南京市測(cè)繪勘察研究院有限公司 鐘金寧 段 偉

南京地鐵科技咨詢有限公司 田有良

徠卡測(cè)量新技術(shù)應(yīng)用專欄

應(yīng)用TM30進(jìn)行地鐵隧道變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)的研究

南京市測(cè)繪勘察研究院有限公司 鐘金寧 段 偉

南京地鐵科技咨詢有限公司 田有良

一、引 言

隨著我國(guó)地鐵交通的快速發(fā)展，目前有近10個(gè)城市地鐵開(kāi)通營(yíng)運(yùn)，有近20個(gè)城市啟動(dòng)地鐵建設(shè)。為確保地鐵建設(shè)和營(yíng)運(yùn)安全，對(duì)隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，越來(lái)越受到社會(huì)和政府的廣泛重視，尤其是軟土環(huán)境中隧道的穩(wěn)定性更加受到關(guān)注。但由于隧道空間狹小、結(jié)構(gòu)環(huán)境復(fù)雜、機(jī)車行駛干擾等因素的影響，都給隧道變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)造成較多的技術(shù)困難。因此監(jiān)測(cè)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)是基準(zhǔn)點(diǎn)的布設(shè)和數(shù)據(jù)處理與穩(wěn)定性分析，其次是工作基點(diǎn)布設(shè)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)、測(cè)量?jī)x器的選型和數(shù)據(jù)通信方式的選擇，以及如何降低高額的監(jiān)測(cè)成本。

二、監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布設(shè)

監(jiān)測(cè)網(wǎng)由若干基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成，其中基準(zhǔn)點(diǎn)是監(jiān)測(cè)網(wǎng)的核心，布設(shè)的位置、數(shù)量應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)域的大小、監(jiān)測(cè)周期的長(zhǎng)短和監(jiān)測(cè)精度來(lái)設(shè)計(jì)。一般在監(jiān)測(cè)區(qū)域外圍100～200 m相對(duì)穩(wěn)定的地方布設(shè)6～12個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)(分成1～2組)，并牢固地安置觀測(cè)棱鏡。當(dāng)工作基點(diǎn)數(shù)量大于1個(gè)時(shí)，應(yīng)布設(shè)基準(zhǔn)傳遞點(diǎn)，如圖1所示。工作基點(diǎn)的布設(shè)根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)域大小而定，當(dāng)監(jiān)測(cè)成果精度優(yōu)于±1 mm時(shí)，TM30 0.5″儀器監(jiān)測(cè)視線長(zhǎng)度不宜超過(guò)100 m。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在隧道斷面上，每5～10 m選擇1個(gè)斷面，每個(gè)斷面上均勻布設(shè)5～8個(gè)觀測(cè)棱鏡作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)要特別注意，儀器觀測(cè)有效視場(chǎng)內(nèi)不得出現(xiàn)其他棱鏡(視場(chǎng)內(nèi)有多個(gè)棱鏡時(shí)會(huì)直接影響觀測(cè)精度)，在監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)前應(yīng)精確計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的布設(shè)位置。

圖1

三、監(jiān)測(cè)網(wǎng)的測(cè)量

監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)完成后，通過(guò)GeoMoS軟件對(duì)TM30進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，根據(jù)監(jiān)測(cè)需要設(shè)置觀測(cè)時(shí)間、觀測(cè)模式。夜間地鐵停運(yùn)時(shí)為最佳觀測(cè)時(shí)間，一般觀測(cè)1～2次，每次觀測(cè)兩測(cè)回，白天地鐵行駛時(shí)，一般觀測(cè)2～4次，每次觀測(cè)兩測(cè)回。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)傳遞點(diǎn)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)在同一周期內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)會(huì)先利用基準(zhǔn)點(diǎn)及基準(zhǔn)傳遞點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定性作出判斷并實(shí)時(shí)更新工作基點(diǎn)坐標(biāo)再進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的解算。但由于震動(dòng)和風(fēng)動(dòng)對(duì)儀器觀測(cè)精度會(huì)產(chǎn)生較大影響，通常觀測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生一定偏離，需要在數(shù)據(jù)處理時(shí)進(jìn)行過(guò)濾，否則監(jiān)測(cè)成果會(huì)明顯偏離，無(wú)法準(zhǔn)確反映隧道的真實(shí)變形。

四、數(shù)據(jù)通信

觀測(cè)數(shù)據(jù)可通過(guò)有線或無(wú)線方式實(shí)時(shí)傳回服務(wù)器，目前可通過(guò)有線電信和無(wú)線CDMA、GPRS、3G等模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳載。從應(yīng)用效果來(lái)看，3G模式的傳載速度要明顯優(yōu)于其他傳載方式。

五、數(shù)據(jù)處理

地鐵隧道變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)的重要環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)處理，一般情況下使用GeoMoS軟件已基本能夠完成經(jīng)典的平差計(jì)算、數(shù)據(jù)分析和成果輸出。但在有特殊要求的地鐵監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中，還應(yīng)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中變形量、測(cè)量誤差、列車行駛震動(dòng)和風(fēng)動(dòng)造成觀測(cè)數(shù)據(jù)的偏離，棱鏡儀器表面灰塵影響以及基準(zhǔn)點(diǎn)不穩(wěn)定對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響作進(jìn)一步處理，這就要對(duì)GeoMoS軟件做二次開(kāi)發(fā)或定制專門軟件進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理。在地鐵監(jiān)測(cè)工程中運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析模型進(jìn)一步分析基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性，預(yù)測(cè)工作基點(diǎn)的最合適值和監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形量，運(yùn)用小波理論對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差過(guò)濾等，使監(jiān)測(cè)成果更加客觀準(zhǔn)確地描述隧道結(jié)構(gòu)變形過(guò)程與變形趨勢(shì)。

數(shù)據(jù)處理完成后生成平面位移成果表和平面位移趨勢(shì)圖、垂直沉降成果表、垂直沉降趨勢(shì)圖、隧道收斂成果表和隧道斷面變形成果表等。

六、實(shí)例應(yīng)用

對(duì)南京中央商務(wù)區(qū)多功能商業(yè)發(fā)展項(xiàng)目工程段地鐵保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，該項(xiàng)目位于南京市建鄴區(qū)河西大街與江東中路交匯處東南隅，北側(cè)為河西大街，項(xiàng)目基坑位于地鐵一號(hào)線元通站、元通站～中勝站區(qū)間南側(cè)，位于地鐵二號(hào)線雨潤(rùn)大街站～元通站、元通站東側(cè)。監(jiān)測(cè)范圍為地鐵一號(hào)線XK2+229～XK2+459，約230 m，地鐵二號(hào)線K4+ 164.0～K4+505.8，約341.8 m。將本文提出的監(jiān)測(cè)方法用于該項(xiàng)目中去，共布設(shè)3臺(tái)TM30 0.5″全站儀進(jìn)行全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，一號(hào)線一臺(tái)，二號(hào)線兩臺(tái)，部分點(diǎn)位監(jiān)測(cè)精度見(jiàn)表1，從成果可以得出監(jiān)測(cè)成果精度在±1 mm以內(nèi)。

表1 部分點(diǎn)位精度表 mm

七、結(jié)束語(yǔ)

地鐵隧道變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它不僅要融合現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)，而且要運(yùn)用現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論和巖土工程理論對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析與變因研究。經(jīng)過(guò)初步試驗(yàn)，使用TM30 0.5″儀器和科學(xué)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)成果精度優(yōu)于±1 mm是完全能達(dá)到的。