张达石 邱超 樊雪莲 郭宇航 李新兵

1.上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司 200125

2.上海城投水务（集团）有限公司 201103

3.上海万朗水务科技集团有限公司 200434

引言

随着城市水环境治理项目的大力开展，在城市密集区内修建了大量的地下输水管道，不可避免地会同地下设施发生关系，如何将管道运行过程中对邻近既有地下设施的影响降到最低，在出现问题前能及时进行处理，确保地下设施、管道本体及环境的安全，是一个越来越被关注的课题。本文依托虹桥污水处理厂厂外管网工程中所做的智慧管道技术应用，介绍了智慧管道技术的实施情况，并根据应用效果，提出了今后管道建设过程中应用智慧管道理念和技术的重要性及建议。

智慧管道系统［1-3］是通过24h 连续在线监测，对管道及周边环境的全生命周期数据变化进行管理，使管理人员能够及时准确掌握管线中关键节点的水位（重力流）、压力（压力流）、流速、流量、沉降变形等数据，及时发现排水管线的渗漏、溢流、淤堵等问题，以便采取有效的应对措施，保障城市排水安全，确保管道安全平稳运行。

智慧管道的应用价值主要包括以下方面：（1）实时监测土体沉降变形和管节接缝状况，方便及时排查因土体沉降和不均匀变形造成的隐患，有力地保护了管道自身和地面道路、排水管道上方的其他市政管道、排水管道下方的地铁盾构等周边基础设施；（2）提供了一种城市排水管网在线监测系统，实现了对城市排水管网运行情况的实时在线监测与评估，并以直观的用户界面展示监测状态，对实时数据定期存储并提供对历史数据的查询分析服务，为城市排水管网的管理提供了依据；（3）提出了一种基于大数据的排水管网监测系统，将众多排水管网监测点采集的数据进行汇总并统一分析处理，提高对排水管网的监测能力。利用网络技术进行数据传输，数据采集、反馈的时效性好，便于及时发现并解决问题。

1 工程概况

虹桥污水处理厂东部污水干管自天山污水处理厂→双流路→新渔路→协和路→金钟路→广顺北路→绥宁路，全线采用顶管施工。干管采用的钢筋混凝土管选用JCCP管材，设计内径1200mm，管外径1540mm，管长约4185m，管接口为柔性接口。采用压力流与重力流相结合的输送方式，压力流管道工作内压0.15MPa，设计内压0.50MPa。

东部污水输送干管跨越轨道交通2 号线出入场段，根据基本资料显示，该段隧道外侧顶高程为-3.574m ～-5.064m。轨道交通2 号线隧道外侧顶高程北翟路南侧低于北翟路北侧，污水管道位于北翟路南侧。由于污水管道跨越轨道交通隧道的垂直净距不宜小于3m，因此在污水干管跨越轨道交通2 号线的区段设置一对工作井，抬高污水干管。污水管道跨越轨道交通2 号线后，采用下倒虹方式穿越外环西河，见图1，顶管和隧道高程见表1。

图1 顶管跨越轨道交通2 号线、 外环西河位置示意Fig.1 Location plan of pipe jacking crossing the rail transit line 2 and Outer ring west river

表1 顶管、隧道高程（北翟路-外环西河）Tab.1 Pipe jacking，tunnel elevation（Beidi road-Outer ring west river）

东部污水输送干管在协和路、天山西路交叉口跨越轨道交通2号线隧道区间，采用顶管施工方案跨越隧道上方，见图2，顶管和隧道高程见表2。

表2 顶管、隧道高程（协和路、天山西路交叉口）Tab.2 Pipe jacking，tunnel elevation（Intersection of Xiehe road and Tianshan west road）

图2 顶管跨越轨道交通2 号线（协和路、 天山西路交叉口）位置示意Fig.2 Location plan of pipe jacking crossing the rail transit line 2（Intersection of Xiehe road and Tianshan west road）

2 智慧管道应用

2.1 应用目的

虹桥污水厂智慧管道应用是针对穿越地铁两段下方有隧道的断面开展监测，目的是确保管道下方地铁区间的运营安全，工作重点是对管道沉降和管节接缝状况进行实时监测。此项应用属于排水管网监测技术领域，需要解决的技术问题包括：

1.对土体沉降实现在线监测。东部污水干管在轨道交通2 号线上方跨越，若发生整体和不均匀沉降造成管道渗漏，将会对地铁、管道安全运行和环境保护产生影响。

2.对管节接口状况实现在线监测。东部污水干管在轨道交通2 号线上方跨越，跨越段相邻管节接缝拉伸、压缩变形以及因不均匀沉降引起的张角变化需满足污水管安全运行标准。

2.2 监测方案

系统共设置两个监测点，即北翟路-外环西河沉降监测点和天山西路-协和路测缝监测点。

1.管道沉降监测

虹桥污水厂东部干管穿越轨道交通2 号线北翟路-外环西河管段（W71、W72 井之间）地铁盾构上方，在地铁盾构与污水干管之间选择水平安装阵列式位移计［4］，正交穿过轨道交通2 号线隧道，一端位于顶管W72 接收井，另一端位于W71 出发井内，阵列式位移计距离顶管底部大约50cm，阵列式位移计总长约30m，由30 个位移监测单元连成一串，主要观测地铁盾构隧道上方土体沉降变形。阵列式位移计监测点位布置见图3。

图3 阵列式位移计监测点位布置（单位： mm）Fig.3 Array displacement measurement meter monitoring point layout（unit：millimeter）

2.管节接缝状况监测

对虹桥污水厂东部干管跨越轨道交通2 号线天山西路、协和路管段（W77、W79 井之间）地铁隧道上方部分管节进行拉伸、压缩度监测。位于地铁2 号线隧道上方共4 处交叉部位，每个交叉部位设置2 个监测断面，共8 个监测断面，每个监测断面在管道内壁呈夹角120°布置3 个光纤光栅测缝计［5］，对管节接口间的间隙变化进行动态监测，当间隙接近限值时自动预警，提示管线管理单位及时采取应对措施。测缝计监测点位布置见图4。

图4 测缝计监测点位布置（单位： mm）Fig.4 Seam measuring meter monitoring point layout（unit：millimeter）

测缝计安装在管内侧，可以通过线性计算得到管顶和管底的接缝拉伸、压缩量，另外通过阵列位移计各测点差异沉降量和管节长度，可得到相邻管节夹角变化，从而利用管节接缝拉伸、压缩和张角评价管节接缝状况。

2.3 监测设备

管线接口变形监测采用光纤光栅拉杆式测缝计，通过光纤光栅分的波长测量建筑物表面接缝的开合度。测缝计由光纤光栅、弹簧、连接杆、传动机构、万向节等组成，采用不锈钢外壳封装，可达到IP68 级防水，适用于-30℃～80℃，能保证测量数据的精度和稳定性。

土体沉降变形采用阵列式位移计，通过检测各部分的重力场，得到各段轴之间的弯曲角度，利用弯曲角度和已知各段轴长度，可以确定位移计变形情况。阵列式位移计由三段连续轴、微电子机械系统加速度计组成，可适应2000kPa 水压和-40℃～60℃环境温度，施工时安装在聚氯乙烯管道中。

虹桥污水处理厂智慧管道项目的数据采集分为模拟量采集、MODBUS485 采集和光纤光栅解调仪的光信号采集。其中光栅测缝计的数据采集是通过骨干光缆，接入光纤光栅解调仪，由光纤光栅解调仪采集。光纤光栅解调仪是光学探测的数据转换部件，在本系统中光纤光栅解调仪可以显示每个测点的工作情况，也可以将数据传送到监控中心的主机上进行数据分析、查询、保存等。光纤光栅解调软件—分布式组态监控平台WIS可实现数据快速接入与综合监控，集数据存储、对象监视、智能控制、报警提醒等众多功能为一体，是一体化综合监控的有力工具。

光纤光栅测缝计信号光缆沿管道内壁敷设到W79 井。W79 井内需增设光缆走线预埋管，光缆通过预埋管敷设到W79 井地面。W79 井的井口附近绿化带内布置设备箱，设备箱内布置光纤光栅解调仪、无线数据传输设备和电源供电等设备。电源供电采用太阳能板加蓄电池供电方案。

2.4 监测结果

1.北翟路-外环西河沉降监测点

轨道交通2 号线北翟路-外环西河段W71 ～W72 井范围内，污水管下方列阵式位移计监测数据显示，监测期内管段的最大沉降变化量为-19.2mm，发生部位在最靠近W72 井一侧的1＃测点。截止2019 年8 月31 日，监测管段范围内，最高点与最低点的差异沉降量为19.1mm，相邻测点最大差异沉降量为3.9mm（表3）。管节之间的差异沉降对管道接缝的影响很小，管道接缝正常。

表3 沉降监测结果Tab.3 Settlement monitoring results

根据规范［6］要求，顶管造成的地面沉降量应控制在＋10mm ～-20mm，当监测数据达到沉降值的70%时，应及时报警并启动应急事故处理预案。由于阵列位移计两端分别与W71 井和W72井的井壁紧密连接，在开始测量时未考虑工作井沉降对管道造成影响，致使靠近W72 井的位移计数据偏大，后经测量确认监测数据采集正常，已经趋于稳定。

2.天山西路-协和路测缝监测点

轨道交通2 号线天山路-协和路段W77 ～W79井范围内，光纤光栅测缝计对污水管管节之间管缝的监测数据显示，监测期内管段范围内管节接缝的最大拉伸量为0.28mm，最大压缩量为0.66mm（表4）。JCCP 管的管接口为柔性接口，当管道因差异沉降等原因发生变形后，为确保管节间接口的密闭性，管节间的最大拉伸量为60mm。如果考虑更大的安全余量，确保两道O形胶圈均能起作用，则管节间的最大拉伸量为35mm。再综合考虑管节制作和施工过程可能造成的接口内壁标准间隙偏差，取安全拉伸量为30mm。监测管道拉伸与压缩量远小于安全拉伸量，满足要求。

表4 测缝监测结果Tab.4 Seam monitoring results

根据各监测点差异沉降量与管节长度，可计算得到相邻管节之间夹角变化，规范［7］要求相邻管节间接头控制允许转角不应大于0.5°，分析监测数据变化，各个监测断面处管节接缝稳定，管节间张角变化满足要求。

运行期污水管管缝的拉伸、压缩量和管节间张角均在污水管产品的安全限值内，管道接缝处于安全状态。

3 技术建议

1.根据项目应用需求，阵列式位移计也可以在管道内安装，直接监测管道的差异沉降变形，在设备安装完毕进行初始数据采集时，还应及时测量管段两端检查井的沉降量。

2.在虹桥污水厂智慧管道项目中，阵列式位移计沿顶管路线在管道下方的土体中水平布设，由于顶管施工井与接收井的钢筋混凝土墙壁、防水层强度和厚度都较大，造成基建施工完成后顶管安装阵列式位移计难度系数与工期都会增加。建议后续应用时可在施工前或顶管井施工的同时进行阵列式位移计的安装，这样既可以加快施工进度，减少施工难度与费用，又可以在随后的管道顶进过程中监测土体的受压情况，方便顶管施工人员安全作业。

3.本项目共采用了两种监测设备，其中阵列式位移计主要适用于对各种长度范围内连续管段各管节的沉降量监测，得到各测点的累计沉降量和相邻测点之间的差异沉降量，也可以推算出管道接缝的变化，从而对管道进行安全评估。测缝计则主要适用于对重点部位的管道接缝实现精确监测，可以直观掌握管道接缝的变化情况，如果对管段范围内所有管节间接缝进行监测，也可以分析管段的沉降变形情况。综上，在后续的实际应用中，可以根据需求单独采用一种监测设备，也可以同时采用两种监测设备，实现对重点管段更加全面的监测。

4 结语

本文通过阵列式位移计和光纤光栅拉杆式测缝计分别对土体沉降变形和管节接缝状况进行实时监测，运行期内各监测点最终沉降量、相邻管节接缝两侧差异沉降量、污水管管缝拉伸、压缩量、相邻管节张角变化均满足规定要求。对于监测方案，应根据项目应用需求，可单独采用一种监测设备，也可以同时采用两种监测设备。其中，阵列式位移计也可以在管道内安装，其安装可与顶管施工井和接收井基建施工同步进行。