管道机器人在隧道暗沟清理工作中的应用

张昆阳

(重庆中宇工程咨询监理有限责任公司， 重庆 400067)

根据《公路隧道养护技术规范》(JTG H12—2015)2.2.4条要求,隧道的排水设施应定期进行清理和疏通。其中排水设施的清理不宜少于1次/半年。在雨季，应加强对排水设施的检查和清理疏通工作，对于纵坡小的隧道或隧道的洞口区段，应加强其清理和疏通工作[1]。隧道暗沟位于拱墙边，路面以下属于隐蔽性水沟，运营养护阶段，其定期巡查工作是隧道运营期的一个重难点。目前，管道机器人开始用于隧道排水沟的清理和疏通。

1 管道机器人的发展及分类

隧道工程路面两侧排水沟多为暗沟形式，位于路面下约30 cm，以矩形为主。该暗沟主要收集二衬与初支间的渗水，二衬内通过连接纵向排水管(三通管)将水排至纵向暗沟，暗沟在纵向每隔50 m左右设置一个检查井(兼沉砂井)，顶部盖板可以打开。纵向排水暗沟是隧道内排水的主要方式，如果水沟结构破损或泥沙阻塞造成涌水，将会造成路面起皮或鼓包，也给隧道行车带来很大的安全陷患[2]。

传统的水沟清理，只能通过检查井进行观察和冲洗，由于无法获知其阻塞位置及暗沟内部情况，冲洗效果较差，无法保证设计流水断面，造成相关隐患无法根治，这个问题长期存在。

自1978年法国提出了腿足式的管道机器人以来，管道机器人开始了迅猛的发展，其中一部分管道机器人已进入到实际应用阶段，在管道的日常检查、排查、维修中发挥了重要的作用。管道机器人在我国的发展比国外发展起步晚，哈尔滨工业大学最先研究的轮式行走管道机器人，主要用于大口径管道的自动化检测；上海大学最先研制的细小工业管道机器人的移动探测器集成系统，可实现20 mm管道内探测[2]。

管道机器人通常采用模块化设计，主要包括爬行器、上位控制单位、检测单元、辅助装置、图像处理软件等模块[3-4]。此外，管道机器人还包括检测单元、图像处理软件、辅助设备、电缆绞盘等模块，见表1。

表1 管道机器人主要模块与功能Table 1 Main modules and functions of the pipeline robot

2 管道机器人的应用

2.1 管道机器人工作原理

目前，在隧道暗沟、管廊应用最广泛的是轮式管道机器人，如图1所示，由主控制器，电缆盘，爬行器及镜头4部分组成。主机控制爬行器于管道内爬行，可360°全方位观察与检测管道内锈层、结垢、腐蚀、穿孔、裂纹等情况，并将相关视频数据通过电缆线回传至电脑系统，应用软件通过分析视频，结合原始坐标及抓拍图像，生成检测报告[5-7]、长度及评判总体情况，为后续管道维修、养护提供全方位的数据资料。

图1 自行式隧道暗沟轮式机器人Fig.1 Self-propelled wheel robot in tunnel underdrain

2.2 管道机器人的工作流程

隧道内排水沟为暗沟形式，每50 m一个检查井，暗沟流水断面为50 cm×35 cm。施工现场严格按照《公路养护安全作业规程》(JTG H30—2015)相关要求摆放和设置各种施工安全设施，经交警、路政部门验收后方可开工。管道机器人工作主要分为下放、检测及数据分析3个阶段，其工作流程如图2所示。管道机器人隧道排水暗沟检测、疏通作业如图3所示。

图2 管道机器人工作流程Fig.2 Process of pipeline robot

(a) 机器人下放

(b) 机器人检测

(c) 数据分析

(d) 暗沟清理图3 管道机器人隧道排水暗沟检测、疏通作业Fig.3 Pipeline robot detection, dredging operation in tunnel underdrain

2.3 管道机器人的应用成果

广东惠清高速公路A1设计合同段起讫桩号K56+012.856～K96+738.262，主线路线全长40.725 km，路基较少，以桥隧道为主。全线隧道11座，长13 606 m，其中特长隧道4 222 m/1座、长隧道5 460 m/3座、中隧道2 488 m/3座、短隧道1 436 m/4座。南昆山特长隧道存在富水段及多个断裂层，渗水较大。全线隧道排水暗沟共计总长达(单条累计)53 140 m。该项目全面采用管道机器人对隧道暗沟进行检查，通过视频反馈及后期软件分析，建立了水沟堵塞数据台账，据此制定了处治方案，明确了处治设备的选用及施工计划。

采用管道机器人1 d巡检暗沟可达到600 m～800 m(视堵塞状况不同)，相同人工1 d最多200 m左右，一座3 km隧道，14 d可完成全部巡查，并生成报告，大大节省了人力成本，提高了工作效率。

通过管道机器人巡检查明内部堵塞材质主要分为2类：生活类垃圾、建筑材料和水泥浆沉积层及水质钙化沉淀物[8-13]。前者采用高压水枪冲洗至检查井集中打捞处理，后者采用回旋钻头配合高压水头进行清理，严重堵塞部位采用开窗人工处理，其清理前后效果如图4所示。清理后断面满足设计要求，清理效果符合隧道养护规范要求，隧道再没有发生暗沟涌水险情，保证了车辆通行安全。

(a) 机器人巡查情况(清理前)

(b) 机器人巡查情况(清理后)图4 管道机器人隧道排水暗沟运营养护巡查Fig.4 Operation and maintenance inspection of pipeline robot in tunnel under drain

3 问题与发展趋势

3.1 存在问题

管道机器人在管网检修巡查方面可替代人工，因此在电力电站、机房、综合管廓和煤矿隧道等行业应用广泛，技术相对成熟。但用于交通隧道暗沟运营养护巡检存在以下问题：

1) 需进行交通封闭，投入额外成本

管道机器人只能通过暗沟检查井下放检查，由于检查井位于路面硬路肩位置，在进行检查前，需提前向路政单位申请道路封闭，一般不小于一个车道宽，并分为警告区、上游过渡区、缓冲区、工作区、下游过渡区、终止区，警界及导向长度不少于2 km。沿线设置导向牌、指示标志、反光锥、水马等交通设施。检查前需由人工将井盖撬开，并需投入一名专职安全员。

2) 机器人智能化程度不高

管道机器人检测并未全面自动化、智能化，控制单元仍须人工配合，不能做到通过视频数据自动分析前进或后退。电缆绞盘模块决定了巡检视频信号只能通过线缆传输且一次巡查的长度也受到限期。

3) 巡检效率低下

管道机器人由于体积原因，同时为了获得更好的视频图像，现场速度宜控制在15 m/min～25 m/min，日巡检约600 m～800 m，部分堵塞狭窄段落，不能连续通过，疏通后需二次检测，大大降低了检测工作效率。

3.2 发展趋势及展望

综上分析，尽管存在上述问题，但管道机器人可进入养护人员无法进入的特殊环境，有独特的检测拍照视角，全面替代人工也是发展的大势所趋。将来能够作为交通隧道的核心智能化平台，解决交通隧道中各种运营问题，成为隧道中的关键智能化终端[14-15]。发展趋势展望如下：

1) 管道机器人智能化程度提高，不需要人工操作前进，只需输入前进、后退指令即可[6]。

2) 管道机器人实现图像无线传输，电力能源供给瓶颈得到解决，能否参考电动车的蓄电池，充一次电可实现长距离、长时间工作。

3) 管道机器人向轻型、微型化发展，能通过一些狭窄区域，适应更多复杂地形。

4) 隧道排水暗沟设计阶段增设管道机器人检查进出通道或轨道，为机器人定期巡检创造条件。

5) 特别提出，对于在建隧道水沟施工完成后，通车前的清理工作也十分重要，应作为交工前的重点检查项目，从而减少50%的堵塞问题。另一方面，隧道衬砌完成后的二次补注浆及养生水都含有水泥钙化物，极易沉淀对水沟造成堵塞，所以施工过程中也应加强对废水的收集，避免直接流入水沟，并将机器人检查纳入隧道排水沟畅通与否的过程检测中。

4 结束语

随着隧道通车后车流量的迅速增加，隧道运行安全隐患和风险也相对增加，为有效提高交通运行安全性，需要定期对一些管道、暗沟进行巡查，但由于这些管网的特殊性，人工巡查的局限性，采用管道机器人对隧道暗沟进行定期巡检，已成为解决隧道这一运营养护期工作难点的重要手段。

随着管道机器人更新换代及相关软件的丰富，上述问题也会得到全面解决，管道机器人在隧道运营养护上中将会有更广泛的应用。