吕 猛

（南京千府工程有限公司，江苏 南京 210024）

0 引言

地下管线是城市建设发展的“血管”，是百姓安居乐业的基础设施，更是城市高质量发展的“生命线”，担负着为城市输送能量、调配资源、疏解废料等重要职责。

南京已建立起完整的地下管线数据库系统，截至2022年底，入库管线长度约20 万公里，管线种类囊括9 大类35小类，南京市地下管线存在“面广、量大、点多、历史悠久”等特点，地下管线错综复杂。其中排水管线入库长度约5.6万公里，占入库管线总长度的28%。

由于滑坡、地下空洞、交通荷载、人为因素和地下水影响，地下管线会出现弯曲、脱空和走向改变等工况，严重情况下会发生泄漏和破坏。地下管线由于埋设隐蔽，无法进行直接观测。而常规开挖探测不仅破坏道路环境而且影响交通通行，因此采用准确而高效的非开挖探测手段是必要的[1]。该文根据声学传播特性以及声波在土壤和管线位置处传播特性的差异性，提出基于声学传播的地下管线探测技术，该技术可以提高地下排水管线探测效率，为管线探测工程提供参考。该文结合实际排水管线工程，验证了该探测方法的准确性和适用性。

1 工程概况

南京市区某地下雨水管线从安装至投入使用时间约4年，由于地层沉降、水流冲刷和车辆碾压等影响，管线出现走向改变或者变形病害，需要探测明确的变形及病害位置及深度。测区排水管部位陆续出现多处局部下陷，经初步排查统计，排水管线存在共25 处不同程度的坍塌。部分水管开挖后发现交界处错位及管线变形较大、特别是Y22-Y54 区域混凝土管出现裂缝现象。

2 探测方案的制定

2.1 管线设计

管线的设计和计算应按照《给水排水工程管道结构设计规范》（GB 50332—2002）和《埋地塑料排水管道施工标准图集》（04S520）进行[1]，用于地面排水管线的设计。根据现场实际情况，检查管线尺寸和位置的变化，根据试验参数检查管线变形是否符合规范要求。

2.2 现场管线材料取样

根据以往的工作经验和专业环形刚度试验单位的咨询结果，管线投入运营后的环形刚度测试值不能作为初始值。管线取样测试包括以下内容：1）双圆波纹管主要检查管线的外观、材料和结构尺寸。2）混凝土管线主要测试管线的外观、结构尺寸和加固系数[2]。该试验主要用于检查管环的刚度是否符合规范要求。检验最重要的内容和方法包括界面测量和原材料检验。

2.3 开挖验证

通过现场人工开挖和加压，必须根据施工规范检查施工进度，并目测管线保护措施是否符合规范要求。试验的主要内容和方法包括现场开挖确认、密封试验和病害位置。

2.4 现场外观检查

在现场由工作人员进行开挖检查，选择开挖规模小、操作方便的场地。选择Y22 至Y54 进行开挖检查。该段平均埋设深度为1.8 m，管线直径为800 mm。现场密封试验应采用灌水法[3]。

3 基于声波地下管线非开挖探测

3.1 探测设备和探测原理

基于声波的地下管线探测方式的核心思想是通过搜集地下管道传出的声波信号，经过处理该信号的特征后得到地下管线相关信息。该声波信号一般由人为进行主动激发，一般有两种激发方式：一种是地面激发，另一种是管道激发。其中地面激发由于受土壤层干扰大，且准确传递给管道存在一定的困难，因此该文选择管道自身激发的方式。

该研究采用声波振动式地下管道探测器，基于充液通道的自由振动特性，通过激发流体波和管线上方的地震动信号来探测地下管线的位置和病害。通过发射器发出探测声波，主要分为两部分：一部分是经过地面的初始波，该波段首先被接收器接收；第二部分为传递到埋地管道，并激发管道振动产生的初始波。初始波经过埋地管道振动反射后形成反射波，反射波被接收器接收。接触受通过对反射波的处理和分析，明确地下管道相关特性[4]，声波探测原理如图1 所示。在实际工程中可在埋设管道地面多点进行声波探测，进而得到管道整体信息。

图1 声波探测原理

3.2 工程参数

该研究基于管线在层状介质中剪切或压缩传播的反射系数和透射系数，计算管线位置，获得并分析理论值。根据管线回填的标准，土层I 的深度，即与管线中心轴的距离设置为0.4 m。第一层为砂，第二层为密实砂。MDPE 管物理参数见表1。

表1 分层土壤性质

根据介质性质以及声波在土壤中的波速，当压力波的入射角为54°时，表面波的反射角为73°。投入土壤中的初始波的入射角为32°，反射波的反射角为21°。因为初始波相比于表面波传递距离更长，所以反射波入射角和反射角均较小且到达接收器的时间更晚。这个特性可用于区分地面产生的表面波对探测结果的干扰。对于不同频率的探测声波来说，200Hz 工况下表面波和反射波的信号最清晰，且此时反射波的振幅最小。这是因为该频率探测波段下I 层土体和II 型层土体干扰最小，因此该案例采用200Hz 作为探测声波频率。

4 探测结果

4.1 管线方向探测

土壤振动在一定程度上反映了轴对称流体波在地下管线中的传播情况。在地面上布设一系列测量点，测量得到每个点的位移幅值和相位信息。探测得到液体的波速为482 m/s，实测结果通常与理论值一致，在110 Hz 的低频率下观察到反射引起的波动，表明管线液体波被激发[6]。

图2 显示了200 Hz 径向位移反应的振幅云图。图中显示，在点源激发下，管线的轴对称流体波沿管线传播，同时辐射到地面。辐射声波到达地面并引起土壤振动。此外，弹性波在地面传播时会反射，因为地面是自由表面，声波在到达地面时会反射，以及管线下方地面中的PML 反射。PML 为完美匹配层（Perfect Matched Layer），探测设备中设置完美匹配层的作用在于吸收入射波，模拟无限长的管道埋在无限大的土壤中。

图2 200Hz 声波下土壤垂直位移云图

4.2 管线漏损成像

信号幅值表示振动的幅值。模拟模型地面测量点的路径幅度轮廓如图3 所示。由于低频反射的重要影响，此处不考虑。可以在180 Hz 和190 Hz 振幅图上观察到点源（0.5），振幅轮廓为130 Hz～200 Hz。事实上，管线泄漏也可以被视为轴对称流体波的点源[7]。因此，该方法可以探测管线的泄漏点。通过观察130Hz、170Hz 和200Hz，无法找到点源，但管线两端存在强烈反射。这是因为模型两端的PML 不吸收反射波引起的反射[8]。当遇到管线的端部时，会发生类似的反射。

图3 管线漏损成像图

5 现场开挖与验证

5.1 开挖验证内容

5.1.1 密封性试验

招标检查主要在现场人工进行，因此选择了开挖规模小、有操作空间的场地。选择Y22 至Y54 区域段进行开挖检查。该段平均填埋深度为1.8m，管线外径为800mm。对受损区域和正常管线进行密封测试。根据密封性试验结果，距离管侧20cm 的密封度为0.75～0.80，管顶正上方0.5m 处密封度在0.77～0.79，底部垫层密封度为0.85。同时该段区域出现了三处脱空病害。

5.1.2 标准贯入试验

标准贯入试验在ZK1 孔1.1 m～1.3 m 和3.8 m～4.1 m 处进行。1.1m～1.3 m 处，标准贯击数为25；3.8 mm～4.1 mm 处，标准贯击数为23。两段贯入试验相差不大，性质较为统一。

5.1.3 取样钻孔测试

现场共钻了4 个孔，最终钻孔深度在8 m～10 m。在3m以下的钻台上得到了一个高度完整的岩芯样本。根据土方工程的测试结果，土质的压缩模量为3.14 MPa～5.48 MPa。通过取样，现场测试了土壤的腐蚀性。土壤的pH 值为5.09，腐蚀程度中等[9]。

5.1.4 场管材取样测试

对双壁波纹管，检查管线的外部尺寸；对混凝土管线，检查管线的强度和分布。规范要求波纹管格直径800mm 的最小壁厚不小于4.1 mm。现场收集了4 根塑料排水管进行测试。

5.2 验证结果

Y22～Y54 段的开挖和声波探测结果见表2，从表2 中可以看出声波探测结果与开挖结果基本相同，脱空数量和管线走向探测值与真实值一致，脱空位置和渗漏位置相差较小。平均埋深预测一致，因此该开挖结果验证了该文提出的基于声波管线探测方法的准确性。

表2 探测结果分析

在声波探测中位置偏差最大值为0.4m，最小值为0.1m，对渗漏位置探测结果偏差位置最大，这是因为管线运输物质被渗漏后影响了局部土体信号反射和传播，因此声波探测得到的是一个范围值。由于土质沉降，埋深深度发生变化，整根管线埋深的最大值和最小值相差0.8m，不影响管线内流体流动性能。

6 探测结果分析及原因

6.1 测试结果

勘探、现场管线取样和人工测试的主要结果如下：1）管线Y84-Y23 和Y22-Y54 的变形率超过要求标准的5%；而且Y22-Y54 区域的管线在现场严重变形。2）薄壁波纹管壁厚不符合规范要求。直径800mm 管线的壁厚为2.34mm～3.61mm，不满足直径800mm 管线最小厚度为4.1mm。从钢筋混凝土管线到钢筋混凝土的距离明显高于标准150 mm（现场检查350mm 范围内未发现钢筋）。管线两端未对钢筋加密，管线支撑结构的纵向直径小于4.00mm（取样约3.0mm）的标准要求。3）在钻探探测过程中，现场没有砾石，管线被沙子填满。在没有良好的保护层和水平管线刚度极限的情况下，双壁波纹管的垂直荷载压缩承载力较低。当管线顶部加载时，可能会导致管线在倒塌和损坏。

6.2 事故原因初步分析

根据上述研究和试验，综合分析表明，管线损坏的直接原因是过度变形和严重的接口错误。排水管过度变形甚至倒塌的主要原因如下：1）管线周围的底部脱空，不符合规范的密封要求，密封材料不符合规范要求，导致管壁周围的底侧刚度降低。管线的不均匀张力加剧了管线的垂直变形。2）双壁波纹管壁厚不符合规范要求，刚性不足导致变形较大；钢筋混凝土管线中缺少钢筋会导致强度和刚度不足、过度变形和开裂。3）管线连接套管和橡胶圈脱落，并出现许多裂缝，导致泥沙流入管线，管线周围的土壤进一步破坏，造成管线坍塌和弯曲破坏。

7 结论

该文基于声波在土壤中的传播和反射特性，分析了基于声学方法的地下管线探测技术的理论基础和探测结果，可以得到以下结论：1）通过分析地震动的幅值和相位信息，计算测点振动与点声源之间的传递函数，绘制成像幅值和相位等值线，以探测管线的方向和漏点。2）对具体管线段落开挖取样，验证了声波探测方法的准确性。声波探测方法在管线埋深、脱空病害、渗漏位置和管线走向方面都能达到较高的准确度。