江苏沉管施工项目团队河流穿越水下管道埋深非开挖检查测试技术分

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1 水下管道非开挖状态检查测试技术研究现状

非开挖施工技术对于埋深管道的施工具有重要的意义，它是采用各种岩土开挖的技术，在不破坏地表不开挖沟槽的情况下，在地下进行管道的铺设，管道的维修以及管道的更换。该技术将管道的铺设方式从开挖沟槽向定向钻孔的方式进行转变。该技术通过水平的定向钻孔机，通过定位导航仪沿着预先设定的轨迹在不同的地质条件以及不同的深度下进行管道铺设作业。在钻孔的过程中，通过配合不同的监测手段以及控制仪器对使钻孔机沿着设定轨迹到达目标位置。当钻孔机完成钻孔工作后，扩孔机进入孔中对其直径进行扩增，之后再拖入管道进行铺设。因此，管道铺设路线的正确性取决于，钻孔机定位与导航的正确性。现阶段，钻孔机的定位与导航方法主要采用电磁导航，惯性导航以及地面上的导航方式。这三种方式有着不同的特点。其中，惯性导航的适应于精度要求较高的场合，但是其存在着成本较高的特点。电磁方式的定位导航以及地面方式的定位导航由于受到周围环境的影响，其定位精度较难控制，需要有经验的工作人员通过专门知识进行判断与工作。

非开挖状态下的检查测试水下管道检查测试技术人工潜入水下进行观察、机器人视觉检查测试方法，电磁设备检查测试方法与声呐设备检查测试方法等。人工水下检查测试方法是潜水员携带探管仪声呐等设备潜入水下，对管道的状态进行巡检，该方法检查测试结果较好，但是存在风险性较大的缺点。电磁检查测试方法是采用电磁设备进行定位管道并测量其埋深，这种方法在应用中存着一些不足，需要对其进行优化与升级。

在检查测试设备方面，以电磁法为原理研制出的设备应用较为广泛，下面对各个设备进行详细的分析。这些具有代表性的设备主要包括英国Radiodetection公司生产的RD系列的探地雷达设备，美国的Star Trak公司的开发的水下管道探测系统。英国Radiodetection公司的开发的水下探测设备采用的技术较为成熟，且应用范围较光，该探测设备主要由发射器、探测器、接收器以及呈现A字型的支架构成。在实际的水下管道的检查测试过程中，需要人员携带施工保护设备潜入到水下对管道进行监测评估，对于水流较大的河流通过此方法难以完成检查测试。

BPS公司研发的水下埋深管道探测系统主要包括信号发射装置、信号接收装置、信号收集与处理系统组成，该设备的优势在于能够探测水深达62m，且埋深达5m的管道，并且具有较高的检查测试精度，且系统成本较低。该设备的不足之处在于，整体的检查测试原理是采用大地回路法，如果管线出现了磨损、腐蚀等失效形式则会导致整体检查测试的精度下降。此外，该设备在埋深变化范围大的情况下对管道的定位较为困难，且该设备对于收集到的数据的处理周期较长，一般为一个月左右，不适合实时状态监测的应用场景。

美国的Star Tark公司生产的河流水下管道检查测试系统，可以通过电缆将水下埋深的管道连接成闭合回路，通过发射器向管道中发射低频的信号，该信号通过管道以及回路后传输到接收端，采用GPS技术对管道的穿越路径进行定位，将采集到的数据通过数据处理软件生成CAD图进而得到管道的埋深图以及剖面图。

与国外相比，国内在水下管道的检查测试技术方面起步较晚且大部分处于地面检查测试的水平，水下管道的检查测试还处于检查测试深度较低的程度。

国内外在水下管道的非开挖检查测试设备方面取得了许多成果，并且有些设备已得到广泛应用并在一定的场景下取得了较好的成果，但是，水下管道的非开挖检查测试技术也存在以下问题：

(1)现有的检查测试方法较难满足水深较深、且埋深变化范围较大的情况。这是因为该情况下的电磁信号强度变化大，使得检查测试结果不准确或无法得到检查测试结果。

(2)对于定向钻穿管道，未能给出较为合理的电磁强度的校准方法，使得传感器的检查测试精度变化范围较大。

2 水下管道非开挖检查测试技术概述

水下管道的非开挖检查测试技术主要是通过人工、电磁设备、声呐设备、视觉设备对水下埋深处的被测管道进行状态的监测与健康的评估，从而及时发现管道运行过程中存在的隐患。人工以及机器视觉的方法主要通过人工或者机器人来监测设备的表面是否发生了磨损、腐蚀、裂纹及其其它形式的损坏，从而根据反馈结果确定合理的维护方式。电磁设备以及声呐设备主要通过向被测管道中施加监测信号，信号在管道中进行传输，将管道的状态信息调制于信号中，收集到的被测信号通过处理系统来分析其运行状态，通过专家经验结合数据结果来出具评价结果，辅助后期的维护保养。

3 水下管道非开挖检查测试技术特点与应用

水下管道的施工方式多为定向钻越的方式，这导致管道埋深较为隐蔽且埋深范围较大，给检查测试带了的难度。目前常用的河流水下管道非开挖检查测试技术主要包括惯性制导方法，电磁系统检查测试方法、声呐系统检查测试方法、智能视觉检查测试方法以及人工检查测试方法。下面将分析每种方法的技术特点以及相应的应用场景。

3.1 惯性制导方法

惯性制导方法的原理是采用加速度等传感器单元来测量运载体加速度，通过积分运算可以得到运载体的速度以及位移，从而完成对运载体的定位导航。该传感器的特点是，它仅通过三轴加速度传感器来测量运载体的各项参数，不容易受到外界环境的影响，通过得到运载体三个轴方向的位置与姿态可以得到管道中间线的坐标。当管道内部检查测试器在管道内部移动时，三轴加速度传感器的运行。内部检查测试系统以一定的频率采集传感器的加速度、速度、里程等信息保存于计算机中。位于地面上方的每隔一定距离处会设置GPS的参考点，当内部检查测试器经过地面上的GPS参考点时，会与其定标和进行数据传输，检查测试器将当前的位置以及时间数据上传到定标盒中。这样当内部检查测试器完成整个管道的检查测试后，地面计算机会得到整条管道中间线的数据，由于每隔一定距离会分布GPS参考点，通过该定位信息对惯导单元得到的中间数据进行修正，从而得到更加准确的位置信息。得到管道的位置信息后，可以绘制出精准的管道位置图，在此基础上，结合声呐设备对水下埋深管道进行状态监测。该方法目前的应用较少，主要是由于其工作性较为繁琐，且工作成本较高，这主要由于很多管道无法进行内部检查测试，并且大范围长时间的检查测试会导致数据的丢失，使检查测试结果不可靠。

3.2 电磁检查测试方法

电磁检查测试法一般分为两类，一类为电磁法，另一类为相对电磁法。分类的依据主要是通过发射装置的发射频率不同以及接收装置天线的阵列不同来进行划分的。该方法在检查测试过程当中的工作过程为，发射机的输出、被测管道、发射机的输入三者构成回路。当开始检查测试时，发射机向管道中施加特定频率的电流信号，该电流信号会在交变的磁场，然后接收机将交变的磁场信号进行捕获，通过分析接收到的信号的磁场强度的变化来确定管道的位置，当接收机位于管道的正上方时，得到的场强较强，将该点进行记录。并通过公式计算接收机与管道之间的距离，该距离即为管道的深度。

3.3 声呐检查测试方法

声呐检查测试方法的测量原理为采用声呐检查测试设备向水中特定方向发射短波脉冲，短脉冲接触到水底之后反射回来别声呐设备所捕获，已知发射的短波脉冲在水中的传输速度以及发射与接收的时间差，通过该参数能够计算发射源到河底的距离。在测量过程中将测量仪放置于水下，测量仪发射出声呐信号，实时测量其与河底之间的距离，并通过计算该点位于水面的距离，从而能够计算出水面与河底之间的距离。在测量仪的每个位置处都计算其GPS信息，通过GPS信息与水深数据可以计算河床的等高线，从而对河床的状态进行监测。声呐法能够检查测试出水面与河床之间的距离，该方法需要满足水面与河床之间无障碍物进行遮挡，如果管道通过定向钻穿的方式进行铺设，则该方法无法对其进行检查测试。因此，声呐法在水下条件较好，且对非定向钻穿方式的管道较为有效。

3.4 视觉检查测试方法

视觉检查测试方法可以分为人工视觉的检查方法以及机器人视觉的检查测试方法。人工视觉检查测试方法通过检查测试人员潜入到水下对管道状态进行检查测试，检查测试结果容易受到环境因素的影响，对于水流流速较大，水深较深的情况则不适合于人工检查测试。机器人视觉是采用机器人来替代人工进行检查测试，高清摄像头由于受到河流浑浊度以及周围障碍物的影响造成检查测试结果的不可靠。

4 结语

水下管道运行的状态的稳定性是保证系统正常运行的前提。由于水下管道的埋深铺设方式的特殊性无法对其采用地面管道开挖方式的检查测试技术。因此，需要根据水下管道的施工方式、位置信息确定合理的非开挖检查测试技术。对此，本文详细分析了水下管道埋深非开挖技术的研究现状、技术概述以及应用，从而为不同应用场景下的检查测试技术提供依据。

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