(cè)量。

  基于圓形激光的量化測(cè)量中如圖4所示，通過(guò)將激光投射到管壁，再用魚(yú)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(jìn)行多輪廓拼接成三維。

圖4

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

  基于攝影測(cè)量的量化檢測(cè)則是通過(guò)高清CCTV攝像頭對(duì)管道內(nèi)部進(jìn)行拍攝，如圖5示。檢測(cè)完成后，通過(guò)3D軟件，生成3D管道模型，在三維軟件內(nèi)，進(jìn)行測(cè)量、計(jì)算。

圖5

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

  通過(guò)激光雷達(dá)進(jìn)行量化測(cè)量，在檢測(cè)設(shè)備上搭載激光雷達(dá)模塊，如圖6所示，在檢測(cè)過(guò)程中，通過(guò)激光雷達(dá)獲取管道內(nèi)的橫截面信息，進(jìn)而對(duì)管道進(jìn)行量化。

  圖6

  在進(jìn)行管道檢測(cè)過(guò)程中，實(shí)時(shí)獲取管道當(dāng)前檢測(cè)處的輪廓信息，如圖7所示。

圖7

  最后通過(guò)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(jìn)而對(duì)管道變形量進(jìn)行量化，圖9所示。

  圖8

圖9

  采用激光雷達(dá)進(jìn)行量化中，由于激光雷達(dá)的高精確性，能夠?qū)艿肋M(jìn)行完整的3D還原，獲取的數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，同時(shí)管道三維模型，能夠?qū)艿佬迯?fù)設(shè)計(jì)進(jìn)行更為精確的計(jì)算。另外，采用激光雷達(dá)進(jìn)行管道量化時(shí)，無(wú)需提前進(jìn)行標(biāo)定，隨著常規(guī)CCTV檢查時(shí)進(jìn)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(dá)的管道量化計(jì)算中，還可以對(duì)管道其他參數(shù)進(jìn)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(jiàn)在進(jìn)行管道量化后，可對(duì)管道的沉積量進(jìn)行量化，獲得管道的沉積圖，能夠?qū)艿佬迯?fù)設(shè)計(jì)提供更為科學(xué)的依據(jù)。

圖10

4 結(jié)語(yǔ)

  在管道修復(fù)設(shè)計(jì)中，為了保證修復(fù)的合理性，科學(xué)性，需要對(duì)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行合理的測(cè)算，采用管道量化檢測(cè)機(jī)器人，對(duì)管道進(jìn)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(jì)參數(shù)，無(wú)需對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行預(yù)估，使得在管道修復(fù)中，內(nèi)襯厚度設(shè)計(jì)能夠更加科學(xué)。進(jìn)一步的，管道量化機(jī)器人可以延伸至新管驗(yàn)收、管道養(yǎng)護(hù)計(jì)劃、雨污混接調(diào)查和排口溯源領(lǐng)域，為管道的驗(yàn)收，養(yǎng)護(hù)，排查提供科學(xué)參考。

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