吳朝峰，李科舟，范文峰，宋祎昕，宋孝豐

(1. 中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310014；2. 浙江省能源集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，在城市建設(shè)過(guò)程中，既有地下管線設(shè)施遭受施工外破開(kāi)挖的風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越高。近年來(lái)，地下管線遭到第三方破壞的事故時(shí)有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由機(jī)械施工及自然災(zāi)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(kāi)挖造成。如何在地下管線設(shè)施遭到破壞之前預(yù)知外破開(kāi)挖風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)及時(shí)預(yù)警，給維護(hù)人員爭(zhēng)取應(yīng)急防護(hù)時(shí)間，從而將危險(xiǎn)消除在破壞之前，是國(guó)內(nèi)外地下管線運(yùn)營(yíng)方共同關(guān)注的課題。

近年來(lái)，隨著工程振動(dòng)測(cè)試技術(shù)的進(jìn)步，振動(dòng)測(cè)試與工程應(yīng)用的結(jié)合也越來(lái)越緊密。在工程振動(dòng)理論的基礎(chǔ)上，利用成熟的振動(dòng)測(cè)試儀器、設(shè)備和方法，對(duì)受施工開(kāi)挖影響的地下管線進(jìn)行監(jiān)測(cè)、預(yù)警，是值得探索和實(shí)踐的，也是將既有理論和技術(shù)相結(jié)合后形成新型應(yīng)用技術(shù)的探索。

本文介紹了振動(dòng)的基本知識(shí)以及振動(dòng)測(cè)試的基本原理，通過(guò)對(duì)振動(dòng)因素及振動(dòng)參量的分析，提出了通過(guò)振動(dòng)測(cè)試技術(shù)監(jiān)測(cè)地下管線周?chē)駝?dòng)參數(shù)，并通過(guò)振動(dòng)參數(shù)的指標(biāo)判斷地下管線周?chē)h(huán)境安全狀態(tài)的技術(shù)思路。在理論應(yīng)用層面對(duì)技術(shù)思路進(jìn)行了探討，并通過(guò)小型現(xiàn)場(chǎng)工況試驗(yàn)進(jìn)行了初步驗(yàn)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(dòng)原理及振動(dòng)測(cè)試

振動(dòng)是自然界最普遍的現(xiàn)象之一。振動(dòng)是指一個(gè)物體圍繞它的平衡位置所做的往復(fù)運(yùn)動(dòng)或一個(gè)系統(tǒng)的物理量在其平均值或平衡值附近來(lái)回變動(dòng)的物理現(xiàn)象[1]。對(duì)于任一機(jī)械或工程結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，常常需要工程技術(shù)人員準(zhǔn)確地計(jì)算、分析、測(cè)試并預(yù)測(cè)其振動(dòng)特性，這也是振動(dòng)理論的基本任務(wù)。

振動(dòng)問(wèn)題可以用系統(tǒng)、激勵(lì)和響應(yīng)概括，通常振動(dòng)問(wèn)題分為3類：①振動(dòng)分析或相應(yīng)預(yù)測(cè)：已知輸入和系統(tǒng)特性，求輸出或響應(yīng)；②系統(tǒng)識(shí)別：已知輸出和輸入，求系統(tǒng)特征參量；③振動(dòng)環(huán)境預(yù)測(cè)：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(lì)的作用下，容易出現(xiàn)響應(yīng)，產(chǎn)生各種各樣的振動(dòng)。盡管各應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的振動(dòng)問(wèn)題千差萬(wàn)別，但解決的途徑往往具有共同性：①?gòu)木唧w的工程對(duì)象提煉出力學(xué)模型；②應(yīng)用力學(xué)知識(shí)建立所研究問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型；③對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析和計(jì)算，求出精確或近似的解析解或數(shù)值解；④將計(jì)算結(jié)果與工程問(wèn)題的實(shí)際現(xiàn)象或?qū)嶒?yàn)研究的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較[2]。

為解決振動(dòng)問(wèn)題，可以建立與工程問(wèn)題相對(duì)應(yīng)的振動(dòng)測(cè)試模型，在結(jié)構(gòu)和機(jī)械運(yùn)行的各階段，通過(guò)測(cè)試傳感器、信號(hào)采集與分析設(shè)備、計(jì)算機(jī)等，獲得系統(tǒng)輸入(即激勵(lì))、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力參數(shù)或系統(tǒng)輸出(即響應(yīng))等數(shù)據(jù)，為消減振動(dòng)帶來(lái)的危害提供可靠依據(jù)。

利用振動(dòng)測(cè)試技術(shù)可以解決的工程問(wèn)題為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、參數(shù)識(shí)別、荷載識(shí)別、建立振動(dòng)方程、為理論計(jì)算提供技術(shù)參數(shù)、振動(dòng)控制、故障診斷與監(jiān)測(cè)等。其中故障診斷與監(jiān)測(cè)為本次技術(shù)思路提供了方法及理論依據(jù)。

2 振動(dòng)表征物理量及振動(dòng)因素

2.1 振動(dòng)表征物理量

振動(dòng)的3個(gè)基本要素分別為振幅、頻率和相位。①振幅是表征物體振動(dòng)幅度大小和振動(dòng)強(qiáng)弱的參量，是振動(dòng)強(qiáng)度和能量水平的標(biāo)志，是評(píng)價(jià)振動(dòng)狀態(tài)的主要指標(biāo)；②頻率是表征物體每秒振動(dòng)次數(shù)的參量，是振動(dòng)特性的標(biāo)志，是分析振動(dòng)原因的主要依據(jù)；③相位是表征物體振動(dòng)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(píng)價(jià)量參數(shù)。在具體工程中分析振動(dòng)時(shí)，一般應(yīng)用“有沒(méi)有問(wèn)題看振幅，有什么問(wèn)題看頻率”的思路[3]。

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

振動(dòng)位移、振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度都是對(duì)力的響應(yīng)，向量表示振動(dòng)幅值和相位，能清晰反映低頻、中頻、高頻范圍內(nèi)的振動(dòng)強(qiáng)度。通過(guò)測(cè)量位移參數(shù)、速度參數(shù)和加速度參數(shù)，根據(jù)振動(dòng)力學(xué)理論和振動(dòng)測(cè)試原理，采用對(duì)應(yīng)的測(cè)試方法和測(cè)試系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)函數(shù)關(guān)系和數(shù)據(jù)分析處理后進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

2.2 振動(dòng)因素

地下管線周?chē)h(huán)境振動(dòng)情況較為復(fù)雜，有自然因素也有人類活動(dòng)因素，產(chǎn)生的振動(dòng)也分為自然振動(dòng)和人為振動(dòng)。自然振動(dòng)包括風(fēng)荷載、地震海浪等引起的振動(dòng)；人為振動(dòng)包括振動(dòng)設(shè)備運(yùn)行和道路交通等引起的振動(dòng)[4]。這些在振動(dòng)中都屬于隨機(jī)振動(dòng)，引起的問(wèn)題屬于動(dòng)態(tài)不確定性問(wèn)題。本次主要分析地下管線周?chē)h(huán)境在人類活動(dòng)因素影響下引起人為振動(dòng)的動(dòng)態(tài)不確定性問(wèn)題，即人行振動(dòng)、交通振動(dòng)和建筑施工振動(dòng)。

1)人行振動(dòng)主要為：人在行走通過(guò)地下管線周?chē)鷷r(shí)引起地面的振動(dòng)，是一種振動(dòng)歷時(shí)較短的瞬態(tài)振動(dòng)，其具有間歇性、高頻次性、慢速性和長(zhǎng)期性的特點(diǎn)。人行振動(dòng)引起的振動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較小，對(duì)地下管線的影響也相對(duì)較小，可不作為對(duì)地下管線周?chē)h(huán)境振動(dòng)監(jiān)測(cè)及預(yù)警的振動(dòng)控制。在預(yù)警系統(tǒng)中可不作為預(yù)警參量。

2)交通振動(dòng)主要為：各種車(chē)輛通行過(guò)地下管線周?chē)鷷r(shí)引起地面的振動(dòng)，是一種振動(dòng)歷時(shí)較短的瞬態(tài)振動(dòng)，其具有間歇性、高頻次性、快速性和長(zhǎng)期性的特點(diǎn)。交通振動(dòng)引起的振動(dòng)強(qiáng)度根據(jù)車(chē)輛型號(hào)、荷載、速度不同，引起振動(dòng)強(qiáng)度的大小也不相同，對(duì)地下管線的影響也需要根據(jù)振動(dòng)強(qiáng)度大小進(jìn)行判斷。在預(yù)警系統(tǒng)中可作為預(yù)警參量。

3)建筑施工振動(dòng)主要為：各種機(jī)械施工開(kāi)挖、施工爆破、機(jī)械沖擊等行為在地下管線周?chē)l(fā)生時(shí)引起地面的振動(dòng)，是一種振動(dòng)歷時(shí)較長(zhǎng)的由多次瞬態(tài)振動(dòng)連續(xù)實(shí)施的穩(wěn)態(tài)振動(dòng)，其具有有限持續(xù)時(shí)間、非永久性、低頻次性和偶發(fā)性的特點(diǎn)。建筑施工振動(dòng)引起的振動(dòng)強(qiáng)度根據(jù)施工機(jī)械、工藝不同，引起振動(dòng)強(qiáng)度的大小也不相同，對(duì)地下管線的影響也需要根據(jù)振動(dòng)強(qiáng)度大小進(jìn)行判斷。在預(yù)警系統(tǒng)中需要作為預(yù)警參量。

2.3 振動(dòng)評(píng)價(jià)參數(shù)

在定量評(píng)價(jià)振動(dòng)對(duì)地面的影響時(shí)，目前廣泛采用的是地基質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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(biāo)[4]。

對(duì)于交通振動(dòng)，主要是評(píng)價(jià)車(chē)輛運(yùn)動(dòng)對(duì)地面的振動(dòng)影響。我國(guó)在HJ 453—2008《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》、GB/T 50452—2008《古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范》、GB 10071—1988《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》中，對(duì)物體振動(dòng)的評(píng)價(jià)參數(shù)主要采用加速度[4]。

對(duì)于建筑施工振動(dòng)，主要是評(píng)價(jià)機(jī)械施工對(duì)地面的破壞和影響。美國(guó)礦產(chǎn)部門(mén)對(duì)爆破振動(dòng)的評(píng)價(jià)參數(shù)主要采用速度。瑞典、德國(guó)等一些國(guó)家對(duì)施工振動(dòng)的評(píng)價(jià)參數(shù)主要采用速度。我國(guó)在GB 50868—2013《建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)物體振動(dòng)的評(píng)價(jià)參數(shù)主要采用速度[4]。

3 振動(dòng)監(jiān)測(cè)及預(yù)警的理論設(shè)想

目前，我國(guó)已有較多用于車(chē)輛振動(dòng)監(jiān)測(cè)的傳感器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[5]，在數(shù)據(jù)仿真與預(yù)測(cè)模型方面也有大量研究[6-7]。我國(guó)做過(guò)行駛車(chē)輛振動(dòng)試驗(yàn)工作[8-9]，積累了較多實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[10]，通過(guò)施工機(jī)械開(kāi)挖和巖土體破壞振動(dòng)監(jiān)測(cè)工作取得了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[4]。

筆者根據(jù)不同行業(yè)學(xué)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(kāi)挖現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)振動(dòng)原理、振動(dòng)表征物理量及振動(dòng)因素、振動(dòng)測(cè)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(guò)振動(dòng)測(cè)試技術(shù)監(jiān)測(cè)地下管線周?chē)駝?dòng)參數(shù)，并通過(guò)振動(dòng)參數(shù)指標(biāo)判斷地下管線周?chē)h(huán)境的安全狀態(tài)。該設(shè)想是在振動(dòng)理論以及振動(dòng)測(cè)試技術(shù)原理基礎(chǔ)上，將地下管線周?chē)h(huán)境振動(dòng)因素進(jìn)行區(qū)分，采用傳感器對(duì)振動(dòng)評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，對(duì)振動(dòng)表征物理量和振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行分析，通過(guò)振動(dòng)測(cè)試儀器及設(shè)備對(duì)測(cè)量參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)處理后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)，從而實(shí)時(shí)展現(xiàn)在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。同時(shí)，根據(jù)人行振動(dòng)、交通振動(dòng)及建筑施工振動(dòng)的振動(dòng)歷時(shí)和振動(dòng)值的不同，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中分級(jí)設(shè)定、分級(jí)預(yù)警。該設(shè)想為技術(shù)思路理論設(shè)想，后期需進(jìn)行大量多工況的模擬試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 驗(yàn)證試驗(yàn)和分析

4.1 驗(yàn)證試驗(yàn)

本次布置不同距離的測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行挖掘機(jī)不同作業(yè)工況下的振動(dòng)驗(yàn)證試驗(yàn)。選擇其中一個(gè)測(cè)點(diǎn)布置方案，如圖1所示，分別對(duì)挖掘機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)和開(kāi)挖狀態(tài)的振動(dòng)數(shù)值進(jìn)行測(cè)試，即工況1和工況2。通過(guò)分析兩種工況下的振動(dòng)數(shù)值，判定挖掘機(jī)的工作狀態(tài)。每個(gè)工況設(shè)置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別采集挖掘機(jī)作業(yè)時(shí)的距測(cè)點(diǎn)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(dòng)主頻率，試驗(yàn)傳感器采用中國(guó)地震局研發(fā)的力平衡加速度計(jì)和配套的數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。工況1的振動(dòng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1所列，其中，挖掘機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)為開(kāi)機(jī)靜止，靜止?fàn)顟B(tài)下周?chē)h(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)略有影響。工況2的振動(dòng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2所列。

圖1 挖掘機(jī)開(kāi)挖狀態(tài)測(cè)點(diǎn)布置圖

表1 挖掘機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下振動(dòng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)

表2 挖掘機(jī)開(kāi)挖狀態(tài)下振動(dòng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)

4.2 試驗(yàn)分析

本次試驗(yàn)最遠(yuǎn)距離為121 m，最近距離為43 m，均能較好采集到振動(dòng)數(shù)據(jù)，其中，加速度有效值、加速度峰值和振動(dòng)主頻率為測(cè)試直接采集值。在該測(cè)距關(guān)系下，以振動(dòng)主頻率為主要評(píng)價(jià)參數(shù)，對(duì)兩種工況下驗(yàn)證試驗(yàn)振動(dòng)參數(shù)統(tǒng)計(jì)和分析，得到以下結(jié)論：

1)工況1：挖掘機(jī)在靜止?fàn)顟B(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(dòng)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(jī)在開(kāi)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(dòng)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(jī)作業(yè)過(guò)程中，靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的加速度有效值、加速度峰值、振動(dòng)主頻率均與開(kāi)挖狀態(tài)有較大差異。

4)挖掘機(jī)開(kāi)挖作業(yè)過(guò)程中，其主頻率都集中在7～10 Hz之間，可以直觀判定挖掘機(jī)的作業(yè)狀態(tài)。

5)挖掘機(jī)和小型汽車(chē)經(jīng)過(guò)測(cè)點(diǎn)附近時(shí)，其主頻率處于一個(gè)相對(duì)較高的頻率，一般都在20 Hz以上，因此，較難判定挖掘機(jī)經(jīng)過(guò)工況。

5 結(jié)語(yǔ)

本文將車(chē)輛及機(jī)械行駛振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)、土體開(kāi)挖振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合，提出了基于振動(dòng)因素的地下管線周?chē)h(huán)境振動(dòng)監(jiān)測(cè)及預(yù)警的技術(shù)思路，并進(jìn)行了模擬試驗(yàn)驗(yàn)證，初步驗(yàn)證了該技術(shù)思路的可行性。

在地下管線運(yùn)行期間，根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)地下管線周?chē)顒?dòng)情況進(jìn)行分析，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行判定，建立分級(jí)預(yù)警，運(yùn)行維護(hù)人員可以根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和分級(jí)預(yù)警情況及時(shí)采取對(duì)應(yīng)的處置措施。該系統(tǒng)可以針對(duì)外部機(jī)械施工、外破開(kāi)挖等可能引起振動(dòng)現(xiàn)象的危險(xiǎn)因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)及預(yù)警。后續(xù)將進(jìn)一步研究如何應(yīng)用于既有天然氣管線、石油管線和地下電纜等項(xiàng)目運(yùn)行的監(jiān)測(cè)工作。