地下管線周圍環(huán)境振動監(jiān)測及預警技術(shù)理論分析

吳朝峰，李科舟，范文峰，宋祎昕，宋孝豐

(1. 中國能源建設(shè)集團浙江省電力設(shè)計院有限公司，浙江 杭州 310014；2. 浙江省能源集團有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化進程加快，在城市建設(shè)過程中，既有地下管線設(shè)施遭受施工外破開挖的風險越來越高。近年來，地下管線遭到第三方破壞的事故時有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計，由機械施工及自然災害造成的管線事故占事故總數(shù)的70%以上，其中90%以上的事故由施工開挖造成。如何在地下管線設(shè)施遭到破壞之前預知外破開挖風險，通過及時預警，給維護人員爭取應急防護時間，從而將危險消除在破壞之前，是國內(nèi)外地下管線運營方共同關(guān)注的課題。

近年來，隨著工程振動測試技術(shù)的進步，振動測試與工程應用的結(jié)合也越來越緊密。在工程振動理論的基礎(chǔ)上，利用成熟的振動測試儀器、設(shè)備和方法，對受施工開挖影響的地下管線進行監(jiān)測、預警，是值得探索和實踐的，也是將既有理論和技術(shù)相結(jié)合后形成新型應用技術(shù)的探索。

本文介紹了振動的基本知識以及振動測試的基本原理，通過對振動因素及振動參量的分析，提出了通過振動測試技術(shù)監(jiān)測地下管線周圍振動參數(shù)，并通過振動參數(shù)的指標判斷地下管線周圍環(huán)境安全狀態(tài)的技術(shù)思路。在理論應用層面對技術(shù)思路進行了探討，并通過小型現(xiàn)場工況試驗進行了初步驗證，為后續(xù)形成具體的新技術(shù)和新方法提供了理論支撐。

1 振動原理及振動測試

振動是自然界最普遍的現(xiàn)象之一。振動是指一個物體圍繞它的平衡位置所做的往復運動或一個系統(tǒng)的物理量在其平均值或平衡值附近來回變動的物理現(xiàn)象[1]。對于任一機械或工程結(jié)構(gòu)來說，常常需要工程技術(shù)人員準確地計算、分析、測試并預測其振動特性，這也是振動理論的基本任務。

振動問題可以用系統(tǒng)、激勵和響應概括，通常振動問題分為3類：①振動分析或相應預測：已知輸入和系統(tǒng)特性，求輸出或響應；②系統(tǒng)識別：已知輸出和輸入，求系統(tǒng)特征參量；③振動環(huán)境預測：已知輸出和系統(tǒng)特性，求輸入。

工程系統(tǒng)經(jīng)常處在各種激勵的作用下，容易出現(xiàn)響應，產(chǎn)生各種各樣的振動。盡管各應用領(lǐng)域內(nèi)的振動問題千差萬別，但解決的途徑往往具有共同性：①從具體的工程對象提煉出力學模型；②應用力學知識建立所研究問題的數(shù)學模型；③對數(shù)學模型進行分析和計算，求出精確或近似的解析解或數(shù)值解；④將計算結(jié)果與工程問題的實際現(xiàn)象或?qū)嶒炑芯康臏y試結(jié)果進行比較[2]。

為解決振動問題，可以建立與工程問題相對應的振動測試模型，在結(jié)構(gòu)和機械運行的各階段，通過測試傳感器、信號采集與分析設(shè)備、計算機等，獲得系統(tǒng)輸入(即激勵)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動力參數(shù)或系統(tǒng)輸出(即響應)等數(shù)據(jù)，為消減振動帶來的危害提供可靠依據(jù)。

利用振動測試技術(shù)可以解決的工程問題為實驗驗證、參數(shù)識別、荷載識別、建立振動方程、為理論計算提供技術(shù)參數(shù)、振動控制、故障診斷與監(jiān)測等。其中故障診斷與監(jiān)測為本次技術(shù)思路提供了方法及理論依據(jù)。

2 振動表征物理量及振動因素

2.1 振動表征物理量

振動的3個基本要素分別為振幅、頻率和相位。①振幅是表征物體振動幅度大小和振動強弱的參量，是振動強度和能量水平的標志，是評價振動狀態(tài)的主要指標；②頻率是表征物體每秒振動次數(shù)的參量，是振動特性的標志，是分析振動原因的主要依據(jù)；③相位是表征物體振動在起始瞬間位置狀態(tài)的參量。因此，采用位移參數(shù)、速度參數(shù)和加速度參數(shù)作為振幅、頻率和相位的評價量參數(shù)。在具體工程中分析振動時，一般應用“有沒有問題看振幅，有什么問題看頻率”的思路[3]。

①振動位移是質(zhì)量塊運動的總距離，量值為峰峰值，單位為mm；振動位移具體反映了振動距離的大小。②振動速度是質(zhì)量塊在振動過程中運動快慢的度量，量值為有效值，單位為mm/s；振動速度反映了能量的大小，即振動烈度。③振動加速度是振動速度的變化率，量值為單峰值，單位為m/s2；振動加速度反映了沖擊力的大小。

振動位移、振動速度和振動加速度都是對力的響應，向量表示振動幅值和相位，能清晰反映低頻、中頻、高頻范圍內(nèi)的振動強度。通過測量位移參數(shù)、速度參數(shù)和加速度參數(shù)，根據(jù)振動力學理論和振動測試原理，采用對應的測試方法和測試系統(tǒng)，經(jīng)過函數(shù)關(guān)系和數(shù)據(jù)分析處理后進行振動監(jiān)測和預警。

2.2 振動因素

地下管線周圍環(huán)境振動情況較為復雜，有自然因素也有人類活動因素，產(chǎn)生的振動也分為自然振動和人為振動。自然振動包括風荷載、地震海浪等引起的振動；人為振動包括振動設(shè)備運行和道路交通等引起的振動[4]。這些在振動中都屬于隨機振動，引起的問題屬于動態(tài)不確定性問題。本次主要分析地下管線周圍環(huán)境在人類活動因素影響下引起人為振動的動態(tài)不確定性問題，即人行振動、交通振動和建筑施工振動。

1)人行振動主要為：人在行走通過地下管線周圍時引起地面的振動，是一種振動歷時較短的瞬態(tài)振動，其具有間歇性、高頻次性、慢速性和長期性的特點。人行振動引起的振動強度相對較小，對地下管線的影響也相對較小，可不作為對地下管線周圍環(huán)境振動監(jiān)測及預警的振動控制。在預警系統(tǒng)中可不作為預警參量。

2)交通振動主要為：各種車輛通行過地下管線周圍時引起地面的振動，是一種振動歷時較短的瞬態(tài)振動，其具有間歇性、高頻次性、快速性和長期性的特點。交通振動引起的振動強度根據(jù)車輛型號、荷載、速度不同，引起振動強度的大小也不相同，對地下管線的影響也需要根據(jù)振動強度大小進行判斷。在預警系統(tǒng)中可作為預警參量。

3)建筑施工振動主要為：各種機械施工開挖、施工爆破、機械沖擊等行為在地下管線周圍發(fā)生時引起地面的振動，是一種振動歷時較長的由多次瞬態(tài)振動連續(xù)實施的穩(wěn)態(tài)振動，其具有有限持續(xù)時間、非永久性、低頻次性和偶發(fā)性的特點。建筑施工振動引起的振動強度根據(jù)施工機械、工藝不同，引起振動強度的大小也不相同，對地下管線的影響也需要根據(jù)振動強度大小進行判斷。在預警系統(tǒng)中需要作為預警參量。

2.3 振動評價參數(shù)

在定量評價振動對地面的影響時，目前廣泛采用的是地基質(zhì)點振動的最大速度或加速度，較少采用最大位移、譜烈度和能量比等指標[4]。

對于交通振動，主要是評價車輛運動對地面的振動影響。我國在HJ 453—2008《環(huán)境影響評價技術(shù)導則 城市軌道交通》、GB/T 50452—2008《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》、GB 10071—1988《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》中，對物體振動的評價參數(shù)主要采用加速度[4]。

對于建筑施工振動，主要是評價機械施工對地面的破壞和影響。美國礦產(chǎn)部門對爆破振動的評價參數(shù)主要采用速度。瑞典、德國等一些國家對施工振動的評價參數(shù)主要采用速度。我國在GB 50868—2013《建筑工程容許振動標準》中對物體振動的評價參數(shù)主要采用速度[4]。

3 振動監(jiān)測及預警的理論設(shè)想

目前，我國已有較多用于車輛振動監(jiān)測的傳感器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[5]，在數(shù)據(jù)仿真與預測模型方面也有大量研究[6-7]。我國做過行駛車輛振動試驗工作[8-9]，積累了較多實測數(shù)據(jù)[10]，通過施工機械開挖和巖土體破壞振動監(jiān)測工作取得了實測數(shù)據(jù)[4]。

筆者根據(jù)不同行業(yè)學者在此方面做出的研究和積累的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合地下管線遭受外破開挖現(xiàn)狀，通過對振動原理、振動表征物理量及振動因素、振動測試的系統(tǒng)梳理和分析，提出了技術(shù)思路理論設(shè)想，即通過振動測試技術(shù)監(jiān)測地下管線周圍振動參數(shù)，并通過振動參數(shù)指標判斷地下管線周圍環(huán)境的安全狀態(tài)。該設(shè)想是在振動理論以及振動測試技術(shù)原理基礎(chǔ)上，將地下管線周圍環(huán)境振動因素進行區(qū)分，采用傳感器對振動評價參數(shù)進行測量，對振動表征物理量和振動參數(shù)進行分析，通過振動測試儀器及設(shè)備對測量參數(shù)進行轉(zhuǎn)換，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)處理后變?yōu)閿?shù)字信號或模擬信號，從而實時展現(xiàn)在監(jiān)測系統(tǒng)中。同時，根據(jù)人行振動、交通振動及建筑施工振動的振動歷時和振動值的不同，在監(jiān)測系統(tǒng)中分級設(shè)定、分級預警。該設(shè)想為技術(shù)思路理論設(shè)想，后期需進行大量多工況的模擬試驗進行進一步驗證。

4 驗證試驗和分析

4.1 驗證試驗

本次布置不同距離的測點，進行挖掘機不同作業(yè)工況下的振動驗證試驗。選擇其中一個測點布置方案，如圖1所示，分別對挖掘機靜止狀態(tài)和開挖狀態(tài)的振動數(shù)值進行測試，即工況1和工況2。通過分析兩種工況下的振動數(shù)值，判定挖掘機的工作狀態(tài)。每個工況設(shè)置5個測點，分別采集挖掘機作業(yè)時的距測點距離、加速度有效值、加速度峰值、加速度水平值以及通道振動主頻率，試驗傳感器采用中國地震局研發(fā)的力平衡加速度計和配套的數(shù)據(jù)采集儀進行數(shù)據(jù)采集。工況1的振動數(shù)理統(tǒng)計結(jié)果見表1所列，其中，挖掘機靜止狀態(tài)為開機靜止，靜止狀態(tài)下周圍環(huán)境對數(shù)據(jù)略有影響。工況2的振動數(shù)理統(tǒng)計結(jié)果見表2所列。

圖1 挖掘機開挖狀態(tài)測點布置圖

表1 挖掘機靜止狀態(tài)下振動數(shù)理統(tǒng)計

表2 挖掘機開挖狀態(tài)下振動數(shù)理統(tǒng)計

4.2 試驗分析

本次試驗最遠距離為121 m，最近距離為43 m，均能較好采集到振動數(shù)據(jù)，其中，加速度有效值、加速度峰值和振動主頻率為測試直接采集值。在該測距關(guān)系下，以振動主頻率為主要評價參數(shù)，對兩種工況下驗證試驗振動參數(shù)統(tǒng)計和分析，得到以下結(jié)論：

1)工況1：挖掘機在靜止狀態(tài)下加速度有效值最大為0.001 707 m/s2，最小為0.000 842 m/s2，平均值為0.001 058 m/s2；加速度峰值最大為0.006 535 m/s2， 最 小 為 0.003 069 m/s2， 平 均值為0.004 297 m/s2；通道振動主頻率最大為38.96 Hz，最小為12.71 Hz，平均值為29.05 Hz。

2)工況2：挖掘機在開挖狀態(tài)下加速度有效值最大為0.006 049 m/s2，最小為0.001 268 m/s2，平均值為0.002 843 m/s2；加速度峰值最大為0.097 220 m/s2， 最 小 為 0.008 430 m/s2， 平 均值為0.030 983 m/s2；通道振動主頻率最大為16.66 Hz，最小為5.40 Hz，平均值為8.5 Hz。

3)挖掘機作業(yè)過程中，靜止狀態(tài)時的加速度有效值、加速度峰值、振動主頻率均與開挖狀態(tài)有較大差異。

4)挖掘機開挖作業(yè)過程中，其主頻率都集中在7～10 Hz之間，可以直觀判定挖掘機的作業(yè)狀態(tài)。

5)挖掘機和小型汽車經(jīng)過測點附近時，其主頻率處于一個相對較高的頻率，一般都在20 Hz以上，因此，較難判定挖掘機經(jīng)過工況。

5 結(jié)語

本文將車輛及機械行駛振動監(jiān)測技術(shù)、土體開挖振動監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合，提出了基于振動因素的地下管線周圍環(huán)境振動監(jiān)測及預警的技術(shù)思路，并進行了模擬試驗驗證，初步驗證了該技術(shù)思路的可行性。

在地下管線運行期間，根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測到的振動數(shù)據(jù)對地下管線周圍活動情況進行分析，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行判定，建立分級預警，運行維護人員可以根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)和分級預警情況及時采取對應的處置措施。該系統(tǒng)可以針對外部機械施工、外破開挖等可能引起振動現(xiàn)象的危險因素進行監(jiān)測及預警。后續(xù)將進一步研究如何應用于既有天然氣管線、石油管線和地下電纜等項目運行的監(jiān)測工作。