城市地下管網(wǎng)維護管理技術(shù)一、引言城市地下管網(wǎng)是支撐城市運行的“生命線工程”，涵蓋供水、排水、燃氣、電力、通信等多個系統(tǒng)，其安全穩(wěn)定運行直接關(guān)系到居民生活、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和公共安全。隨著城市老齡化進程加速，我國約40%的地下管網(wǎng)已運行超過30年，材料老化、腐蝕泄漏、數(shù)據(jù)缺失等問題日益突出。據(jù)統(tǒng)計，全國每年因管網(wǎng)故障引發(fā)的內(nèi)澇、燃氣爆炸、停水停電等事故達數(shù)千起，直接經(jīng)濟損失超百億元。因此，構(gòu)建精準化、智能化、常態(tài)化的地下管網(wǎng)維護管理技術(shù)體系，成為保障城市韌性的關(guān)鍵課題。二、城市地下管網(wǎng)維護管理的核心挑戰(zhàn)當(dāng)前，我國地下管網(wǎng)維護管理面臨四大瓶頸：1.管網(wǎng)狀態(tài)不清：早期管網(wǎng)建設(shè)缺乏統(tǒng)一檔案，約30%的管網(wǎng)數(shù)據(jù)存在缺失或誤差，部分管道甚至“埋在地下無人知”；2.檢測效率低下：傳統(tǒng)人工巡查、開挖檢測方法耗時耗力，難以覆蓋復(fù)雜管網(wǎng)（如深埋管道、水下管道），且易對交通和居民生活造成干擾；3.修復(fù)技術(shù)滯后：多數(shù)城市仍采用“破路挖管”的傳統(tǒng)修復(fù)方式，成本高、工期長，與“海綿城市”“無廢城市”的建設(shè)理念沖突；4.應(yīng)急響應(yīng)緩慢：故障發(fā)生后，難以快速定位漏點、評估影響范圍，導(dǎo)致事故擴大化（如燃氣泄漏引發(fā)的爆炸、排水管網(wǎng)堵塞引發(fā)的內(nèi)澇）。三、關(guān)鍵維護管理技術(shù)體系針對上述挑戰(zhàn)，需構(gòu)建“狀態(tài)感知-缺陷修復(fù)-智能監(jiān)測-數(shù)據(jù)驅(qū)動”的全生命周期維護管理技術(shù)體系，實現(xiàn)從“被動搶修”向“主動預(yù)防”的轉(zhuǎn)變。（一）管網(wǎng)狀態(tài)智能檢測技術(shù)：從“盲目開挖”到“精準診斷”管網(wǎng)檢測是維護管理的基礎(chǔ)，其核心目標是快速、非破壞性地獲取管道內(nèi)部狀態(tài)信息（如腐蝕、堵塞、變形、泄漏）。當(dāng)前，先進檢測技術(shù)已從“人工為主”轉(zhuǎn)向“智能設(shè)備為主”，主要包括：1.**管道內(nèi)部檢測技術(shù)**CCTV閉路電視檢測：通過管道機器人攜帶高清攝像頭，實時傳輸管道內(nèi)部圖像，可直觀識別腐蝕、裂縫、異物堵塞等缺陷，適用于金屬、塑料等材質(zhì)的管道（直徑≥100mm）。其優(yōu)勢是可視化程度高，缺陷定位精度可達±5cm；激光檢測技術(shù)：通過激光傳感器掃描管道內(nèi)壁，獲取直徑、橢圓度、壁厚等參數(shù)，精度可達0.1mm，適用于檢測管道變形、腐蝕程度；聲吶檢測技術(shù)：針對充滿水的排水管道，通過發(fā)射高頻聲波，接收反射信號生成管道斷面圖像，可檢測管道淤積、水下障礙物等情況，適用于雨水管、污水管的水下檢測。2.**非開挖地球物理檢測技術(shù)**地質(zhì)雷達（GPR）：通過發(fā)射電磁波，接收地下介質(zhì)的反射信號，可檢測管道位置、埋深及周圍土體密實度，適用于查找地下管網(wǎng)的空間位置；電磁法檢測：利用電磁感應(yīng)原理，檢測金屬管道的腐蝕狀況（如管道壁厚減薄），適用于燃氣、供水金屬管道的無損檢測；光纖傳感檢測：通過埋設(shè)在管道周圍的光纖傳感器，實時監(jiān)測管道的溫度、應(yīng)力變化，適用于高溫、高壓管道（如熱力管道）。3.**智能管道機器人**近年來，小型化、自主化的管道機器人成為檢測領(lǐng)域的熱點。例如，爬壁式管道機器人可通過磁吸附或真空吸附裝置在管道內(nèi)壁移動，搭載攝像頭、激光雷達等傳感器，實現(xiàn)復(fù)雜管道（如彎頭、分支管）的檢測；水下管道機器人（ROV）可潛入水下管道，完成深水區(qū)管道的檢測與維護。這些機器人的應(yīng)用，將檢測效率提升了3-5倍，同時降低了人工風(fēng)險。（二）管網(wǎng)缺陷修復(fù)與更新技術(shù)：從“開挖修復(fù)”到“非開挖修復(fù)”針對管網(wǎng)缺陷，非開挖修復(fù)技術(shù)（TrenchlessTechnology）因“不破壞路面、不影響交通”的優(yōu)勢，已成為國際主流。其核心是通過“原位修復(fù)”或“原位更換”實現(xiàn)管道功能恢復(fù)，主要包括：1.**整體修復(fù)技術(shù)**CIPP原位固化法：將浸漬熱固性樹脂（如環(huán)氧樹脂）的軟管插入待修復(fù)管道，通過熱水或蒸汽固化，形成與原管道緊密結(jié)合的內(nèi)襯。該技術(shù)適用于各種材質(zhì)的管道（直徑____mm），修復(fù)后管道強度可達到原管道的1.5-2倍，使用壽命延長30-50年。目前，我國已將其納入《城鎮(zhèn)排水管道非開挖修復(fù)技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T____），廣泛應(yīng)用于老城區(qū)管網(wǎng)改造。機械脹管法：通過液壓或機械裝置將新管（如聚乙烯管）插入舊管，擠壓舊管使其破裂并擴張，新管取代舊管成為輸送介質(zhì)的通道。該技術(shù)適用于金屬管道的更換，修復(fù)后管道的水力性能顯著提升。2.**局部修復(fù)技術(shù)**補丁法：針對管道局部破損（如裂縫、孔洞），采用樹脂補丁或金屬補丁進行修復(fù)，適用于小范圍缺陷；套環(huán)法：將金屬或塑料套環(huán)固定在管道破損處，通過密封材料（如橡膠圈）實現(xiàn)止水，適用于管道接頭泄漏的修復(fù)；噴涂法：通過高壓設(shè)備將修復(fù)材料（如水泥砂漿、環(huán)氧涂層）噴涂在管道內(nèi)壁，形成均勻的防護層，適用于管道腐蝕、結(jié)垢的修復(fù)。3.**新型材料應(yīng)用**為提升修復(fù)效果，新型環(huán)保材料不斷涌現(xiàn)：生物可降解樹脂：用于CIPP修復(fù)，固化后可在自然環(huán)境中降解，減少對土壤的污染；自修復(fù)混凝土：在混凝土中添加微膠囊，當(dāng)管道出現(xiàn)裂縫時，微膠囊破裂釋放修復(fù)劑，自行修復(fù)裂縫；高韌性聚乙烯管（PE100-RC）：具有抗沖擊、抗開裂性能，適用于地質(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)域（如軟土地基）。（三）管網(wǎng)智能監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)：從“被動搶修”到“主動預(yù)防”智能監(jiān)測是實現(xiàn)“預(yù)知維護”的關(guān)鍵，通過物聯(lián)網(wǎng)（IoT）+大數(shù)據(jù)技術(shù)，實時感知管網(wǎng)運行狀態(tài)，提前預(yù)警故障。其體系架構(gòu)包括：1.**感知層**：部署多源傳感器壓力傳感器：監(jiān)測供水、燃氣管道的壓力變化，當(dāng)壓力突然下降時，提示管道破裂；流量傳感器：監(jiān)測排水管道的流量變化，當(dāng)流量驟增時，提示內(nèi)澇風(fēng)險；氣體傳感器：監(jiān)測燃氣管道的泄漏情況（如甲烷濃度），當(dāng)濃度超過閾值時，觸發(fā)報警；液位傳感器：監(jiān)測污水井的液位變化，當(dāng)液位過高時，提示堵塞風(fēng)險。這些傳感器多采用低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）技術(shù)（如LoRa、NB-IoT），實現(xiàn)長距離、低功耗的數(shù)據(jù)傳輸，適用于大范圍管網(wǎng)監(jiān)測。2.**平臺層**：構(gòu)建智能管理平臺通過云計算技術(shù)，將傳感器數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)、檔案數(shù)據(jù)整合到統(tǒng)一平臺，實現(xiàn)“數(shù)據(jù)-模型-應(yīng)用”的閉環(huán)。平臺的核心功能包括：實時監(jiān)控：通過GIS地圖可視化展示管網(wǎng)的位置、狀態(tài)（如壓力、流量、泄漏點）；故障預(yù)警：利用機器學(xué)習(xí)模型（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、隨機森林）分析歷史數(shù)據(jù)，預(yù)測管道故障概率（如“某段燃氣管道未來3個月泄漏概率為85%”）；應(yīng)急處置：當(dāng)故障發(fā)生時，平臺自動生成處置方案（如泄漏點定位、周邊閥門關(guān)閉順序、維修人員調(diào)度），并通過短信、APP通知相關(guān)人員。3.**應(yīng)用層**：面向不同場景的服務(wù)供水系統(tǒng)：監(jiān)測管網(wǎng)漏損率，通過壓力調(diào)節(jié)降低漏損（如DMA分區(qū)計量）；燃氣系統(tǒng)：監(jiān)測泄漏點，實現(xiàn)“分鐘級”報警與處置；排水系統(tǒng)：監(jiān)測內(nèi)澇風(fēng)險，聯(lián)動泵站、閘門實現(xiàn)智能調(diào)度。例如，上海某區(qū)燃氣管網(wǎng)采用物聯(lián)網(wǎng)+AI監(jiān)測系統(tǒng)后，燃氣泄漏事故響應(yīng)時間從2小時縮短至15分鐘，事故發(fā)生率降低了60%；杭州某區(qū)排水管網(wǎng)通過液位傳感器監(jiān)測，實現(xiàn)了內(nèi)澇風(fēng)險的提前預(yù)警，2023年汛期內(nèi)澇次數(shù)較往年減少了70%。（四）管網(wǎng)數(shù)據(jù)管理與數(shù)字孿生：從“數(shù)據(jù)碎片”到“數(shù)字賦能”數(shù)據(jù)是維護管理的“血液”，數(shù)字孿生（DigitalTwin）技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)了“物理管網(wǎng)”與“虛擬管網(wǎng)”的實時同步，為精準管理提供了新工具。1.**數(shù)據(jù)整合**：構(gòu)建“全生命周期”數(shù)據(jù)庫通過GIS技術(shù)，將管網(wǎng)的地理信息（如埋深、坐標）、屬性信息（如材質(zhì)、管徑、建設(shè)年代）、檢測信息（如腐蝕程度、缺陷位置）、監(jiān)測信息（如壓力、流量）整合到同一數(shù)據(jù)庫，形成“一張圖”式的管網(wǎng)檔案。例如，北京某區(qū)通過整合12萬條管網(wǎng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了“點擊地圖即可查看管道所有信息”的功能。2.**數(shù)字孿生模型**：實現(xiàn)“虛擬-物理”實時交互基于BIM（建筑信息模型）技術(shù)，構(gòu)建管網(wǎng)的數(shù)字孿生模型，通過傳感器數(shù)據(jù)實時更新模型狀態(tài)，實現(xiàn)“物理管道運行-虛擬模型模擬”的同步。其應(yīng)用場景包括：故障模擬：當(dāng)管道發(fā)生泄漏時，數(shù)字孿生模型可模擬泄漏的擴散范圍、影響區(qū)域，為應(yīng)急處置提供決策支持；壽命預(yù)測：通過模型分析管道的腐蝕速率、應(yīng)力變化，預(yù)測管道的剩余使用壽命（如“某段鑄鐵管道剩余壽命為10年”）；方案優(yōu)化：在管網(wǎng)改造前，通過模型模擬不同修復(fù)方案的效果（如CIPP法與脹管法的成本、工期對比），選擇最優(yōu)方案。三、實踐應(yīng)用案例（一）案例1：北京老城區(qū)排水管網(wǎng)改造北京某老城區(qū)排水管網(wǎng)建成于20世紀80年代，管道腐蝕嚴重，多次引發(fā)內(nèi)澇。采用CCTV檢測+CIPP原位固化法進行修復(fù)：首先通過CCTV機器人檢測，發(fā)現(xiàn)12段管道存在嚴重腐蝕（腐蝕率超過30%）；對這些管道采用CIPP原位固化法修復(fù)，無需開挖路面，施工周期從傳統(tǒng)方法的15天縮短至3天；修復(fù)后，管道內(nèi)壁光滑度提升，水力效率提高20%，內(nèi)澇次數(shù)從每年5次減少至0次。（二）案例2：上海燃氣管網(wǎng)智能監(jiān)測系統(tǒng)上海某區(qū)燃氣管網(wǎng)覆蓋10萬戶居民，采用物聯(lián)網(wǎng)+AI監(jiān)測系統(tǒng)：在管網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點安裝1000個氣體傳感器和壓力傳感器，實時監(jiān)測甲烷濃度和管道壓力；構(gòu)建機器學(xué)習(xí)模型，分析歷史泄漏數(shù)據(jù)，預(yù)測泄漏概率；2023年，系統(tǒng)提前預(yù)警了5次燃氣泄漏事故，維修人員在30分鐘內(nèi)到達現(xiàn)場，避免了爆炸事故的發(fā)生，事故率較往年降低了75%。（三）案例3：杭州管網(wǎng)數(shù)字孿生平臺杭州某區(qū)構(gòu)建了管網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)，整合了管網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)：通過數(shù)字孿生模型模擬管道破裂的影響范圍，為應(yīng)急處置提供決策支持；在一次管道泄漏事故中，系統(tǒng)快速定位泄漏點（誤差≤5m），并模擬泄漏擴散范圍，通知周邊300米內(nèi)的居民撤離，避免了人員傷亡；該系統(tǒng)使管網(wǎng)維護效率提高了40%，維修成本降低了30%。四、未來發(fā)展趨勢（一）智能機器人的“自主化”未來，管道機器人將向小型化、自主化、多模態(tài)方向發(fā)展。例如，微小型管道機器人（直徑≤50mm）可進入毛細管網(wǎng)（如通信管道）；自主導(dǎo)航機器人可通過激光雷達實現(xiàn)管道內(nèi)的自主定位與路徑規(guī)劃，無需人工遙控；多模態(tài)機器人可同時搭載攝像頭、激光雷達、聲吶等傳感器，實現(xiàn)“視覺+聽覺+觸覺”的全方位檢測。（二）人工智能的“深度化”機器學(xué)習(xí)模型將從“統(tǒng)計學(xué)習(xí)”向“深度學(xué)習(xí)”升級，通過Transformer模型“圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GNN）”等技術(shù)，處理管網(wǎng)的復(fù)雜關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)（如管道與土壤、水文的關(guān)系），提高故障預(yù)測精度。例如，采用GNN模型分析管網(wǎng)的空間拓撲結(jié)構(gòu)，預(yù)測某段管道破裂對周邊管網(wǎng)的影響，優(yōu)化應(yīng)急調(diào)度方案。（三）數(shù)字孿生的“融合化”數(shù)字孿生將與BIM+GIS+元宇宙深度融合，構(gòu)建“全要素、全場景”的虛擬管網(wǎng)。例如，通過元宇宙技術(shù)，實現(xiàn)管網(wǎng)的“沉浸式”管理，維護人員可通過VR設(shè)備進入虛擬管道，查看缺陷位置、模擬修復(fù)過程；與BIM模型結(jié)合，實現(xiàn)管網(wǎng)從設(shè)計、施工到維護的全生命周期管理。（四）綠色修復(fù)技術(shù)的“普及化”隨著“雙碳”目標的推進，綠色修復(fù)技術(shù)將成為主流。例如，生物修復(fù)法利用微生物降解管道內(nèi)的污染物（如污水管道中的有機物），減少化學(xué)藥劑的使用；太陽能修復(fù)法利用太陽能加熱樹脂軟管，實現(xiàn)CIPP固化，降低能