市政排水管道数字探测免开挖机器臂修复技术*

薛 峰，吕 峰，李 婷，刘霁娇，秦庆戊，王 海

(1.中国中建设计研究院有限公司，北京 100037；2.四川美术学院，重庆 401331；3.五行科技股份有限公司，江苏 泰州 225500；4.同济大学机械与能源工程学院，上海 200092)

0 引言

市政排水管道由于长时间使用，其混凝土管壁容易出现裂缝或裂痕等破损，从而影响排水管道整体排水效果，同时市政管网开挖检修和维护严重影响居民的日常生活。针对上述问题，开发了市政管道数字化探测技术，研制了市政管道免开挖机器臂“无创”修复技术，以避免对原管道的开挖，在大幅缩短工期的同时，有效降低管道修复成本，减少市政管道开挖维修对社区环境的影响。

1 现存问题

我国在20世纪80年代城市化初期，建造了大量市政排水管道。经过近40年的运行，管道在渗漏、承压方面，已不能满足当前的城市需求。随着地上建筑规模日益扩大，旧有的管道位置被覆盖，管道图纸也因年久而缺失，导致管道埋设位置通常不可探查，管线错综复杂也给开挖修复带来了巨大困难。针对以上问题，多采用开挖修复技术或内部整管修补技术。前者检修时需将其整根取出，开挖修复的施工成本远高于管材本身，导致大量人力、物力和财力的浪费。后者免开挖，免更换整管，但工艺繁杂，只能进行整管修补，且需要动用钢带传送压型设备，来回至少3次穿管，费时费工。

2 非开挖修复技术思路

为解决上述问题，提出了一种市政管道更新“无创”修复的作业车。该作业车主要分为车体、驱动件、支撑结构和工作件四部分,如图1所示。

图1 工作车结构分解Fig.1 The structure decomposed of work vehicle

1)为了让作业车能够在湿滑的管道内平稳行驶，在车体两侧设计了大叶片的驱动轮，以增加车轮与管道接触时的摩擦力，并在车体底部前端设置用于支撑的定向轮，防止作业车在管道内打滑。

2)为了配合施工前期对淤堵处和破损处的精准定位，使其更加准确，在可旋转的连接件上还设置了超声波装置，用于探知管道内淤堵处和破损处的具体情况。

3)为解决市政排水管道出现的淤积和破损问题，设计了两种不同的作业形态，如图2所示。在管道清理时，作业车前端为可折叠、收缩至车身内部的4个机械臂，保证作业车在直径0.8m的洞口直上直下，大大减少维修时洞口开挖面积，有效节省人力和工期，减少路面损失。进入管道后，为了让机械臂有效地对淤堵部分进行疏通，将其设计为爪形以增强机械臂的抓取力度，并将控制底板前端与机械臂连接的部分设置为可旋转的连接件，协助机械臂疏松较为顽固的淤积。除此之外，考虑到排水管道具有不同的尺寸，为机械臂设计了可调节张开角度的功能，使其最大能适应1.5m直径的排水管道。

图2 管道清理时作业车的工作状态Fig.2 The working state of work vehicle during pipeline cleaning

在管壁修补时，采用多层复合结构的柔性管状材料，基于“功能分层”的设计理念，设计了内外异质涂层结构，同时满足外层防机械损伤、耐受严酷环境，内层抗水解、耐腐蚀、耐霉菌等性能要求，内衬材料的中间则采用高强度纤维编织而成，能够承受较大的膨胀压力，从而对原管道形成保护。由于作业车在进入管道时需将压缩后的软管套在机械臂上，因此作业车处于无法折叠的状态，为了使其顺利进入，设计将作业车竖向放置进管道的转角处，通过对车体的控制将其面对修复目标方向进行90°旋转，使其停放在横向的排水管道中。在修复破损处时，为了使软管更好地贴合管道，设计采用隐藏在车体内的升降架将控制底板和机械臂移动至管道的中心位置。针对不同尺寸的排水管道，在可旋转的连接件上设置了与机械臂相连接的伸展臂，可根据管道直径将软管展开至合适大小，如图3所示。为了使机械臂上的软管固定在管壁内，在机械臂的外侧设计了紫外光灯带条，结合可旋转的连接件，使软管通过照射更加全面地在管道内部固化，形成高强度内衬树脂新管。

图3 管壁修复时作业车的工作状态Fig.3 The working state of the work vehicle when the pipe wall is repaired

3 实施方法

3.1 精确定位

为使作业车能够精准地找到淤堵或破损处，节约检修时间，检修先通过既有住区市政管道数字化探测，以现有的管网信息化系统、GIS系统、数据采集设备等系统的数据与信息为基础，建立管网数字孪生模型，如图4所示。通过新一代高智能算法，对管网的漏点在不同位置及漏量情况下的工况进行模拟仿真，系统总体架构如图5所示。采用大规模并行计算的方式在短时间内生成大量的仿真样本，然后根据实测的管网运行工况数据与样本库内的样本数据进行比对，采用机器学习、人工智能和神经网络等技术提升样本比对的速度和辨识的精准性，从而实现逆向的管网健康状况判断与检测，准确计算出管道泄漏点、积淤点、堵塞点，管道内水流量分析负面如图6所示。

图4 排水管网建模与仿真系统主页面Fig.4 Main page of drainage network modeling and simulation system

图5 系统总体架构Fig.5 System architecture

图6 管道内水流量分析页面Fig.6 Analysis page of water flow in the pipeline

3.2 管道清理

确定问题点后，检修人员从距离问题点最近的检查井放入作业车，作业车直径0.6m，保证最小直径的洞口可轻松进入。作业车进入检查井后车体两侧的驱动轮带动车辆前行，在行进过程中大叶片的驱动轮对管道内部淤堵部分进行松解。对于淤堵较严重区域可通过作业车前端机械臂的旋转、抓取等动作对淤堵部分进行疏通，如图7所示。

图7 管道疏通时作业车工作状态Fig.7 The working state of the working vehicle when the pipeline is dredged

3.3 管壁修补

管道疏通工作完成后，通过作业车的机械臂将内衬软管带入存在裂痕或裂缝的管道中，如图8所示。然后根据作业车上超声波装置反馈的具体情况，操控作业车将浸渍感光性树脂材料的复合软管精准带到管道破损处，形成具有特定刚度的衬里，独立于主管道，再由作业车前端机械臂将其撑开，使其紧贴需修复的管道内壁，形成“管中管”复合结构，随后通过紫外光灯照射使树脂在管道内部固化，形成高强度内衬树脂新管，如图9所示。修补完成后，机械臂收回并退出井口，完成全部修复工作。

图8 复合软管结构Fig.8 Composite hose structure

图9 作业车进入管道修补示意Fig.9 Schematic diagram of work vehicle entering pipeline repair

4 技术优势及应用效果

4.1 技术优势

1)免开挖 相比传统的排水管道修复方式，本技术基本可以做到“无创”修复，不必更换混凝土管，只需通过平台计算堵点、漏点，并借助管道两端的管井对管道实施精准检修，避免对原管道的开挖。

2)低成本 由于本技术采用局部“无创”维修，相比整管开挖更换可以减少25%～30%的施工成本。除此之外，作业车还具有多用途、可反复使用的特点，为管道施工单位大大节约了设备成本。

3)少污染 直接通过对作业车的操控进行地下作业，无需人工开挖，避免开挖过程中产生噪声、灰尘等。除此之外，整管更换的减少还有效保护了环境，减少了管道制作过程中产生的碳排放。

4)高效率 由于前期的精准定位和后期的免开挖检修，大幅缩短了施工工期。

5)提高工作效率 仅需两位检修人员在地面配合即可完成管道清理和修复工作。

6)节约材料 本技术通过对管道的精准定位，只需要采用多层复合结构的柔性管进行小面积修补，避免对整个水泥管道进行替换，不仅节省了管道材料还减少了建筑垃圾的产生。

7)易操作 本技术只需要操控作业车进入管道进行清淤补漏，操作简单，只需2人便可在地面完成整套修补工作。如图10所示。

图10 作业车在管道内的工作状态Fig.10 The working state of the work vehicle in the pipeline

4.2 应用效果

本研究中提出的一种市政排水管道检修用的作业车作为十三五国家重点研发计划《既有居住建筑公共设施功能提升关键技术研究》的课题成果，由同济大学作为课题共同研究单位提供了既有住区市政管道数字化探测及计算技术；由五行科技股份有限公司作为该课题项目示范单位在修复工程中转化实施，在辽宁葫芦岛市打渔山排水管道(铝业段)漏点修复工程中，采用该技术对17处管道漏点进行内衬修补，整个修复工程快速有效，全程借助原有检查井进行施工，未对周边环境造成影响，目前管线整体运行效果良好。推动了我国非开挖内衬修复技术在城市排水管网中的应用，同时也为成果转化单位带来了良好的经济效益。

5 效益分析

5.1 经济效益

据统计，我国现有排水管道总长125万km，2013年至今国家在排水管道方面的投入达1 900多亿元，该产品的推出，为这些老化管道的更新提供更优的解决方案，具有广阔的市场空间。

本文提出一种市政管道更新“无创”修复的作业车，避免了对原管道的开挖，相较于开挖后更换新管道，降低了25%～30%的施工成本，同时大幅缩短了施工工期。根据以上数据估算，该作业车投入生产后，如果可以广泛推广，做到技术全覆盖，仅施工成本每年能节省57亿元，对国家和企业都具有较大意义和较高价值。

5.2 社会效益

1)提高人民生活水平

针对老旧小区管道爆裂事故频发、管道更新严重影响居民生活、现有技术成本较高等问题，研发了既有住区市政管道数字化探测和免开挖机器作业臂修复关键技术。该技术可实现精准维护施工，维修成本仅为开挖式维修的25%～30%，作业车在地下、管道内作业，地面几乎没有声音，有效减少了对居民日常生活的干扰和事故的发生。

2)改善施工人员劳动条件

现有技术在挖掘时产生的大量尘土以及搬运更换下来的混凝土管道对作业人员健康具有不良影响，本研究具有免开挖、少污染、高效率的优势，1～2个工人即可在地面轻松完成查找堵、漏点、清淤、修补工作，极大改善了作业人员的劳动条件。

3)推动城市建设可持续发展

管道数字探测免开挖机器臂修复技术有效转变了住区公用设施和管线传统粗放式改造方式。可全面、科学地推动既有居住建筑改造，实现既有居住建筑综合性能的提升，进一步增强我国既有建筑改造产业的核心竞争力，为我国城市建设可持续、宜居发展提供科技引领和技术支撑。

6 结语

管道数字探测免开挖机器臂修复技术有效地解决了现有技术工序复杂、成本过大、施工耗时等问题，为市政排水管道的更新提供更高效、安全的解决方案，具有广阔的市场空间和社会价值。对于改善老旧小区居民住宅环境、保障人民生活、提高人民物质文化生活水平也有很大的帮助。