地下管线周围环境振动监测及预警技术理论分析

吴朝峰，李科舟，范文峰，宋祎昕，宋孝丰

(1. 中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司，浙江 杭州 310014；2. 浙江省能源集团有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

随着城镇化进程加快，在城市建设过程中，既有地下管线设施遭受施工外破开挖的风险越来越高。近年来，地下管线遭到第三方破坏的事故时有发生。据统计，由机械施工及自然灾害造成的管线事故占事故总数的70%以上，其中90%以上的事故由施工开挖造成。如何在地下管线设施遭到破坏之前预知外破开挖风险，通过及时预警，给维护人员争取应急防护时间，从而将危险消除在破坏之前，是国内外地下管线运营方共同关注的课题。

近年来，随着工程振动测试技术的进步，振动测试与工程应用的结合也越来越紧密。在工程振动理论的基础上，利用成熟的振动测试仪器、设备和方法，对受施工开挖影响的地下管线进行监测、预警，是值得探索和实践的，也是将既有理论和技术相结合后形成新型应用技术的探索。

本文介绍了振动的基本知识以及振动测试的基本原理，通过对振动因素及振动参量的分析，提出了通过振动测试技术监测地下管线周围振动参数，并通过振动参数的指标判断地下管线周围环境安全状态的技术思路。在理论应用层面对技术思路进行了探讨，并通过小型现场工况试验进行了初步验证，为后续形成具体的新技术和新方法提供了理论支撑。

1 振动原理及振动测试

振动是自然界最普遍的现象之一。振动是指一个物体围绕它的平衡位置所做的往复运动或一个系统的物理量在其平均值或平衡值附近来回变动的物理现象[1]。对于任一机械或工程结构来说，常常需要工程技术人员准确地计算、分析、测试并预测其振动特性，这也是振动理论的基本任务。

振动问题可以用系统、激励和响应概括，通常振动问题分为3类：①振动分析或相应预测：已知输入和系统特性，求输出或响应；②系统识别：已知输出和输入，求系统特征参量；③振动环境预测：已知输出和系统特性，求输入。

工程系统经常处在各种激励的作用下，容易出现响应，产生各种各样的振动。尽管各应用领域内的振动问题千差万别，但解决的途径往往具有共同性：①从具体的工程对象提炼出力学模型；②应用力学知识建立所研究问题的数学模型；③对数学模型进行分析和计算，求出精确或近似的解析解或数值解；④将计算结果与工程问题的实际现象或实验研究的测试结果进行比较[2]。

为解决振动问题，可以建立与工程问题相对应的振动测试模型，在结构和机械运行的各阶段，通过测试传感器、信号采集与分析设备、计算机等，获得系统输入(即激励)、系统结构动力参数或系统输出(即响应)等数据，为消减振动带来的危害提供可靠依据。

利用振动测试技术可以解决的工程问题为实验验证、参数识别、荷载识别、建立振动方程、为理论计算提供技术参数、振动控制、故障诊断与监测等。其中故障诊断与监测为本次技术思路提供了方法及理论依据。

2 振动表征物理量及振动因素

2.1 振动表征物理量

振动的3个基本要素分别为振幅、频率和相位。①振幅是表征物体振动幅度大小和振动强弱的参量，是振动强度和能量水平的标志，是评价振动状态的主要指标；②频率是表征物体每秒振动次数的参量，是振动特性的标志，是分析振动原因的主要依据；③相位是表征物体振动在起始瞬间位置状态的参量。因此，采用位移参数、速度参数和加速度参数作为振幅、频率和相位的评价量参数。在具体工程中分析振动时，一般应用“有没有问题看振幅，有什么问题看频率”的思路[3]。

①振动位移是质量块运动的总距离，量值为峰峰值，单位为mm；振动位移具体反映了振动距离的大小。②振动速度是质量块在振动过程中运动快慢的度量，量值为有效值，单位为mm/s；振动速度反映了能量的大小，即振动烈度。③振动加速度是振动速度的变化率，量值为单峰值，单位为m/s2；振动加速度反映了冲击力的大小。

振动位移、振动速度和振动加速度都是对力的响应，向量表示振动幅值和相位，能清晰反映低频、中频、高频范围内的振动强度。通过测量位移参数、速度参数和加速度参数，根据振动力学理论和振动测试原理，采用对应的测试方法和测试系统，经过函数关系和数据分析处理后进行振动监测和预警。

2.2 振动因素

地下管线周围环境振动情况较为复杂，有自然因素也有人类活动因素，产生的振动也分为自然振动和人为振动。自然振动包括风荷载、地震海浪等引起的振动；人为振动包括振动设备运行和道路交通等引起的振动[4]。这些在振动中都属于随机振动，引起的问题属于动态不确定性问题。本次主要分析地下管线周围环境在人类活动因素影响下引起人为振动的动态不确定性问题，即人行振动、交通振动和建筑施工振动。

1)人行振动主要为：人在行走通过地下管线周围时引起地面的振动，是一种振动历时较短的瞬态振动，其具有间歇性、高频次性、慢速性和长期性的特点。人行振动引起的振动强度相对较小，对地下管线的影响也相对较小，可不作为对地下管线周围环境振动监测及预警的振动控制。在预警系统中可不作为预警参量。

2)交通振动主要为：各种车辆通行过地下管线周围时引起地面的振动，是一种振动历时较短的瞬态振动，其具有间歇性、高频次性、快速性和长期性的特点。交通振动引起的振动强度根据车辆型号、荷载、速度不同，引起振动强度的大小也不相同，对地下管线的影响也需要根据振动强度大小进行判断。在预警系统中可作为预警参量。

3)建筑施工振动主要为：各种机械施工开挖、施工爆破、机械冲击等行为在地下管线周围发生时引起地面的振动，是一种振动历时较长的由多次瞬态振动连续实施的稳态振动，其具有有限持续时间、非永久性、低频次性和偶发性的特点。建筑施工振动引起的振动强度根据施工机械、工艺不同，引起振动强度的大小也不相同，对地下管线的影响也需要根据振动强度大小进行判断。在预警系统中需要作为预警参量。

2.3 振动评价参数

在定量评价振动对地面的影响时，目前广泛采用的是地基质点振动的最大速度或加速度，较少采用最大位移、谱烈度和能量比等指标[4]。

对于交通振动，主要是评价车辆运动对地面的振动影响。我国在HJ 453—2008《环境影响评价技术导则 城市轨道交通》、GB/T 50452—2008《古建筑防工业振动技术规范》、GB 10071—1988《城市区域环境振动测量方法》中，对物体振动的评价参数主要采用加速度[4]。

对于建筑施工振动，主要是评价机械施工对地面的破坏和影响。美国矿产部门对爆破振动的评价参数主要采用速度。瑞典、德国等一些国家对施工振动的评价参数主要采用速度。我国在GB 50868—2013《建筑工程容许振动标准》中对物体振动的评价参数主要采用速度[4]。

3 振动监测及预警的理论设想

目前，我国已有较多用于车辆振动监测的传感器、数据处理系统[5]，在数据仿真与预测模型方面也有大量研究[6-7]。我国做过行驶车辆振动试验工作[8-9]，积累了较多实测数据[10]，通过施工机械开挖和岩土体破坏振动监测工作取得了实测数据[4]。

笔者根据不同行业学者在此方面做出的研究和积累的基础数据，结合地下管线遭受外破开挖现状，通过对振动原理、振动表征物理量及振动因素、振动测试的系统梳理和分析，提出了技术思路理论设想，即通过振动测试技术监测地下管线周围振动参数，并通过振动参数指标判断地下管线周围环境的安全状态。该设想是在振动理论以及振动测试技术原理基础上，将地下管线周围环境振动因素进行区分，采用传感器对振动评价参数进行测量，对振动表征物理量和振动参数进行分析，通过振动测试仪器及设备对测量参数进行转换，经过数据分析和系统处理后变为数字信号或模拟信号，从而实时展现在监测系统中。同时，根据人行振动、交通振动及建筑施工振动的振动历时和振动值的不同，在监测系统中分级设定、分级预警。该设想为技术思路理论设想，后期需进行大量多工况的模拟试验进行进一步验证。

4 验证试验和分析

4.1 验证试验

本次布置不同距离的测点，进行挖掘机不同作业工况下的振动验证试验。选择其中一个测点布置方案，如图1所示，分别对挖掘机静止状态和开挖状态的振动数值进行测试，即工况1和工况2。通过分析两种工况下的振动数值，判定挖掘机的工作状态。每个工况设置5个测点，分别采集挖掘机作业时的距测点距离、加速度有效值、加速度峰值、加速度水平值以及通道振动主频率，试验传感器采用中国地震局研发的力平衡加速度计和配套的数据采集仪进行数据采集。工况1的振动数理统计结果见表1所列，其中，挖掘机静止状态为开机静止，静止状态下周围环境对数据略有影响。工况2的振动数理统计结果见表2所列。

图1 挖掘机开挖状态测点布置图

表1 挖掘机静止状态下振动数理统计

表2 挖掘机开挖状态下振动数理统计

4.2 试验分析

本次试验最远距离为121 m，最近距离为43 m，均能较好采集到振动数据，其中，加速度有效值、加速度峰值和振动主频率为测试直接采集值。在该测距关系下，以振动主频率为主要评价参数，对两种工况下验证试验振动参数统计和分析，得到以下结论：

1)工况1：挖掘机在静止状态下加速度有效值最大为0.001 707 m/s2，最小为0.000 842 m/s2，平均值为0.001 058 m/s2；加速度峰值最大为0.006 535 m/s2， 最 小 为 0.003 069 m/s2， 平 均值为0.004 297 m/s2；通道振动主频率最大为38.96 Hz，最小为12.71 Hz，平均值为29.05 Hz。

2)工况2：挖掘机在开挖状态下加速度有效值最大为0.006 049 m/s2，最小为0.001 268 m/s2，平均值为0.002 843 m/s2；加速度峰值最大为0.097 220 m/s2， 最 小 为 0.008 430 m/s2， 平 均值为0.030 983 m/s2；通道振动主频率最大为16.66 Hz，最小为5.40 Hz，平均值为8.5 Hz。

3)挖掘机作业过程中，静止状态时的加速度有效值、加速度峰值、振动主频率均与开挖状态有较大差异。

4)挖掘机开挖作业过程中，其主频率都集中在7～10 Hz之间，可以直观判定挖掘机的作业状态。

5)挖掘机和小型汽车经过测点附近时，其主频率处于一个相对较高的频率，一般都在20 Hz以上，因此，较难判定挖掘机经过工况。

5 结语

本文将车辆及机械行驶振动监测技术、土体开挖振动监测技术相结合，提出了基于振动因素的地下管线周围环境振动监测及预警的技术思路，并进行了模拟试验验证，初步验证了该技术思路的可行性。

在地下管线运行期间，根据系统监测到的振动数据对地下管线周围活动情况进行分析，并对监测数据进行判定，建立分级预警，运行维护人员可以根据监测数据和分级预警情况及时采取对应的处置措施。该系统可以针对外部机械施工、外破开挖等可能引起振动现象的危险因素进行监测及预警。后续将进一步研究如何应用于既有天然气管线、石油管线和地下电缆等项目运行的监测工作。